董健 趙陽 朱海文

摘 要：本文主要研究直升機起飛階段的飛行模型作為研究對象，研究直升機自動起飛控制技術的相關研究。并以空氣定點控制方案為起點，通過仿真結果對自動控制系統進行了改進，分別增加了線性加速度反饋和直接力反饋。進而能夠使直升機達到自動起飛控制的要求。

關鍵詞：自動控制 技術 直升機 應用 研究

目前在直升飛機起飛的過程中，是具有約束的六自由度運動，同時由于其在近地穩定性較差，非線性特征強，非線性在起飛和著陸中非常重要。自動控制系統常起飛路程比較短，而且控制要求較高，需要人工參與操控起飛過程，在這一過程中要求操作者具有豐富的經驗，即便這樣，也無法完全保障飛行員的安全性。 因此，實現直升飛機自動起飛控制，在控制方法上是與空中飛行控制存在一定差異的。自動起飛控制要求直升機保持穩定狀態并垂直起飛。

一、垂直起飛要求

直升機的機動變化會引起不同通道的耦合效應，特別是在近地狀態下，由于地面姿態的變化，可能會導致危險的接地。耦合作用是通過速率回路和姿態回路的接口，能夠從一定程度上解除耦合性。本文我們基于姿態回路，且按照直升機起飛要求，對自動起飛控制展開深入的研究。在直升機的垂直起飛中，當垂直地面關閉時，無人直升機的滾動力矩和俯仰力矩需要處于平衡狀態，并且最大側滑速度小于每秒0.5米。最大俯仰速率和最大滾動速率需要小于每秒4度。超出約定高度后，最大升降速度應當保持在二米每秒的范圍內。

二，直升機自動起飛控制仿真結果及分析

首先，從直升機自動起飛來看，需要其保持平衡的姿態穩定垂直起飛，由于空中飛行和起飛的模型特性存在差別，起飛階段的自動控制和空中飛行的控制之間存在很大差異。根據研究結果，討論了自動起飛控制的有效策略和方案。從定點控制仿真分析的角度出發，在直升機起飛階段進行自動起飛控制時，我們根據空中定點飛行控制規律進行仿真分析。根據規定的規律，總距離通道的高度為10米，垂直通道和水平方向由固定點控制。航向通道以航向保持控制律。起飛階段的非線性數學模型用作模擬結果模型。可以看出，縱向和橫向通道由固定點控制，并且隨著高度增加，俯仰角和滾動角的角度相應地增加。當直升機剛剛離開地面時，俯仰和滾轉角度將立即改變。在數字仿真中，姿態角變化是在可約束范圍內的，然而這種情況上也是十分危險的。在實際起飛中，如果存在其他干擾情況，則會導致產生較大的姿態變化，進而影響直升機的飛行安全。此外，自動起飛控制要求對規劃范圍和速度有很高的要求。我們可以看出，如果當直升機的側滑速度高于每秒一米，遠遠超出自動起飛的側滑速度范圍之后，側滑范圍也是比較大的，這種情況下不利于直升機起飛安全性。此外，直升機的飛行高度是隨著高度給定變化的。在起飛階段，高度變化率相對較小，可以滿足起飛過程中提升率的要求。較小的升降速率變化，能夠提高直升機的起飛安全，超出給定范圍之后，適當增加上速度能夠使直升機迅速獲得安全高度，縮小安全風險和起飛完成的時間。從高度控制的角度來看，在直升機起飛的不同階段，高度通道有效地控制在不同的高度，可以滿足直升機自動起飛控制的需要。我們從定點控制模型上來看，雖然完成直升機起飛過程，但是對于側滑速度和范圍都比較大，近地階段的姿態角隨高度的變化而變化，不利于起飛安全。為了解決這個問題，有必要在定點控制技術中引入線性加速度反饋來消除這種側滑，有必要觀察線加速度引入后直升機起飛和修整的問題。姿態角和滾轉角會在近地階段變化程度較小，姿態角的微小變化會提高直升機的起飛安全性，在整個起飛過程中，姿態角的變化是比較大的，雖然其變化較大的階段發生的無約束高度段，但是處于低速狀態下，直升機的極不穩定，存在較大的危險性。根據側滑速度和軌道曲線的結果，在引入線加速度反饋之后，側滑速度具有顯著的減小范圍，相比定點控制來說側滑范圍有明顯的減小。然而，由于直升機的自動起飛，對側滑范圍的要求很高。 因此，需要進一步的措施來控制滑道的范圍，以滿足起飛自動控制的要求。

根據實際模擬結果，當滾動干涉扭矩大時，控制系統需要產生大的轉向扭矩以平衡不平衡力。為了實現轉向扭矩的期望效果，需要產生一定的側滑速度和范圍。離開地面時有一個很大的側滑，直升機扭矩的嚴重不平衡將導致直升機在地面分離過程中產生擺動或起伏。這種情況下很容易導致地面出現共振現象。為了有效地避免這種現象并獲得良好的平衡效果，可以在地面階段添加直接力反饋。 將地面產生的不平衡力矩接入到系統中，構成一個閉環來實現對系統的有效控制。

雖然在一定程度上，將引入線性加速度反饋后的控制效果與線速度的引入進行比較，以加速反饋定點控制模式效果更好，但在直升機起飛過程中仍存在力矩不平衡的問題。在滑道的底部，需要傳感器來感測滑道上的地面力。通過扭矩平衡沉降，當結果代入控制通道時，可以增加直接力反饋，以有效控制直升機的土地滯留階段。在直升機起飛前實現自動修剪過程，使其更穩定，實現垂直自動起飛。結果發現，當增加直接力反饋時，可以實現對地面不平衡力矩的直接反饋。然而，控制動態結果仍不理想，主要是由于經典的PID控制在給定反饋控制參數之后，如果手動量超出額定范圍，那么在系統動態過程中無法滿足要求。因此，增加直接力反饋可以在直升機起飛前的扭矩平衡中起作用，但是這種修剪效果并不理想。

小結

在本次研究過程中，我們發現當在直升機起飛過程中，引入了線加速度反饋和直接力反饋之后，它可以使其側滑速度和范圍達到理想的范圍值，并且姿態角在離開地面時不會有大的波動。并且能從一定程度上起到力矩配平的效果。但是，轉矩平衡的智能性較低，抗干擾能力不強，因此可以引入一系列模糊控制等智能控制方法。直升機起飛的智能失衡，以便更好地控制。

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