倾转旋翼飞行器配平及仿真分析

倾转旋翼飞行器是一种特殊的飞行器,在操纵方式上既有直升机的旋翼操纵,又有定翼机的舵面操纵,在过渡段何时完全退出旋翼周期变距操纵是一个很有研究意义的问题.在进行仿真特性分析之前,首先需要对倾转旋翼飞行器过渡段进行数学建模,利用统一的数学模型对倾转旋翼飞行器过渡段进行描述.考虑倾转旋翼飞行器XV-15的复杂空气动力学,加入旋翼尾流对机翼、垂尾以及平尾的气动干扰,建立了该飞行器的数学模型.利用Maltab仿真软件搭建了XV-15的simulink仿真模型,分别对直升机模式、定翼机模式以及过渡模式进行了配平,并对配平结果进行了分析,分析了不同飞行模式下的操纵特性规律,并给出了何时完全退出旋翼周期变距操纵量的建议.     

三倾转旋翼无人机直升机模式建模与控制研究

针对一种新型三旋翼构型的倾转旋翼无人机的直升机模式控制问题进行研究,采用牛顿欧拉法对这种新型三旋翼构型的倾转旋翼无人机直升机模式进行了详细的动力学建模分析,建立了该无人机悬停模式6自由度非线性模型;在对该模型进行线性化的基础上,设计了这种三倾转旋翼无人机直升机模式下的高度、俯仰通道、滚转通道以及偏航通道的PID控制器,并在Matlab/Simlink环境下建立其仿真模型,对所设计的控制算法进行验证;实验结果表明,所设计的控制器能够满足系统的控制性能要求。     

基于虚拟样机技术倾转四旋翼飞行器联合仿真

为了解决倾转四旋翼飞行器的机械系统及控制系统的设计问题,首先在ADAMS软件中建立倾转四旋翼飞行器的虚拟样机机械模型,同时在MATLAB/Simulink环境中引入了跟踪微分器并建立了非线性串级PID控制系统模型,然后通过搭建共享的虚拟样机模型实现联合仿真,最终得到机械系统和控制系统优化后的设计方案.仿真结果表明:倾转四旋翼飞行器的姿态调整过程稳定,具有很好的动态响应特性,为今后旋翼倾转过程的理论分析打下了良好的基础.     

倾转式三旋翼无人机的有限时间收敛控制设计

倾转式三旋翼无人机是一种多旋翼无人机的特殊构型,其兼具单旋翼无人机与普通多旋翼无人机的特点.目前对于此类无人机的鲁棒控制设计研究成果较少,多数已有的控制方法未考虑模型参数的不确定性与外界扰动对此类无人机控制的影响.为此本文针对倾转式三旋翼无人机动力学模型存在的转动惯量未知,以及飞行中受到未知外界扰动影响的情况,基于super-twisting算法,设计了一种新型非线性鲁棒控制方法.通过基于Lyapunov的稳定性分析方法,证明了闭环系统的稳定性,并得到在有限时间内三旋翼无人机的姿态跟踪误差收敛的结果.本文中所提出的控制算法,在倾转式三旋翼无人机实验平台上进行了实时飞行控制实验,取得了较好的控制效果.     

倾转式三旋翼无人机非线性鲁棒控制设计与实验验证

针对倾转式三旋翼无人机的建模及控制设计问题,本文通过对此类无人机动力学特性的分析,构造了以电机转速和尾舵倾角作为控制输入的动力学模型.为补偿动力学模型中未知的外部扰动及参数不确定性,设计了一种非线性自适应鲁棒控制策略.在此基础上,基于Lyapunov分析方法及Barbalat引理证明了所设计控制器的闭环系统稳定性,以及误差渐近收敛性.最后通过半实物仿真平台进行了实验验证.实验结果表明,本文中提出的控制策略对倾转式三旋翼无人机外部扰动及参数不确定性具有较好的鲁棒性.     

倾转式三旋翼无人机的自适应鲁棒容错控制

本文针对受到外界未知扰动和模型不确定性影响的倾转式三旋翼无人机,研究了其在尾部舵机发生堵塞故障时的容错控制问题.通过对倾转式三旋翼无人机姿态动力学特性的分析,将尾部舵机堵塞故障加入到力矩解算方程中.基于自适应反步法和非奇异终端滑模控制,提出了一种不需要故障诊断的鲁棒容错控制设计.利用基于Lyapunov的分析方法证明了闭环系统的稳定性,以及姿态误差的渐近收敛性质.通过在三旋翼无人机半实物仿真平台的实时实验以及与滑模控制器的对比,验证了该算法在无人机尾部舵机发生堵塞故障时,对姿态运动具有较好的控制效果.     

