双旋翼直升飞机原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,共轴双旋翼直升机悬停方向控制,制作人：张映民.毛辉.刘涛.瞿丽华.王钿.,肖力.沈丹,2013年11月23日,目录,建模,单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容,分析性能,单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容,校正与设计,单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容,验证与仿真,单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容 单击此处添加文字内容,：,悬停直升机,共轴双旋翼直升机的基本概念,双雄翼共轴式直升机药基本特征是：两副完全相同的旋翼，一上一下安装在同一根旋翼轴上，两旋翼间有一定间距。两副旋翼的旋转方向相反，它们的反扭矩可以互相抵消。这样，就用不着再装尾桨了。直升机的航向操纵靠上下两旋翼总距的差动变化来完成。,双旋翼共轴式直升机主要优点是结构紧凑，外形尺寸小。这种直升机因无尾桨，所以也就不露要装长长的尾梁，机身长度也可以大大缩短。有两副旋翼产生升力，每副旋翼的直径也可以缩短。机体部件可以紧凑地安排在直升机重心处，所以飞行稳定性好，也便于操纵。与单旋翼带尾桨直升机相比，其操纵效率明显有所提高。此外。共轴式直升机气动力对称，其悬停效率也比较高。,研制共轴式直升机取得最大成功的是俄罗斯的卡莫夫设计局，该设计局研制出了庞大的“卡”系列直升机，它们基本上都是双旋翼共轴式布局。除大量民用直升机外，如卡-26、卡-226等，军用直升机也有不凡表现，卡-25曾是前苏联舰载反潜直升机食主力，新研制的战斗直升机卡-50、卡-52则更令人瞩目。北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系的轻型飞机室研制的“蜜蜂16”轻型单座直升机也采用了共轴双旋翼形式。,双旋翼共轴式直升机的主要缺点是操纵机构复杂。,建模,建模（Modeling）的目的就是要建立概念关系、数学和/或计算机模型的过程；建模是研究系统的重要手段和前提，凡是用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模，因此建立系统模型的过程、又称模型化。从系统工程学角度来评价一个模型的好坏，要把握三条原则：（1）分析与设计实际系统；（2）预测或预报实际系统的某些状态的未来发展趋势；（3）对系统实行最优控制。因此，要求在建模过程中，要对系统模型进行抽象简化、并要在简化和分析结果的准确性之间适当的折衷，以满足前述三条基本原则。此折衷之意，就在于要保证模型的稳定性、均衡性和完整性的前提下，去除非规划阶段的影响因素。,1.直流电动机数学模型,电枢控制直流电动机的工作实质是将输入的电能转化为机械能，也就是由输入的电枢电压,在电枢回路中产生电枢电流,再由电流,与激磁磁通相互作用产生电磁转矩,从而拖动负载运动。因此，直流电动机的运动方程有以下三部分组成,再进过一系列的计算后得出直流发动机数学建模的公式：,被控对象的分析：,共轴双旋翼直升机悬停方向的控制是角动量守恒定律的应用。直升机在发动前，系统的总角动量为零。在发动后，旋翼在水平面内高速转动，系统会出现一个竖直向上的角动量。由旋翼产生的升力竖直向上，方向通过大致与机身垂直的直立轴，飞机受重力也通过该轴，升力和重力对该轴均不产生力矩，故系统的角动量守恒。双旋翼直升机在直立轴上安装了一对向相反方向旋转的旋翼，通过对两旋翼旋转角速度的控制，实现直升机悬停方向的改变。,共轴双旋翼直升机通过两个旋翼的差动旋转，进而将直升机悬停在预定位置，因此需要精确控制的变量是直升机的悬停方向。控制系统的输入量是预期的直升机的悬停方向，输出量即为实际的悬停方向。,假设（1）上下旋翼均为三叶桨，且尺寸，重量等各种物理参数均相同；,（2）上下旋翼旋转轴通过机身质心；,（3）机身外形简化成体积相同的长方体，质心位于其几何中心,上下旋翼的每叶桨的转动惯量为（1代表上旋翼，,2代表下旋翼,根据角动量守恒得到方程,被控对象特性分析：本控制系统的被控对象是共轴的两个旋翼，控制量是两旋翼的旋转角速度。根据数学建模的分析，得到传递函数：,经过一系列的推算得到系统结构如下：,经过化简后得到：,分析性能,1稳定性分析：,2.根据劳斯判据得到：,稳态性能分析：,所以扰动作用下的稳态误差为,：,因此只要满足,在满足稳态误差很小的前提下，扰动误差就可以削弱到很小,分析扰动误差时的结构图如下,：,动态性能分析：,此系统为二阶系统，其标准形式为,：,所以得到：,在控制工程中，除了那些不容许产生振荡响应的系统外,，通常都希望控制系统都具有适当的阻尼、较快的响应,速度和较短的调节时间。,频率特性分析系统性能,频率特性法主要是通过系统开环频率特性的图形来分析闭环系统性能的，因而可避免繁杂的求解运算，计算量较小。,奈奎斯特图,奈奎斯特图是对于一个连续时间的线性非时变系统，将其频率响应的增益及相位以极坐标的方式绘出，常在控制系统或信号处理中使用，可以用来判断一个有回授的系统是否稳定，奈奎斯特图的命名是来自贝尔实验室的电子工程师哈里奈奎斯特。