雙旋翼直升飛機(jī)原理

1、2013年11月23日目錄建模單擊此處添加文字內(nèi)容單擊此處添加文字內(nèi)容 單擊此處添加文字內(nèi)容單擊此處添加文字內(nèi)容 單擊此處添加文字內(nèi)容單擊此處添加文字內(nèi)容分析性能單擊此處添加文字內(nèi)容單擊此處添加文字內(nèi)容 單擊此處添加文字內(nèi)容單擊此處添加文字內(nèi)容 單擊此處添加文字內(nèi)容單擊此處添加文字內(nèi)容校正與設(shè)計(jì)單擊此處添加文字內(nèi)容單擊此處添加文字內(nèi)容 單擊此處添加文字內(nèi)容單擊此處添加文字內(nèi)容 單擊此處添加文字內(nèi)容單擊此處添加文字內(nèi)容驗(yàn)證與仿真單擊此處添加文字內(nèi)容單擊此處添加文字內(nèi)容 單擊此處添加文字內(nèi)容單擊此處添加文字內(nèi)容 單擊此處添加文字內(nèi)容單擊此處添加文字內(nèi)容：懸停直升機(jī)共軸雙旋翼直升機(jī)的基本概念雙雄翼共

2、軸式直升機(jī)藥基本特征是：兩副完全相同的旋翼，一上一下安裝在同一根旋翼軸上，兩旋翼間有一定間距。兩副旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，它們的反扭矩可以互相抵消。這樣，就用不著再裝尾槳了。直升機(jī)的航向操縱靠上下兩旋翼總距的差動(dòng)變化來(lái)完成。雙旋翼共軸式直升機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小。這種直升機(jī)因無(wú)尾槳，所以也就不露要裝長(zhǎng)長(zhǎng)的尾梁，機(jī)身長(zhǎng)度也可以大大縮短。有兩副旋翼產(chǎn)生升力，每副旋翼的直徑也可以縮短。機(jī)體部件可以緊湊地安排在直升機(jī)重心處，所以飛行穩(wěn)定性好，也便于操縱。與單旋翼帶尾槳直升機(jī)相比，其操縱效率明顯有所提高。此外。共軸式直升機(jī)氣動(dòng)力對(duì)稱，其懸停效率也比較高。研制共軸式直升機(jī)取得最大成功的是俄羅斯的卡莫

3、夫設(shè)計(jì)局，該設(shè)計(jì)局研制出了龐大的“卡”系列直升機(jī)，它們基本上都是雙旋翼共軸式布局。除大量民用直升機(jī)外，如卡-26、卡-226等，軍用直升機(jī)也有不凡表現(xiàn)，卡-25曾是前蘇聯(lián)艦載反潛直升機(jī)食主力，新研制的戰(zhàn)斗直升機(jī)卡-50、卡-52則更令人矚目。北京航空航天大學(xué)飛行器設(shè)計(jì)與應(yīng)用力學(xué)系的輕型飛機(jī)室研制的“蜜蜂16”輕型單座直升機(jī)也采用了共軸雙旋翼形式。雙旋翼共軸式直升機(jī)的主要缺點(diǎn)是操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜。建模 建模（Modeling）的目的就是要建立概念關(guān)系、數(shù)學(xué)和/或計(jì)算機(jī)模型的過(guò)程；建模是研究系統(tǒng)的重要手段和前提，凡是用模型描述系統(tǒng)的因果關(guān)系或相互關(guān)系的過(guò)程都屬于建模，因此建立系統(tǒng)模型的過(guò)程、又稱模型化。

