平流層飛艇的升降控制與水平面軌跡優(yōu)化.pdf

1、廈門大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人呈交的學位論文是本人在導師指導下，獨立完成的研究成果。本人在論文寫作中參考其他個人或集體己經(jīng)發(fā)表的研究成果，均在文中以適當方式明確標明，并符合法律規(guī)范和《廈門大學研究生學術活動規(guī)范(試行)》。另外，該學位論文為(的研究成果，獲得()課題(組))課題(組)經(jīng)費或?qū)嶒炇业馁Y助，在()實驗室完成。(請在以上括號內(nèi)填寫課題或課題組負責人或?qū)嶒炇颐Q，未有此項聲明內(nèi)容的，可以不作特別聲明。)聲明人c掣：談飭參沙甚年7

2、月“，7工1日u。摘要平流層飛艇是一種輕于空氣的臨近空間低速飛行器，因為它具備全天候工作、高安全性、超長續(xù)航時間等特點，在通訊、監(jiān)測、勘探和運輸?shù)确矫鎿碛衅渌w行器無可比擬的功能優(yōu)勢。平流層飛艇廣泛的應用前景越來越受到世界各國的關注，飛艇技術己成為飛行器研究領域中一個前沿和熱門的研究方向。本文在對平流層飛艇的熱力耦合模型進行了深入的研究和建立高保真模型的基礎上，結合當前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出兩種具有獨特性的控制方案。兩種方案均統(tǒng)一設計了控

3、制壓差的環(huán)控系統(tǒng)和控制速度的飛控系統(tǒng)，實現(xiàn)了平流層飛艇升降過程中壓差和速度的協(xié)調(diào)控制，確保飛艇安全、平穩(wěn)和快速地升降。第一種控制方案基于矢推和吸排氣協(xié)調(diào)控制壓差和速度。此方案優(yōu)先考慮壓差控制，根據(jù)當前內(nèi)外壓差，通過不完全微分控制算法設計壓差控制器控制當前吸排氣量，保證飛艇內(nèi)外壓差始終處于安全范圍內(nèi)；再根據(jù)飛艇當前吸排氣量、高度和速度等信息量，通過極點配置法設計速度控制器控制矢推裝置產(chǎn)生相應的推力，輔助控制升降速度，使升降速度按照預先設計

4、的參考軌跡變化，實現(xiàn)飛艇升降過程的壓差和速度相互協(xié)調(diào)控制。第二種控制方案則基于拋物和吸排氣協(xié)調(diào)控制壓差和速度，升降過程完全依靠靜浮力，不需要垂直方向的推力執(zhí)行機構。該方案同樣優(yōu)先考慮壓差控制，通過吸排氣維持飛艇內(nèi)外壓差，保證壓差始終維持在期望范圍內(nèi)；通過拋灑壓艙物來配合控制飛艇速度，使飛艇在升降過程按照理想的參考軌跡安全、平穩(wěn)和快速地升降。為了檢驗兩種控制方案的魯棒性和有效性，本文利用可以模擬太陽照射等因素引起的熱效應影響的飛艇熱力學模

5、型，進行了數(shù)值仿真，仿真結果表明本文所提出的兩種控制方案均是有效的，并對各種熱效應影響具有魯棒性。本文的另一部分工作關注的是平流層飛艇的水平面軌跡優(yōu)化問題。飛艇到達平流層并駐留工作之后，將不可避免地受到高空風場中存在的隨機分量的干擾，而飛艇作為一種低速飛行器對風場干擾具有很強的敏感性，當它長距離逆風巡航時往往需要消耗較多的能量。在高空飛艇能源供應有限的情況下，研究飛艇在風場干擾下的最優(yōu)巡航軌跡是非常必要和有意義的。針對此問題，本文分別研