自控飞艇俯仰/偏航姿态控制系统设计与实现

摘要

自控飞艇是一种自带动力推进、可自主航迹飞行的飞行器。它工作在对流层，飞行高度大约在海拔6000米以下，它依靠艇体气囊内充载的氦气产生的静升力，通过控制飞艇动力系统以及飞艇尾翼，以低耗能实现空中飞行控制。自控飞艇俯仰/偏航姿态控制系统的主要执行机构是自控飞艇的尾翼舵机，飞艇通过调整舵机输出控制尾翼舵面实时偏摆来保证飞艇飞行俯仰/偏航姿态的正确与稳定，最终保证飞艇依照规定航迹飞行。大型化和高空化是自控飞艇的未来发展趋势，同时因需要搭载雷达等载荷升空，对飞行控制系统的安全性与可靠性要求也越来越高，对于在不同气象环境下飞艇姿态控制系统的控制性能要求也越来越高。
　　本文以某对流层自控飞艇项目的俯仰/偏航姿态控制系统为研究目标，研究内容包括姿态控制系统执行机构的选型、模糊自适应PID控制算法研究与仿真、系统硬件设计、系统软件设计，最后对姿态控制系统进行了调试仿真与试验测试。
　　论文主要内容如下:
　　首先，提出了飞艇俯仰/偏航姿态控制系统的总体方案，介绍了系统的组成与工作原理，给出了系统执行机构的元器件选型方案，并提出了模糊自适应PID控制策略设计思路。
　　其次，根据飞艇对俯仰/偏航姿态控制系统的指标要求，对姿态控制系统控制器以及执行机构的速度环、位置环调节器进行了设计，并给出了俯仰/偏航姿态控制回路的控制算法及原理，并通过仿真分析对算法进行了验证。
　　然后，介绍了飞艇姿态控制系统的硬件设计，完成了基于TMS320LF2812数字信号处理器(DSP)为核心的尾翼控制板和部分接口电路等硬件的设计，完成了飞艇姿态控制系统的软件设计与实现。
　　最后，对飞艇姿态控制系统进行了仿真测试及遥控、自控飞行试验，试验结果证明系统具有良好的静态和动态性能，能够稳定、有效的完成自控飞艇的俯仰/偏航姿态控制。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2飞行器姿态控制系统研究现状

1．2．1飞行器姿态控制系统执行机构的研究现状

1．2．2飞行器姿态控制系统的研究现状

1．2．3控制算法的研究现状

1．3研究的主要内容

第2章自控飞艇俯仰／偏航姿态控制系统总体方案设计

2．1飞艇姿态控制系统的组成与工作原理

2．2飞艇姿态控制系统执行机构的选型方案

2．3控制器控制算法的选择

2．3．1 经典PID控制

2．3．2智能模糊控制

2．3．3模糊自适应PID控制

2．4飞艇姿态控制策略设计思路

2．4．1横向控制算法研究

2．4．2纵向控制算法研究

2．5本章小结

第3章自控飞艇俯仰／偏航姿态控制系统的设计与仿真

3．1飞艇姿态控制系统执行机构控制器的总体设计

3．2速度环调节器设计

3．3位置环调节器设计

3．4．1俯仰姿态控制回路设计仿真

3．4．2偏航姿态控制回路设计仿真

3．4．3通道耦合仿真

3．5本章小结

第4章自控飞艇俯仰／偏航姿态控制系统硬件设计

4．1 TMS320 F2812DSP芯片概述

4．2尾翼控制盒整体设计

4．3尾翼执行机构驱动器设计

4．4尾翼舵面位置检测电路设计

4．5电流取样电路设计

4．6保护电路设计

4．7 JTAG接口电路设计

4．8本章小结

第5章自控飞艇俯仰／偏航姿态控制系统软件设计

5．1系统软件开发环境及设计概述

5．2主程序设计

5．3通讯数据处理模块

5．4自检测模块

5．5设备参数信息接收及查询模块

5．6设备状态信息判断及回馈模块

5．7飞控控制指令处理模块

5．8遥控控控制指令处理模块

5．9 本章小结

第6章自控飞艇俯仰／偏航姿态控制系统测试试验

6．1姿态控制稳定性仿真测试

6．1．1飞艇受水平突风影响

6．1．2飞艇受垂直向下突风影响

6．1．3飞艇受垂直向上突风影响

6．1．4仿真测试结果

6．1．5姿态控制系统执行机构对飞艇姿态稳定性的影响

6．2试验场遥控飞行试验

6．3试验场自控飞行试验

6．3．1自控悬停试验

6．3．2自控飞行试验

6．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

个人简历