4、從系統(tǒng)工程學(xué)角度來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)模型的好壞，要把握三條原則：（1）分析與設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)；（2）預(yù)測(cè)或預(yù)報(bào)實(shí)際系統(tǒng)的某些狀態(tài)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)；（3）對(duì)系統(tǒng)實(shí)行最優(yōu)控制。因此，要求在建模過(guò)程中，要對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化、并要在簡(jiǎn)化和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性之間適當(dāng)?shù)恼壑?，以滿足前述三條基本原則。此折衷之意，就在于要保證模型的穩(wěn)定性、均衡性和完整性的前提下，去除非規(guī)劃階段的影響因素。1.直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型 電樞控制直流電動(dòng)機(jī)的工作實(shí)質(zhì)是將輸入的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，也就是由輸入的電樞電壓 在電樞回路中產(chǎn)生電樞電流 再由電流 與激磁磁通相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 從而拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。因此，直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程有以下三部分組成 再進(jìn)

5、過(guò)一系列的計(jì)算后得出直流發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)建模的公式： 被控對(duì)象的分析： 共軸雙旋翼直升機(jī)懸停方向的控制是角動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用。直升機(jī)在發(fā)動(dòng)前，系統(tǒng)的總角動(dòng)量為零。在發(fā)動(dòng)后，旋翼在水平面內(nèi)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)豎直向上的角動(dòng)量。由旋翼產(chǎn)生的升力豎直向上，方向通過(guò)大致與機(jī)身垂直的直立軸，飛機(jī)受重力也通過(guò)該軸，升力和重力對(duì)該軸均不產(chǎn)生力矩，故系統(tǒng)的角動(dòng)量守恒。雙旋翼直升機(jī)在直立軸上安裝了一對(duì)向相反方向旋轉(zhuǎn)的旋翼，通過(guò)對(duì)兩旋翼旋轉(zhuǎn)角速度的控制，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)懸停方向的改變。 共軸雙旋翼直升機(jī)通過(guò)兩個(gè)旋翼的差動(dòng)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將直升機(jī)懸停在預(yù)定位置，因此需要精確控制的變量是直升機(jī)的懸停方向?？刂葡到y(tǒng)的輸入量是預(yù)期的直

6、升機(jī)的懸停方向，輸出量即為實(shí)際的懸停方向。 假設(shè)（1）上下旋翼均為三葉槳，且尺寸，重量等各種物理參數(shù)均相同； （2）上下旋翼旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)機(jī)身質(zhì)心； （3）機(jī)身外形簡(jiǎn)化成體積相同的長(zhǎng)方體，質(zhì)心位于其幾何中心上下旋翼的每葉槳的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為（1代表上旋翼，2代表下旋翼 根據(jù)角動(dòng)量守恒得到方程 被控對(duì)象特性分析：本控制系統(tǒng)的被控對(duì)象是共軸的兩個(gè)旋翼，控制量是兩旋翼的旋轉(zhuǎn)角速度。根據(jù)數(shù)學(xué)建模的分析，得到傳遞函數(shù)： 經(jīng)過(guò)一系列的推算得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下： 經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)后得到：分析性能1穩(wěn)定性分析：2.根據(jù)勞斯判據(jù)得到：根據(jù)勞斯判據(jù)得到： 穩(wěn)態(tài)性能分析： 所以擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差為： 因此只要滿足在滿足穩(wěn)態(tài)誤差很小的前

7、提下，擾動(dòng)誤差就可以削弱到很小分析擾動(dòng)誤差時(shí)的結(jié)構(gòu)圖如下： 動(dòng)態(tài)性能分析：此系統(tǒng)為二階系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)形式為此系統(tǒng)為二階系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)形式為： 所以得到：在控制工程中，除了那些不容許產(chǎn)生振蕩響應(yīng)的系統(tǒng)外在控制工程中，除了那些不容許產(chǎn)生振蕩響應(yīng)的系統(tǒng)外，通常都希望控制系統(tǒng)都具有適當(dāng)?shù)淖枘?、較快的響應(yīng)，通常都希望控制系統(tǒng)都具有適當(dāng)?shù)淖枘?、較快的響應(yīng)速度和較短的調(diào)節(jié)時(shí)間。速度和較短的調(diào)節(jié)時(shí)間。頻率特性分析系統(tǒng)性能頻率特性法主要是通過(guò)系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的圖形來(lái)分析閉環(huán)系統(tǒng)性能的，因而可避免繁雜的求解運(yùn)算，計(jì)算量較小。奈奎斯特圖 奈奎斯特圖是對(duì)于一個(gè)連續(xù)時(shí)間的線性非時(shí)變系統(tǒng)，將其頻率響應(yīng)的增益及相位以極坐標(biāo)的方

