直升机控制系统课程报告学号：031710426姓名：王瑞时间：2020年4月29日目录直升机控制系统课程报告 (1)一、主旋翼挥舞运动分析 (2)（一）垂直飞行的均匀挥舞 (2)（二）前飞时的周期挥舞 (2)（三）旋翼偏倒原因 (3)二、画出俯仰通道的开环结构 (3)三、开环模态分析 (4)四、直升机增稳系统设计 (6)（一）增稳系统性能指标 (6)（二）增稳系统优化过程 (7)五、实验感想 (10)1．实验中存在的缺陷 (10)2．实验收获 (10)一、主旋翼挥舞运动分析直升机属于旋翼飞行器，其中主旋翼作为一个单独的系统是直升机中最重要的组成部分，它肩负着直升机飞行时的推进、负重和操控三种功能。

直升机主要产生向上的拉力克服重力，产生向前的水平分力使直升机前进，产生其他分力及力矩使直升机保持平衡或做机动飞行，若直升机在空中发生事故停车，可以及时操控旋翼，使其自传产生缓冲升力，保证安全着陆。

旋翼系统主要由桨叶和桨毂组成，桨毂包含水平、垂直和轴向三个铰，水平较、摆振铰以及变距铰使旋翼的关键部件，其中桨叶的挥舞运动主要是由垂直铰控制。

直升机在前飞时，桨叶重心距旋翼轴的距离不断变化，一起周期交变的科里奥利力。

经研究表明，科里奥利力的最大值高达桨叶自重的7倍伊桑，巨大的科里奥利力会造成巨大的交变弯矩。

有了垂直铰，桨叶绕垂直铰摆动一个角度，从而使桨叶根部所受的交变弯矩大大较小。

下面主要分析桨叶的挥舞运动。

（一）垂直飞行的均匀挥舞直升机在悬停或者定长垂直飞行时，桨叶会形成一个倒置的圆锥，圆锥的椎体周与旋转轴重合。

直升机悬停或垂直飞行时作用在桨叶上的力有气动合力jy F ，水平向外的离心力c F ，力图拉平桨叶，还有桨叶重力jy G 。

当浆页上翘挥舞角β时，水平铰受到的力矩之和为0。

又因为直升机在垂直飞行时相对气流是对称的，桨叶旋转过程中，气动力和离心力均不变，此时挥舞角β等于锥角0a ，即均匀挥舞。

（二）前飞时的周期挥舞直升机前飞时，桨叶旋转形成的倒锥体的锥体轴相对于旋翼的旋转轴出现后倒现象。

此时桨尖平面D D -相对构造平面S S -也后倒1a 。

因此在方位角︒=0ψ处，挥舞角10-a a =β，︒=180ψ处，挥舞角10a a +=β。

出现侧倒角1b ，对于左旋直升机来说，︒=90ψ处，10-b a =β，︒=270ψ处，10b a +=β，旋翼向左侧偏倒。

由此可见，直升机在前飞的时候，桨叶既后倒又左侧倒，在左后方的某个方位角处，挥舞角最低，出现min β，在右前方的某个方位角处，挥舞角最大，出现max β。

（三）旋翼偏倒原因1．旋翼后倒的物理原因形成后倒角的原因是直升机前飞时，周向来流不对称。

对于左旋直升机来说，随着ψ的增加，周向来流的速冻增加，桨叶拉力逐渐增大，桨叶逐渐向上挥舞，桨叶迎角减小，浆液拉力趋于平衡。

︒=90ψ时，周向来流速度最大，向上挥舞速度最大，迎角最小。

︒=270ψ时，周向来流速度最小，向上挥舞速度最小，迎角最大。

2．旋翼侧倒的物理原因产生侧倒角的原因是由于均匀挥舞角（锥度角）的存在，在前半圆的区域内，由于桨叶上翘，流速不再与桨叶平行，桨叶迎角增大，桨叶上抬，又使桨叶剖面迎角减小，拉力趋于平衡。

