大柔性飞行器结构建模与姿态控制研究

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1、中图分类号：V249论文编号：102870315-S170学科分类号：081105硕士学位论文大柔性飞行器结构建模与姿态控制研究研究生姓名孙明敏学科、专业导航、制导与控制研究方向飞行控制技术指导教师陆宇平教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一五年一月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringStructuralModelingandAttitudeControlofVeryFlexibleAircraftAThe

2、sisinNavigation,GuidanceandControlbySunMingminAdvisedbyProf.LuYupingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringJanuary,2015承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权

3、南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要大柔性飞行器具有高空长航时飞行和执行多种任务的能力，近年来受到广泛的重视。大柔性飞行器结构轻巧、展弦比大的特点导致机翼在常规飞行条件下也会产生大的结构变形、气动失速等现象，从而极大影响飞行器的飞行特性。这给飞行器的建模和飞行控制研究带来挑战。本文以大柔性飞行器为对象，针对此类飞行器的建模、运动特性分析、模型简化以及姿态控制等问题展开研究。首先，基于虚功

4、原理推导了大柔性飞行器的动力学方程。采用常值应变表达非线性梁结构模型，基于有限状态非定常气动力载荷理论计算气动载荷，最后将六自由度刚体动力学方程、全机结构动力学方程以及气动力模型耦合，获得完整飞行器动力学方程。其次，根据系统特征根分布规律分析了大柔性飞行器的运动模态；采用基于常平均速度的状态空间Newmark法分析了大柔性结构机翼在受主动操纵和大气扰动影响下的运动特性，并研究了柔性模块耦合作用对飞行器横侧向稳定性的影响。然后，研究了大柔性飞行器的模型降阶问题。为便于控制器的设计，针对大柔性飞行器高阶复杂模型，分别运用平衡截断法、平衡残差法以及最优Hankel

5、范数近似法对系统进行了模型降阶处理与比较。通过仿真对比得知对于本文研究对象，采用平衡残差法所得的降阶模型效果最好。最后，针对具有不确定性的大柔性飞行器，基于带有观测器的降阶模型，设计了模型参考自适应控制器。其中基线控制器为基于线性二次型调节器设计方法的比例积分姿态跟踪控制器（称为LQR-PI控制器）。仿真结果表明，基于降阶模型设计的控制器可实现对原有高阶模型的稳定控制；在系统存在不确定性时自适应控制器能够使得飞行器准确跟踪目标指令，且系统瞬态响应更快。关键词：大柔性飞行器，动力学建模，运动特性分析，模型降阶，模型参考自适应控制i大柔性飞行器结构建模与姿态控制

6、研究ABSTRACTTheveryflexibleaircraft(VFA)havethecapabilitytoperformavarietyofmissionswithhigh-altitudelong-enduranceflight,andhavereceivedwidelyattentionrecently.Theveryflexibleaircraft,featuringlightwingswithahigh-aspectratio,mayundergolargedeformationsoraerodynamicstallundernormalfl

7、ightconditions,whichhasasignificantimpactonflightcharacteristics.Itbringschallengesformodelingandflightcontroldesignofaircraft.ThisdissertationfocusesontheresearchofVFA,includingsystemmodeling,dynamiccharacteristicsanalysis,modelreductionandattitudecontrol.First,thedynamicequations

8、arederivedbasedontheprinci