,奈奎斯特图上每一点都是对应一特定频率下的频率响应，该点相对于原点的角度表示相位，而和原点之间的距离表示增益，因此奈奎斯特图将振幅及相位的波德图综合在一张图中。,一般的系统有低通滤波器的特性，高频时的频率响应会衰减，增益降低，因此在奈奎斯特图中会出现在较靠近原点的区域。,伯德图,对数频率特性曲线(英文名:Bode diagram)：又称为伯德图（曲线），其横坐标采用对数分度。,由两张图组成：一张是对数幅频特性，另一张是对数相频特性,。,校正与设计,此校正装置的设计在频域内进行，这是一种间接的设计方法，因为设计结果满足的是一些频域指标，而不是时域指标。,然而，在频域内进行设计又是一种简便的方法，在波特图上虽然不能严格定量地给出系统的动态性能，但却能方便地根据频域指标确定校正装置的参数，特别是对已校正系统的高频特性有要求时，采用频域法校正较其他方更为方便。,频域设计的这种简便性，是由于开环系统的频域特性与闭环系统的时间响应有关。一般地说，开环频域特性的低频段表征了闭环系统的稳态性能；开环频域的中频段表征了闭环系统的动态性,能；开环频域的高频段表征了闭环系统的复杂性和噪声抑制性能。因此，频域法设计控制系统的实质，就是在系统中加入频率特性形状合适的校正装置，使开环系统频率特性形状变成所期望的形状：低频段增益充分大，以保证稳态误差要求；中频段对数幅频特性斜率一般为-20dB/dec,并占据充分宽的频带，以保证具备适当的相角裕度；高频段增益尽快减小，以削弱噪声影响，若系统原有部分高频段已符合该种要求，则校正时可保证高频段形状不变，以简化校正装置的形式。,把时域指标转化为频域指标,根据稳态误差，确定开环增益,因此需要进行串联超前校正。设超前校正网络传递函数为,根据截止频率要求，计算超前网络参数a和T,仿真实验,校正前系统稳定性仿真,用Matlab绘制零极点分布图如下,：,用Matlab绘制根轨迹图如下,用Matlab绘制奈氏图如下,校正前系统性能仿真用Scicos连接系统框图如下,用Scicos仿真系统在时域中的响应如下,鲁棒控制,鲁棒控制（Robust Control）方面的研究始于20世纪50年代。在过去的20年中，鲁棒控制一直是国际自控界的研究热点。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。,由于工作状况变动、外部干扰以及建模误差的缘故，实际工业过程的精确模型很难得到，而系统的各种故障也将导致模型的不确定性，因此可以说模型的不确定性在控制系统中广泛存在。如何设计一个固定的控制器，使具有不确定性的对象满足控制品质，也就是鲁棒控制，成为国内外科研人员的研究课题。,主要的鲁棒控制理论有：（1）Kharitonov区间理论；（2）H控制理论；（3）结构奇异值理论（理论）等等。,自适应控制,自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。,任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时表现在系统的外部。从系统内部来讲，描述被控对象的数学模型的结构和参数，设计者事先并不一定能准确知道。作为外部环境对系统的影响，可以等效地用许多扰动来表示。这些扰动通常是不可预测的。此外，还有一些测量时产生的不确定因素进入系统。面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应控制所要研究解决的问题。,智能控制,智能控制的定义一：智能控制是由智能机器自主地实现其目标的过程。而智能机器则定义为，在结构化或非结构化的，熟悉的或陌生的环境中，自主地或与人交互地执行人类规定的任务的一种机器。,定义二：K.J.奥斯托罗姆则认为，把人类具有的直觉推理和试凑法等智能加以形式化或机器模拟，并用于控制系统的分析与设计中，使之在一定程度上实现控制系统的智能化，这就是智能控制。他还认为自调节控制，自适应控制就是智能控制的低级体现。,定义三：智能控制是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的自动控制，也是用计算机模拟人类智能的一个重要领域。,定义四：智能控制实际只是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有仿人智能的工程控制与信息处理系统的一个新兴分支学科。,自动控制学什么？,掌握控制系统的数学建模与传递函数的求取。,掌握线性控制系统的时域分析法，尤其是二阶系统的时域性能分析；,掌握线性系统的根轨迹分析法，学会运用开环传递函数求取闭环系统的根轨迹,掌握线性系统的频率域分析法，尤其是频率域稳定判据；,掌握实验、系统设计的基本方法。,自动控制系统导论；控制系统的数学模型的传递函数；线性系统的时域分析法；线性系统的根轨迹法；线性系统的频率域分析法；线性系统的校正。,对自动控制的认识。,在现代化的工业发展中,工业自动化控制技术发挥着非常重要的作用。自动化控制技术主要用于解决生产效率的问题,旨在提高产量、减少消耗和保证安全生产等。工业自动化控制技术运用了控制理论知识、计算机技术和仪器仪表等技术,对我国的企业生产起到了明显的提升作用,促进了我国工业的发展进步。,且在军事上也有突出的贡献。,本组PPT还有很多不足，对自动控制还没有完全掌握，还请老师同学予以辅导和指点。,在以后的学习中一定更加努力。,谢谢观赏,2013年11月24日,