四倾转旋翼无人机无源控制与飞行实验

倾转旋翼无人机以低速悬停以及快速巡航能力得到了大量的关注,但是其变化的飞行器结构(旋翼的倾转)以及较强的非线性特性(飞行速度的大范围变化)都增大了飞行控制的难度.针对一种四倾转旋翼无人机的飞行控制问题,本文中的研究内容主要基于无源性概念,改进了互联和阻尼分配无源控制以提出此飞行器的姿态与高度控制方法.通过对于飞行器动力学模型的公式化,其姿态与位置模型均可表示为端口受控哈密尔顿算子模型形式,模型中的旋翼倾转角度被格外关注以实现对于飞行模式过渡时动力学特性的分析与简化.根据上述模型简化,改进且包含积分作用的互联和阻尼分配无源控制被用于进行姿态与高度控制器设计,基于无源性概念可进行进一步的稳定性分析.最终,仿真对比实验与包含飞行模式过渡的巡航飞行实验验证了所提出控制方法的有效性.     

推力矢量可倾转四旋翼自抗扰飞行控制方法

针对常规四旋翼难以实现位置和姿态独立控制问题, 研究了一种具有全向推力矢量的可倾转四旋翼飞行 器系统. 为克服系统的大范围不确定性、强耦合性及外部风扰影响, 设计了基于自抗扰控制(ADRC)技术的飞行控 制器. 通过建立风扰下的系统动力学模型, 分析阵风对旋翼气动力的影响. 接着将系统解耦为六通道单回路结构并 分别设计自抗扰控制器, 引入扩张状态观测器估计系统的内外扰动, 利用非线性状态误差反馈律输出扰动补偿控 制. 在此基础上, 通过变量代换线性化控制分配矩阵, 将控制器输出直接映射到旋翼转速和倾转角. 仿真结果表明, 所设计的自抗扰飞行控制器具有良好的位置和姿态独立控制能力, 能够有效地估计和补偿紊流风扰动, 同时对系统 的部分动力失效故障有较强的鲁棒性.     

倾转旋翼飞行器最优推力矢量控制

最优控制中的线性状态调节器对于一个易受外界扰动的系统来说具有十分重要的作用。飞行器在飞行过程中经常会受到风之类的外界扰动，使其偏离正常运行轨道，因此在设计飞行器的时候，考虑滚动通道和偏行通道的状态反馈调节器对于飞行器的正常飞行来说具有十分重要的意义。基于此，该文对最新发展的双发倾转旋翼飞行器进行了研究，通过建立其数学模型，分析设计了旋翼飞行器的滚动通道和偏行通道的线性状态控制器，最优飞行控制给出了倾转旋翼飞行器的最优矢茸推力控制。分析结果表明：该飞行器具有节省动力能源，机动性能好以及抗干扰能力强等优点。计算机仿真证实丁飞行控制系统的最优性和有效性。     

一种小型倾转旋翼无人机的建模与仿真

传统无人机多为四旋翼无人机和固定翼无人机,现设计一种小型可倾转旋翼无人机,可实现垂直起降与悬停,并能在空中高速巡航。建立该无人机的动力学模型,对该无人机的旋翼飞行模式,设计了基于滑模控制(Sliding Mode Control)的姿态控制器和位置控制器,并通过Matlab仿真和传统的PID算法进行比较验证。仿真结果表明:基于滑模鲁棒控制的无人机,其姿态收敛过程和位置收敛过程都远快于传统控制方法。     

基于Anti-windup PID的四旋翼飞行器姿态控制研究

针对四旋翼飞行器姿态控制问题,设计一种Anti-windup PID姿态控制器。结合四旋翼飞行器简化的数学模型,在飞行器在垂直速率、俯仰速率、翻滚速率、偏航速率4个独立通道上分别设计了PID控制器和Anti-windup PID控制器。在MATLAB/SIMULINK环境下,对控制四旋翼飞行器姿态的两种算法进行仿真分析。仿真结果表明,Anti-windup PID控制方法在性能上明显优于PID,对飞行器有良好的控制效果。用Anti-windup PID算法搭建的四旋翼飞行器的物理实验平台更好地验证了该算法的有效性。     

气压式ABS模拟实验台自寻最优控制器的设计

气压式ABS模拟实验台能够以低成本检验ABS控制器的性能。本文以XC164CM为主控芯片设计ABS控制器的硬件电路,软件实现自寻最优控制策略,并在实验台上进行ABS控制实验。实验结果表明,控制器硬件设计合理,软件程序逻辑可靠,能够很好的实现防抱死制动控制的目的。     

Control-Oriented Physical Input Modelling for a Helicopter UAV

It has become standard in the helicopter UAV control literature to use the main and tail rotor thrusts, and the main rotor flapping angles as inputs. However, the physically-controllable inputs are servomotors which actuate the main rotor cyclic and collective pitch, and the tail rotor collective pitch. Precise treatments of the helicopter model exist which study the physical inputs. However, these models remain intractable for practical implementation motivating researchers to use rough approximations such as simple gain relationships between thrust and collective. We propose and identify a physical input model which retains the accuracy of a general model but is algebraically simple enough for its use in control design. As a result of experimental validation, the vehicle’s velocity is incorporated into the model to improve its accuracy.     

