共軸雙旋翼直升機(jī)懸停方向的控制

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1、自動控制原理實(shí)驗(yàn)研究報告（2010-2011學(xué)年第一學(xué)期）共軸雙旋翼直升機(jī)懸停方向的控制姓名：張鯤鵬班號：02020802學(xué)號：2008300596摘要本文主要目的是設(shè)計(jì)共軸雙旋翼直升機(jī)懸停方向的控制系統(tǒng)。文中主要介紹了此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在時域和頻域中詳細(xì)地分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。并且，為達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，對系統(tǒng)進(jìn)行了串聯(lián)校正，使系統(tǒng)能夠較好地達(dá)到了指標(biāo)要求。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，利用了Scilab和Matlab軟件進(jìn)行仿真分析，動態(tài)直觀地反映了系統(tǒng)的性能。關(guān)鍵字共軸雙旋翼直升機(jī)串聯(lián)校正穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)性能動態(tài)性能引言研究背景20世紀(jì)40年代初，

2、航空愛好者開始對共軸雙旋翼直升機(jī)產(chǎn)生濃厚的興趣。然而，由于當(dāng)時人們對共軸雙旋翼氣動特性認(rèn)識的缺乏以及在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面遇到的困難，許多設(shè)計(jì)者最終放棄了努力，而在很長一段時間對共軸式直升機(jī)的探討只停留在實(shí)驗(yàn)階段。1932年，單旋翼帶尾槳直升機(jī)研制成功，成為世界上第一架可實(shí)用的直升機(jī)。從此，單旋翼帶尾槳直升機(jī)以其簡單、實(shí)用的操縱系統(tǒng)和相對成熟的單旋翼空氣動力學(xué)理論成為半個多世紀(jì)來世界直升機(jī)發(fā)展的主流。然而，人們對共軸雙旋翼直升機(jī)的研究和研制一直沒有停止。俄羅斯1945年研制成功了卡-8共軸式直升機(jī)，至今發(fā)展了一系列共軸雙旋翼直升機(jī)，在型號研制、理論實(shí)驗(yàn)研究方面均走在

3、世界前列。美國也于50年代研制了QH-50共軸式遙控直升機(jī)作為軍用反潛的飛行平臺，并先后交付美國海軍700多架。從20世紀(jì)60年代開始，由于軍事上的需要，一些國家開始研制無人駕駛共軸雙旋翼形式直升機(jī)。在實(shí)驗(yàn)方面，從20世紀(jì)50年代起，美國、日本、俄羅斯等相繼對共軸雙旋翼的氣動特性、旋翼間的氣動干擾進(jìn)行了大量風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，共軸雙旋翼的旋翼理論得到不斷的發(fā)展和完善，這種構(gòu)形的直升機(jī)以它固有的優(yōu)勢越來越受到業(yè)內(nèi)人士的重視。研究對象特點(diǎn)分析共軸雙旋翼直升機(jī)有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

4、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變化來完成。共軸雙旋翼直升機(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)無尾槳，機(jī)身長度20自動控制原理實(shí)驗(yàn)研究報告（2010-2011學(xué)年第一學(xué)期）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)氣動力對稱，其懸停效率也比較高。根據(jù)直升機(jī)的飛行原理可知，直升機(jī)的飛行控制是通過周期變距改變旋翼的槳盤錐體從而改變旋翼的總升力矢

5、量來實(shí)現(xiàn)的，由于旋翼的氣動輸入（即周期變距）與旋翼的最大響應(yīng)（即揮舞），其方位角相差90°，當(dāng)旋翼在靜止氣流中旋轉(zhuǎn)時，以縱向周期變距為例，直升機(jī)有兩種典型的航向操縱結(jié)構(gòu)形式，即半差動和全差動形式。（1）半差動航向操縱系統(tǒng)。目前國內(nèi)研制的共軸式直升機(jī)采用的是半差動航向操縱形式，總距、航向舵機(jī)固聯(lián)在主減速器殼體上，縱橫向舵機(jī)固聯(lián)在總距套筒上，隨其上下運(yùn)動。（2）全差動航向操縱方案。共軸式直升機(jī)全差動航向操縱方案是指在航向操縱時大小相等方向相反地改變上下旋翼的總距從而使得直升機(jī)的合扭矩不平衡，機(jī)體產(chǎn)生航向操縱的力矩。由于在操縱時上下旋翼的總距總是一增一減，因此航向

6、操縱與總升力變化的耦合小，即用于由于差動操縱引起的升力變化所需的總距補(bǔ)償較小。工作過程（1）控制系統(tǒng)建模控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量（或變量）之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在分析和設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)時，使用了分析法建立數(shù)學(xué)模型。首先對研究的系統(tǒng)各部分運(yùn)動機(jī)理進(jìn)行分析，根據(jù)所依據(jù)的物理規(guī)律列寫相應(yīng)的運(yùn)動方程。在時域中建立了微分方程，復(fù)數(shù)域中建立了傳遞函數(shù)和結(jié)構(gòu)圖，在頻域中建立了頻率特性等。（2）控制系統(tǒng)時域分析在確定了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型后，對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的分析。首先在時域中對系統(tǒng)進(jìn)行分析，同時運(yùn)用Scilab軟件進(jìn)行仿真，直觀地反映了系統(tǒng)的性能。（3）控制

7、系統(tǒng)頻域分析控制系統(tǒng)中的信號可以表示為不同頻率的正弦信號的合成。控制系統(tǒng)的頻率特性反映正弦信號作用下系統(tǒng)響應(yīng)性能。由于頻率特性物理意義明確，并且頻域分析可以兼顧動態(tài)響應(yīng)和噪聲抑制兩方面的要求。因此，在進(jìn)行時域分析之后，又進(jìn)行了控制系統(tǒng)的頻域分析，同時運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真。（4）控制系統(tǒng)校正根據(jù)被控對象及給定的技術(shù)指標(biāo)要求設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，需要進(jìn)行大量的分析計(jì)算。設(shè)計(jì)中需要考慮的問題是多方面的。既要保證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有良好的性能，滿足技術(shù)指標(biāo)的要求；又要照顧到經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。因此，在控制系統(tǒng)雛形設(shè)計(jì)好后，還要進(jìn)20自動控制原理實(shí)驗(yàn)研究報告（2010-2011學(xué)年第

8、一學(xué)期）行系統(tǒng)的校正。針對前面設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)達(dá)不到動