︒=180ψ处，迎角增加至最大，挥舞速度达到最大；︒=270ψ处，迎角增量为0，挥舞速度也为0，挥舞角达到最大。

︒=0ψ处，迎角增量减小到负的最大值，向下挥舞速度达到最大；︒=90ψ处，迎角增量为0，挥舞速度也为0，挥舞达到最低点。

二、画出俯仰通道的开环结构纵向运动是仅操纵X 轴方向的速度μ及Z 轴方向的速度ω，忽略侧向对纵向的耦合因素。

俯仰通道的运动学环节可以表示如下：纵向运动由X 主通道和Z 主通道及该两通道之间的耦合因素组成。

但是由于X 通道的耦合气动系数几乎为零，因此在实验中对状态空间模型进行纵侧向拆分，且忽略了航向随遇平衡，纵向为四阶，侧向为五阶。

忽略了航向随遇平衡，仿真实验结果如图（2）所示：图1俯仰通道的运动学环节最终得出的俯仰通道开环函数为：三、开环模态分析系统状态矩阵如下：反映全面运动的小扰动方程是99⨯的矩阵方程，其相应的微分方程为9阶，因此它具有9个特征根，分别代表一定的运动特性，显出不同的运动模态。

以该1443.02301.09693.053.101543.0252.3563.52342++++++=s s s s s s W uθ图2俯仰通道实验结果直升机为例，9个运动模态在S 平面中的分布可用图（3）表示。

（1）纵向短周期模态。

在纵向小扰动运动方程的诸特征根中，大复根所代表的模态。

其相应的两根为j 658.0097.12,1±-=s 。

主要特征为迎角和俯仰角的运动均呈短周期特性，具有衰减快的振荡，飞机在该短周期运动内速度变化小。

（2）纵向长周期模态。

在纵向小扰动运动中，以小复根所代表的运动模态。

其相应的两根为435j .00.0354,3±=s 。

主要特征为飞行速度和俯仰角均呈缓慢的长周期变化，典型周期为10~30秒，且往往呈现不稳定而发散，发散的倍幅时间为4~5秒。

从驾驶员可控性考虑，发散周期及倍幅时间应足够地长。

（3）侧向滚转收敛模态。

在侧向小扰动运动方程的诸特征根中，以大实根所代表的运动模态。

其相应的根为-1.0575=s 主要特征是滚转角和滚转角速度呈现衰减快的非周期运动。

（4）侧向荷兰滚模态。

在侧向小扰动运动方程的诸特征根中，复根所代表的运动模态。

其相应的两根为098j .1-0.3576±=，s 。

主要特征是滚转角、侧滑角和偏航角呈现频率较高的周期性振荡。

（5）螺旋模态。

在侧向小扰动运动方程的诸特征根中，小实根所代表的运动模态。

其相应的根为-0.0308=s 。

主要特征是非周期的缓慢滚转和偏航运动，具有螺旋运动特性。

（6）航向随遇平衡模态。

是零根09=s 所代表的运动模态，它具有航向随遇平衡的特性。

例如在外干扰作用（包括控制作用）下，它显示航向以积分形式偏离。

当外干扰或控制消除后，即停止在干扰或控制消除时的位置。

故称随遇平衡模态。

下图为直升机的纵向和侧向的零极点分布图。

图3全面运动的零极点分布自然直升机具有不稳定性，四个通道之间存在严重的耦合现象，因此需要对自然直升机进行增稳（CAS ）系统的设计。

四、直升机增稳系统设计直升机作为控制对象与固定翼飞机相比拥有更加复杂的动力学特性。

除了应考虑机体的六自由度运动以外，还需要考虑旋翼及尾桨对于机身的旋转，以及桨叶及尾桨相对于机身的旋转，以及桨叶相对于挥舞铰的运动。

这些决定了直升机具有较差的稳定性与操纵性。

因此直升机的设计应当加入适当的控制系统以增加系统的稳定性，这里以增加增稳系统（CAS ）为例介绍各工作通道的增稳设计过程。

图（5）为直升机增稳系统设计的simulink 结构框图。

（一）增稳系统性能指标在对直升机增稳系统的参数进行优化设计之前首先应当对优化性能提出要求。

本次设计的性能指标如下表所示：上升时间（达到稳态值90%）0.7s图4纵侧向零极点分布图5增稳系统设计的结构图在simulink中设置如下：（二）增稳系统优化过程为了便于分析增稳系统的基本工作原理，设计过程中不记纵侧向之间的气动耦合，依次设计纵向俯仰通道、侧向滚转通道、侧向航向通道和纵向高度通道。