8、式繪出，常在控制系統(tǒng)或信號(hào)處理中使用，可以用來(lái)判斷一個(gè)有回授的系統(tǒng)是否穩(wěn)定，奈奎斯特圖的命名是來(lái)自貝爾實(shí)驗(yàn)室的電子工程師哈里奈奎斯特。 奈奎斯特圖上每一點(diǎn)都是對(duì)應(yīng)一特定頻率下的頻率響應(yīng)，該點(diǎn)相對(duì)于原點(diǎn)的角度表示相位，而和原點(diǎn)之間的距離表示增益，因此奈奎斯特圖將振幅及相位的波德圖綜合在一張圖中。 一般的系統(tǒng)有低通濾波器的特性，高頻時(shí)的頻率響應(yīng)會(huì)衰減，增益降低，因此在奈奎斯特圖中會(huì)出現(xiàn)在較靠近原點(diǎn)的區(qū)域。伯德圖 對(duì)數(shù)頻率特性曲線(英文名:Bodediagram)：又稱為伯德圖（曲線），其橫坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)分度。 由兩張圖組成：一張是對(duì)數(shù)幅頻特性，另一張是對(duì)數(shù)相頻特性。校正與設(shè)計(jì) 此校正裝置的設(shè)計(jì)在頻域

9、內(nèi)進(jìn)行，這是一種間接的設(shè)計(jì)方法，因?yàn)樵O(shè)計(jì)結(jié)果滿足的是一些頻域指標(biāo)，而不是時(shí)域指標(biāo)。 然而，在頻域內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)又是一種簡(jiǎn)便的方法，在波特圖上雖然不能嚴(yán)格定量地給出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，但卻能方便地根據(jù)頻域指標(biāo)確定校正裝置的參數(shù)，特別是對(duì)已校正系統(tǒng)的高頻特性有要求時(shí)，采用頻域法校正較其他方更為方便。頻域設(shè)計(jì)的這種簡(jiǎn)便性，是由于開環(huán)系統(tǒng)的頻域特性與閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)有關(guān)。一般地說(shuō)，開環(huán)頻域特性的低頻段表征了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；開環(huán)頻域的中頻段表征了閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性 能；開環(huán)頻域的高頻段表征了閉環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性和噪聲抑制性能。因此，頻域法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)，就是在系統(tǒng)中加入頻率特性形狀合適的校正裝置，使開環(huán)系統(tǒng)

10、頻率特性形狀變成所期望的形狀：低頻段增益充分大，以保證穩(wěn)態(tài)誤差要求；中頻段對(duì)數(shù)幅頻特性斜率一般為-20dB/dec,并占據(jù)充分寬的頻帶，以保證具備適當(dāng)?shù)南嘟窃６龋桓哳l段增益盡快減小，以削弱噪聲影響，若系統(tǒng)原有部分高頻段已符合該種要求，則校正時(shí)可保證高頻段形狀不變，以簡(jiǎn)化校正裝置的形式。把時(shí)域指標(biāo)轉(zhuǎn)化為頻域指標(biāo)根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差，確定開環(huán)增益因此需要進(jìn)行串聯(lián)超前校正。設(shè)超前校正因此需要進(jìn)行串聯(lián)超前校正。設(shè)超前校正網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為 根據(jù)截止頻率要求，計(jì)算超前網(wǎng)絡(luò)參數(shù)a和T仿真實(shí)驗(yàn)校正前系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真用Matlab繪制零極點(diǎn)分布圖如下：用Matlab繪制根軌跡圖如下用Matlab繪制奈氏圖如下

