第二章被控制对象基本特征ppt课件.ppt

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1、第二章直升机基本特征分析第二章直升机基本特征分析一、坐标系地面坐标系（地轴系）－OX0Y0Z0(北-东-地)注：该图为国内老坐标体系图第一节坐标系与运动参数地面坐标系第一节坐标系与运动参数一、坐标系地面坐标系（地轴系）－OX0Y0Z0(北-东-地)注：该图为国内老坐标体系图习惯符号速度坐标系（风轴系）-OXaYaZa机体坐标系（体轴系）－OXYZ左旋翼：左手定则右旋翼：右手定则其它坐标系旋翼坐标系、尾桨坐标系等建立作用在旋翼、尾桨等上的气动力与操纵角的关系。以此坐标计算旋翼上气动力与力矩，然后转换到机体坐标系下。（空

2、气动力分析计算用）二、运动参数运动参数反应各坐标系之间的关系1.体轴系与地轴系之间的关系偏航角（右偏航为正，右手）俯仰角（抬头为正，右手）滚转角(右滚为正，右手)、、统称为姿态角2.速度坐标系与体轴系之间的关系迎角（机身迎角），侧滑角规定：在对称面右边为正（右手判断）3.速度轴系与地轴系之间的关系航迹倾斜角（爬升角），Vk在X0上为正，下为负航迹偏转角，Vk在X0左边为正，右边为负地轴系到体轴系转换三、坐标系间相互关系（方向余弦）适用范围：线位移，线速度转换适用范围：角速度转换坐标系转换平面解释纯偏

3、航纯俯仰第二节运动自由度与操纵控制机构一、运动自由度线运动：反映直升机重心的轨迹运动控制前后运动（沿X轴向）升降运动（沿Z轴向）左右侧向运动（沿Y轴向）角运动：反映直升机机体绕重心转动的姿态运动控制俯仰运动（绕Y轴向）滚转运动（绕X轴向）偏航运动（绕Z轴向）第二节运动自由度与操纵控制机构二、操纵控制机构只有操纵控制机构正确动作，才能实现预定飞行任务所必须的运动控制。以单旋翼直升机的操纵控制机构为例：旋翼纵向周期变距操纵e（纵向驾驶杆位移de）旋翼横向周期变距操纵a（横向驾驶杆位移da）旋翼总距操纵c（总距杆位移d

4、c）尾桨桨距操纵r（脚蹬位移dr）四个控制输入量控制直升机六自由度运动第三节作用在直升机上的力和力矩要使直升机能实现运动控制，须有力和力矩作用于直升机。作用在直升机上的力和力矩通过油门变距杆、驾驶操纵杆（纵、横向周期变距）和尾桨脚蹬操纵来改变旋翼总空气动力的大小和方向，尾桨拉力的大小。若未考虑旋翼下洗引起的附加力矩，作用在直升机上的力和力矩有：旋翼力和力矩：尾桨力和力矩：平尾力和力矩：机身力和力矩：重力在体轴上分量：纵向侧向第四节直升机运动方程描述一、运动基本假设：1.直升机不仅是刚体，而且质量一定2.地球为惯性坐标

5、系3.忽略地平面曲率，即视平面4.重力加速度不随飞行高度变化5.机体坐标系XOZ平面为对称平面，且不仅外形对称，内部质量分布也对称。即惯性积:二、运动方程组：动力学方程：线运动方程组：角运动方程组：运动学方程：角运动方程：线运动方程：六自由度运动方程三个线运动动力学方程组三个角运动动力学方程组三个线运动运动学方程组三个角运动运动学方程组高度非线性，难于用于飞行控制系统分析设计。解决办法是采用小扰动线性化处理。三、线性化运动方程组小扰动线化泰勒级数展开，忽略二阶及二阶以上导数与基准运动相减得小扰动运动方程为已知量。来自对

6、作用在直升机上的力和力矩的处理。状态空间描述A为状态矩阵--稳定导数，B为控制矩阵--操纵导数偏航角通过控制偏航速率实现，可省去，也可增设其他变量状态方程分解为纵向和侧向两个方程。即对应于直升机纵向运动和侧向运动。定常直线飞行条件下的小扰动线化无侧滑无转动传递函数形式小扰动线化方程纵向力线性化方程式法向力线性化方程式俯仰力矩线性化方程式纵向运动方程进一步简化无滚转、无偏航、无侧向运动对应操纵控制量暂不考虑控制器纵向力方程法向力方程俯仰力矩方程简化传递函数纵向特征方程横侧向运动侧向力线性化方程式滚转力矩线性化方程式偏航力

7、矩线性化方程式横侧向运动方程进一步简化无纵向运动影响暂不考虑控制器侧向力方程滚转力矩方程偏航力矩方程特征行列式特征方程四、基本运动模态小扰动线性方程为线性常系数微分方程组。纵向运动和侧向运动的特征根典型分布图纵向运动侧向运动运动模态纵向运动典型模态为短周期和长周期模态。短周期模态--大复根所代表的模态主要特征：迎角和俯仰角均呈周期短（0.5～3s），衰减快的振荡，速度变化甚小。长周期模态--小复根（或小实根）所代表的模态主要特征：飞行速度和俯仰角均呈缓慢的周期（或非周期）变化（10～30s），迎角近似不变。侧向运动典型

8、模态为滚转收敛，荷兰滚，螺旋模态。滚转收敛模态--大实根所代表的运动模态主要特征：滚转角和滚转角速度呈现衰减快的非周期运动。荷兰滚模态--复根所代表的运动模态主要特征：滚转角、侧滑角、偏航角呈频率高的周期性振荡。螺旋模态--小实根所代表的运动模态主要特征：非周期的缓慢滚转和偏航运动。五、稳定性分析直升机的稳定性与飞行状态有关，取决