增稳系统设计前的系统响应如图所示：调节时间1s 向上超调量5%向下超调量图6性能指标图中的黑色加粗线条对优化系统性能指标的描述，蓝色线条是优化前直升机运动系统的单位阶跃响应，可见直升机运动系统无论是响应速度还是稳定性都无法满足性能指标的相关要求，因此需要对直升机系统进行优化。

1．纵向俯仰通道的优化——第一次优化俯仰增稳系统中的角速率q K 反馈，以并联反馈的形式弥补自然直升机中阻尼力矩系数的不足，角位移θK 反馈，以并联反馈的形式弥补自然直升机中俯仰运动静稳定力矩系数的不足。

寻优过程如图（8）所示：经过第一次的寻优之后，俯仰通道的单位阶跃响应基本能够满足性能指标的要求，此时得到系统反馈系数如图（8）所示。

经过第一次寻优可确定下，角速率反馈系数27.1065=q K ，角位移反馈系数99.6345=th K 。

2．侧向滚转通道优化——第二次优化横滚增稳系统中的角速率p K 反馈，以并联反馈的形式弥补自然直升机中横图7设计前的阶跃响应图8第一次寻优结果滚阻尼力矩系数的不足，角位移φK 反馈，以并联反馈的形式弥补自然直升机横滚中运动静稳定力矩系数的不足。

寻优过程如图（9）所示：经过第一次的寻优之后，滚转通道的单位阶跃响应基本能够满足性能指标的要求，此时得到系统反馈系数如图（9）所示。

经过第二次寻优可确定下，角速率反馈系数 1.4793=p K ，角位移反馈系数13.9472=ph K 。

3．侧向航向通道——第三次优化将直升机运动系统的第二次寻优结果应用到侧向航向通道的仿真，仿真结果如图（10）所示，发现仿真结果已经可以满足性能指标的要求。

直到这里，所有的增稳系统的参数均已确定，设计工作已然完成，寻优后的图9第二次寻优结果图10第三次寻优前直升机飞行控制课程作业_031710426_王瑞10参数如图（11）所示。

五、实验感想本次实验是我第一次接触一个运动系统的设计，本身难度较大，好在王老师在实验方面的指导较为仔细，我们在实验过程中少走了很多弯路，虽然实验难度有所降低，但是通过实验了解的一些经验与知识并没有减少。

我对于能过学习这门课程感到非常荣幸，通过这门课程的学习我们也收获了许多，从直升机的发展历史到飞行原理再到如何实现飞行控制，王新华老师的讲解十分细致。

值得一提的是，王老师每次上课都会带一个直升机模型，在讲解理论知识的同时，通过实物演示让我们更形象的认识直升机的各个飞行姿态是如何实现的。

在如此精彩细致的讲解我们学习到了很多无论课内还是课外的直升机方面甚至自动控制行业的知识。

1．实验中存在的缺陷（1）王老师在实验环节给出了细致的讲解，因此不可避免地就少了一些思考过程。

（2）最后的增稳系统设计中我只设计了CAS 系统，如果可以同时对比MFCS 系统的设计应当会使得本次实验内容更加丰满。

2．实验收获（1）实践出真知，仅仅是课堂上的理论学习并不能够是我们的知识框架更加牢固，只有实践结合理论才能更好地理解知识本身。

（2）经过本次实验，我对Matlab 仿真软件的优化工具箱更加了解，以后的其他优化工作中一定可以跟该熟练。

图11增稳系统设计参数。