扇翼飞行器纵向运动建模与控制方法

第３８卷第１１期 ２０１１年１１月 应用科技Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＶｏＬ３８．Ｎｏ．１１ ＮＯＶ．２０１ １ｄｏｉ：１０．３９６９６．ｉｓｓｎ．１００９－６７１Ｘ．２０１１．１１．００２ 扇翼飞行器纵向运动建模与控制方法 黄同高，杨忠，王仁华，杨成顺，杨轻 （南京航空航天大学自动化学院，江苏南京２１００１６） 摘要：扇翼飞行器是近年来发展起来的一种新型大载荷低速飞行器，在机翼上安装风扇吹气装置，将升力和推力结合起 来，大大提高了飞行器的飞行效率，在民用和军事上都具有很高的应用价值．以某型扇翼飞行器为研究对象，在分析其结构 特点和飞行原理的基础上，建立扇翼飞行器的纵向数学模型；并采用计算流体力学工具ＦＬＵＥＮＴ模拟风洞试验确定数学模 型中的各个参数，分析了自然飞机的系统性能；建立起的纵向模型为控制对象，采用易于工程实现的ＰＩＤ算法，并在 Ｍａｆｌａｂ下对控制律进行仿真实验，仿真结果表明了该控制律的有效性． 关键词：扇翼飞行器；纵向数学模型；飞行控制；ＰＩＤ控制；Ｍａｔｌａｂ 中图分类号：ＴＰ７５５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９．６７１ｘ（２０１１）１１．０００５．０５ Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｎｗｉｎｇ ａｉｒｃｒａｆｔ ＨＵＡＮＧ Ｔｏｎｇｇａｏ，ＹＡＮＧ Ｚｈｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｒｅｎｈｕａ，ＹＡＮＧ Ｃｈｅｎｇｓｈｕｎ，ＹＡＮＧ Ｑｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎ衄ｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｔｈｅ ｆａｎｗｉｎｇ ａｉｒｃｒａｆｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｓ ａｎｅｗ ｌａｒｇｅ－ｌｏａｄ ａｎｄ ｌｏｗ－ｓｐｅｅｄ ａｉｒｃｒａｆＬ Ａｆａｎ ｂｌｏｗｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｆｉｘｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｆｉｘｅｄ－ｗｉｎｇ ｔｏ ｃｏｍｂｉｎｅ ｌｉｆｔ ａｎｄ ｔｈｒｕｓｔ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｍｏｒｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ａｓ ａｎｅｗ ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｉｒｃｒａｆｔ ｔｏ ｓｅｒｖｅ ｍｉｌｉｔａｒｙ ａｎｄ ｃｉｖｉｌｉａｎ ｍａｒｋｅｔｓ，ｔｈｅ ｆａｗｎｉｎｇ ａｉｒｃｒａｆｔ ｈａｓ ａｂｒｏａｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔ．Ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｔｙｐｅ ｏｆ ｆａｎｗｉｎｇ ａｉｒｃｒａｆｔ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｔｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ａ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｂｕｉｌＬ Ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＣＦＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＦＬＵＥＮＴ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｎａｔｕｒａｌ ａｉｒｃｒａｆＬ Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｎ ｅａｓｉｌｙ ｒｅａｌｉｚｅｄ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｗ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅＬ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｗ ｗａｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｖｉａ ａＭａｔｌａｂ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｐｒｏｇｒａｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆａｎｗｉｎｇ ａｉｒｃｒａｆｔ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ；ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＩＤ；Ｍａｔｌａｂ 随着航空技术的发展，各种性能优异、构思巧 妙的新概念飞行器应运而生，对比传统的飞行器， 其设计思路、飞行原理和气动布局有着显著的不 同，表现出鲜明的创新性、高效性、探索性和时代性【１１． １９６２年Ｐ．Ｄｏｒｎｉｅｒ在其专利ＵＳ３０６５９２８ｔ习中首 次提出了一种完全由风扇产生升力和推力的飞行 器结构，开辟了飞行器研究领域的—个新的方向．２００３ 年，Ｐｅｅｂｌｅｓ在其专利ＵＳ６５２７２２９８１ｐ］中提出了一种 新型的横流式风扇与传统飞行器布局相结合的结 构，在这种结构中，将横流式风扇嵌入大厚度翼型 的前缘，通过风扇的旋转获得较高的动压，将其称 为“扇翼”飞行器．Ｐｅｅｂｌｅｓ对扇翼飞行器进行了相关 的研究并试飞成功． 新概念飞行器的出现、发展和成熟必将经历一 个 漫长而曲折的过程扇翼飞行器也是如此，为了验 证其可行性，力学分析与建模是必不可少的，建立 一个高质量的模型，可以大大提高飞行器的性能，改 善飞行器的操纵性． 以某型扇翼飞行器为研究对象，参考固定翼飞 行器的建模过程，得出扇翼飞行器的纵向数学模型， 通过ＦＬＵＥＮＴ软件确定参数；设计ＰＩＤ控制律，在 Ｍａｔｌａｂ下验证了控制律的有效性【４】． 收稿日期：２０１１－０９－０８． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０６７４１００）． 作者简介：黄同高（１９８６－），男，硕士研究生，主要研究方向：控制理论与控制工程，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｔｏｎｇｇａｏ＠１２６．ｃｏｒｎ．
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