11、校正前系統(tǒng)性能仿真用Scicos連接系統(tǒng)框圖如下用Scicos仿真系統(tǒng)在時(shí)域中的響應(yīng)如下魯棒控制 魯棒控制（RobustControl）方面的研究始于20世紀(jì)50年代。在過(guò)去的20年中，魯棒控制一直是國(guó)際自控界的研究熱點(diǎn)。所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大?。┑膮?shù)攝動(dòng)下，維持某些性能的特性。根據(jù)對(duì)性能的不同定義，可分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標(biāo)設(shè)計(jì)得到的固定控制器稱為魯棒控制器。 由于工作狀況變動(dòng)、外部干擾以及建模誤差的緣故，實(shí)際工業(yè)過(guò)程的精確模型很難得到，而系統(tǒng)的各種故障也將導(dǎo)致模型的不確定性，因此可以說(shuō)模型的不確定性在控制系統(tǒng)中廣泛存在。如何設(shè)計(jì)一個(gè)固定

12、的控制器，使具有不確定性的對(duì)象滿足控制品質(zhì)，也就是魯棒控制，成為國(guó)內(nèi)外科研人員的研究課題。 主要的魯棒控制理論有：（1）Kharitonov區(qū)間理論；（2）H控制理論；（3）結(jié)構(gòu)奇異值理論（理論）等等。自適應(yīng)控制 自適應(yīng)控制的研究對(duì)象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對(duì)象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。 任何一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部，有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)的外部。從系統(tǒng)內(nèi)部來(lái)講，描述被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計(jì)者事先并不一定能準(zhǔn)確知道。作為外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，可以等效地用許多擾動(dòng)來(lái)表示

13、。這些擾動(dòng)通常是不可預(yù)測(cè)的。此外，還有一些測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的不確定因素進(jìn)入系統(tǒng)。面對(duì)這些客觀存在的各式各樣的不確定性，如何設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂谱饔?，使得某一指定的性能指?biāo)達(dá)到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應(yīng)控制所要研究解決的問(wèn)題。智能控制 智能控制的定義一：智能控制是由智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過(guò)程。而智能機(jī)器則定義為，在結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的，熟悉的或陌生的環(huán)境中，自主地或與人交互地執(zhí)行人類規(guī)定的任務(wù)的一種機(jī)器。 定義二：K.J.奧斯托羅姆則認(rèn)為，把人類具有的直覺推理和試湊法等智能加以形式化或機(jī)器模擬，并用于控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)中，使之在一定程度上實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化，這就是智能控制。他還認(rèn)為自調(diào)節(jié)控制

14、，自適應(yīng)控制就是智能控制的低級(jí)體現(xiàn)。 定義三：智能控制是一類無(wú)需人的干預(yù)就能夠自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制，也是用計(jì)算機(jī)模擬人類智能的一個(gè)重要領(lǐng)域。 定義四：智能控制實(shí)際只是研究與模擬人類智能活動(dòng)及其控制與信息傳遞過(guò)程的規(guī)律，研制具有仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)的一個(gè)新興分支學(xué)科。自動(dòng)控制學(xué)什么？掌握控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模與傳遞函數(shù)的求取。掌握線性控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法，尤其是二階系統(tǒng)的時(shí)域性能分析；掌握線性系統(tǒng)的根軌跡分析法，學(xué)會(huì)運(yùn)用開環(huán)傳遞函數(shù)求取閉環(huán)系統(tǒng)的根軌跡掌握線性系統(tǒng)的頻率域分析法，尤其是頻率域穩(wěn)定判據(jù)；掌握實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法。自動(dòng)控制系統(tǒng)導(dǎo)論；控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的傳遞函數(shù)；線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法；線性系統(tǒng)的根軌跡法；線性系統(tǒng)的頻率域分析法；線性系統(tǒng)的校正。對(duì)自動(dòng)控