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时间:2020-03-22
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1、航空学报ActaAeronautfcaetAstronauticaSinicaMay252017V01.38No.5SSN1000—6893CN11—1929/Vhttp://hkxb.buaa.edu.crlhkxb@buaa.educn用于直升机在大气紊流中的旋翼状态反馈控制吉洪蕾,陈仁良*,李攀南京航空航天大学航空宇航学院直升机旋翼动力学国家级重点实验室,南京210016摘要:发展了一种集成旋翼状态反馈(Rotor-StateFeedback,RSF)控制的飞行控制系统,以提升直升机在大气紊流环
2、境中低速飞行时的飞行品质。基于经典显模型跟踪控制系统,对机体和旋翼状态反馈增益进行协同设计,以综合优化旋翼/机体耦合动稳定性和直升机在飞行品质相关频率范围(1~12rad/s)内的紊流缓和能力。同时,设计了一个旋翼前馈控制以增强直升机的操纵响应特性。对直升机飞行品质的线性分析表明:RSF控制的引入能够在实现旋翼/机体耦合动稳定性控制的同时使滚转和俯仰通道的指令跟踪延迟时间分别降低21.87%和25.82%,扰动抑制带宽分别提升243.22%和72.56%。最后以飞行试验验证的高阶非线性飞行动力学模型进
3、行数值模拟验证控制系统。结果表明:RSF控制的引入使直升机滚转、俯仰角速率对紊流响应的标准差分别降低55.68%和26.81%。集成RSF的控制系统能够提升直升机在紊流中的飞行品质。关键词:直升机;大气紊流;飞行品质;旋翼状态反馈;模型跟踪控制;飞行动力学中图分类号:V212.4文献标识码:A文章编号:1000—6893(2017)05—120541一10直升机低空、低速的飞行特点使其经常工作在具有强紊流的环境中。大气紊流会严重恶化直升机的飞行品质、导致操纵困难甚至驾驶员诱发振荡,威胁飞行安全。因此必
4、须采取措施提升直升机在大气紊流中的飞行品质。传统的基于机体状态反馈的飞行控制系统通过增大反馈增益能够提升直升机的紊流缓和能力并改善操纵特性,但过大的反馈增益会导致旋翼/机体耦合振荡、乃至不稳定[1。2]。因此,许多研究人员[3-5]提出采用旋翼状态反馈(Rotor—StateFeedback,RSF)增加旋翼模态的稳定性并增大机体状态反馈增益以提升飞行品质。Chen等[6-7]结合理论分析与飞行试验结果研究了旋翼等高阶动力学系统对高带宽飞行控制设计的影响,并采用一个高阶线性直升机飞行动力学模型分析RS
5、F对直升机飞行动力学特性的提升能力。研究表明旋翼等高阶系统是限制直升机反馈增益的主要因素,采用RSF控制可以辅助控制系统实现更高的带宽,且能够提升直升机阵风扰动抑制能力。同一时期,TakahashiL8。1采用黑鹰直升机悬停状态的一个高阶线性模型分析了机体/旋翼状态反馈在实现高带宽飞行控制系统中的作用。结果表明,在控制系统中引入RSF能够有效提升旋翼模态的稳定性从而获得更高的机体状态反馈增益,提升直升机的操纵品质、降低控制系统对传感器噪声的灵敏度。除了上述理论分析,Howitt等口”¨1采用试验方法评
6、估了RSF在控制系统中的作用。试验基于一个缩比旋翼模型,不同形式的RSF被引入到控制系统中进行评估。试验结果表明,RSF能够保证后退型挥舞模收稿日期:2016.06.17;退修日期:2016-07—28;录用El期:2016—08-24;网络出版时间:2016-09-1308:38网络出版地址:WWW.cnki,net/kcms/detail/11.1929V.201609130838、002.htmI基金项目:国家自然科学基金(51405227,11672128)*通讯作者.E—mail:cdae@
7、nuaa.educn载用格武;吉洪蕾,陈仁良.李攀甩f直升机在大气紊漉中的旋翼状态反馈控钢【Jj航空学报,2017,38(5):120541.JIHL,CHENRL.LIPjRotor-statefeedbackcontrolforhelicopterinatmosphericturbulence!Jj.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017.38(5):120541.120541.1航空学报态的稳定性,从而可以采用更大的机体状态反馈增益实现高带宽控制系统设计
8、。最近,Horn等‘他3设计了一个可以无缝整合到既有控制系统中并且可随时断开的RSF控制器,以消除在之前研究中发现的旋翼转速变化所导致的旋翼/机体耦合振荡现象[1⋯,确保在旋翼转速变化时仍然能够保持较高的操纵带宽和稳定性。上文所述研究的焦点在于获得更大的机体状态反馈增益以提升直升机操纵带宽及扰动抑制能力,RSF主要用来稳定由于高机体状态反馈增益导致的旋翼/机体耦合不稳定模态。对在强紊流环境中飞行的直升机,在控制系统中引入RSF的另外一个好处却鲜有考虑:旋
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