转子试验台网络实验项目开发

介绍采用图形化编程软件LabVIEW开发柔性转子试验台测控系统,以此为平台可完成转子试验台的各实验项目.     

基于LabVIEW的散热器试验台测控系统

根据散热器性能测试的基本原理,自动控制和采集的基本理论,基于LabVIEW软件,设计开发了散热器测控系统。试验台实现全自动控制。     

Nonsingular Terminal Sliding Mode Control With Ultra-Local Model and Single Input Interval Type-2 Fuzzy Logic Control for Pitch Control of Wind Turbines

As wind energy is becoming one of the fastest-growing renewable energy resources, controlling large-scale wind turbines remains a challenging task due to its system model nonlinearities and high external uncertainties. The main goal of the current work is to propose an intelligent control of the wind turbine system without the need for model identification. For this purpose, a novel model-independent nonsingular terminal sliding-mode control (MINTSMC) using the basic principles of the ultra-local model (ULM) and combined with the single input interval type-2 fuzzy logic control (SIT2-FLC) is developed for non-linear wind turbine pitch angle control. In the suggested control framework, the MINTSMC scheme is designed to regulate the wind turbine speed rotor, and a sliding-mode (SM) observer is adopted to estimate the unknown phenomena of the ULM. The auxiliary SIT2-FLC is added in the model-independent control structure to improve the rotor speed regulation and compensate for the SM observation estimation error. Extensive examinations and comparative analyses were made using a real-time software-in-the-loop (RT-SiL) based on the dSPACE 1202 board to appraise the efficiency and applicability of the suggested model-independent scheme in a real-time testbed.      

Design and manufacturing a novel screw-in-pipe inspection robot with steering capability

In this article, a novel in-pipe inspection robot is designed and manufactured in Kharazmi University KharazmPipeBot. This robot is able to move through any pipeline with a predefined diameter range with a variable pitch rate and report any desired data within the pipe with the aid of the installed camera. To achieve the highest stability of the robot through the pipe, the robot's movement is based on the screw locomotion protocol provided by the aid of its rotor and stator. A simple suspension is designed for three legs of the robot by installing a passive prismatic joint equipped with a spring for each leg to provide a smoother movement for the robot chassis. The main novelty of the robot is adding an extra controlling actuator for the robot which is the steer of the front wheels. This input can control the pitch rate of the robot movement and consequently the spiral track of the wheels can be actively managed. This importance lets us to bypass the probable obstacles attached to the inner wall of the pipes. A brief presentation of the robot model is delivered. Afterward, to verify the claimed novelties of the system, a prototype of the robot is manufactured in Kharazmi University and the efficiency of the robot is demonstrated by conducting some initial experimental tests. It is shown that the robot can move with a variable pitch rate through the wall and pass a detected obstacle accordingly.     

直升机旋翼锥体与动平衡主动调节技术

针对直升机桨叶质量、气动条件等不平衡引起的旋翼低频振动过大的问题,提出一种以旋翼锥体为约束、仅通过调整桨叶变距拉杆的主动减振技术.该技术在建立的桨叶挥舞摆振扭转耦合的动力学模型基础上,使用最小二乘辨识方法估计振动频域分量和变距拉杆位移之间的线性模型,从而构造并求解以旋翼锥体为约束条件、低频振动分量为控制目标的二次型性能指标函数,同时将该算法用Simulink模块实现,进行实时化仿真计算,并验证控制结果的有效性.结果表明：该算法约束旋翼锥体的同时能够降低旋翼80%以上的低频振动,而且对桨毂中心升力、扭矩等的影响在0.3%以内,并未对直升机其他动力响应产生不良影响,结合Simulink模型的实时化仿真为直升机锥体和动平衡调整提供了一种工程应用思路.     

变速风力发电机组最大风能追踪与桨距控制

针对变速变桨风力发电机组(Variable Speed Variable Pitch,VSVP)如何在低风速时最大限度捕获风能以及在额定风速以上稳定输出功率进行研究。低风速时在传统风能追踪控制策略的基础上,提出通过改变最优增益系数来追踪最佳风能利用系数的自适应转矩控制策略。在额定风速以上,依据风机空气动力学原理、风轮扫及面内风速风切特性,提出基于桨叶方位角信号的独立变桨距控制策略。该策略通过权系数将统一变化的桨距角转化为3桨叶独立变化的桨距角。以国产某2 MW风力发电机组为验证对象,基于Bladed软件平台对所采用的控制策略进行仿真验证。结果表明,相对传统控制,所提出的控制策略在低风速时能够更好的追踪最大功率点。额定风速以上时,使风力发电机组能够在额定转速下保持稳定的电功率输出。