【正文】 式 (2 作為被控對象的飛機，往往把三個姿態(tài)角當作主要的被控量，在飛行軌跡的控制系統(tǒng)中H、 V 也作為被控量。包括以下三個歐拉角： 1）偏航角ψ： 軸在地平面上的投影與地軸之間的夾角 ，以機頭左偏航正； 2）俯仰角 ? ：機體軸 與地平面的夾角，以機頭抬頭時為正； 3）滾轉角 ? ：機體軸與地軸 之間的夾角，以飛機右 傾時為正。 無人機飛行控制系統(tǒng)仿真研究 7 圖 22 機體坐標系 速度坐標系（氣流坐標系） 速度坐標系原點也在飛機的重心上，但 軸與飛機速度向量 V 重合； 也在對稱平面內(nèi)并垂直于 ，指向座艙蓋為正； 垂直于平面 ，指向右翼為正，見圖23。原點 A 固定在地面的某點，鉛垂軸 向上為正，縱軸 與橫軸 為水平面內(nèi)互相垂直的兩軸。 本文的篇章結構如下所示： 》無人機數(shù)學模型的建立 (第二章 ) 》控制律設計理論基礎第 三章 ) 》無人機縱向系統(tǒng)控制律的設計與仿真 (第四章 ) 》結論（第五章） 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 6 2 無人機的數(shù)學模型 本章首先推導了無人機的六自由度非線性數(shù)學模型，然后利用小擾動理論將非線性方程組線性化，最后介紹了平衡點的配平方法，并在飛行包線內(nèi)典型狀態(tài)點處進行了配平。 本文主要研究了無人機縱向系統(tǒng)中俯仰角控制和高度控制的控制律設計問題。在未來戰(zhàn)場上，特別是未來的空中戰(zhàn)場上，無人機將發(fā)揮越來越重要的作用。 發(fā)展無人預警 機為進一步提高無人機在電子戰(zhàn)中的作戰(zhàn)效能，一些國家正在積極發(fā)展無人預警。如美國為了保證 B－ 52轟炸機的順利突防，研制出了名為“鵪鶉”的無人機，每架 B－ 52 飛機可裝 3架“鵪鶉”，到達防區(qū)上空后投放。二是用作誘餌飛機。 根據(jù)需要，今后用于電子戰(zhàn)的無人機主要有以下幾種：一是用作反輻射無人機。該機在旋翼頂上設有一個潛望式偵察球，球內(nèi)有前視紅外儀、電視攝像機和激光測距 /目標指示器。 美國的 RQ－ 1A“捕食者”和“獵人”無人機，英國的“鳳凰”無人機，意大利“奎宿九星”－ 26無人機，加拿大的 CL－ 289 無人 機等，都是目前世界上性能比較先進的無人偵察機，特別是美國的 RQ－ 1A“捕食者”無人機最大起飛重量 850 千克，最大載荷205 千克，飛行高度 30005000 米，續(xù)航時間達 60小時，作戰(zhàn)半徑 926 千米，配裝光電陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 4 /紅外系統(tǒng)、合成孔徑雷達偵察設備、慣導 /GPS 導航系統(tǒng)，可將偵察到的圖像及視頻錄像通過衛(wèi)星實時傳送給地面指揮中心，可提供超長時間的戰(zhàn)場監(jiān)視能力。 無人機在近幾場局部戰(zhàn)爭中的出色表現(xiàn)，使世界各國都非常重視發(fā)展無人機。還可用于災情監(jiān)測、長線巡查、氣象測量等其他用途。 無人機的發(fā)展趨勢 無人機以制造成本與壽命周期費用低、無人員損失幾率、較小的尺寸、 較 強的隱身能力受有人機過載系數(shù)的約束、相對簡單的維護保養(yǎng)方式等優(yōu)點 。 另外 ， 無人機回收也較簡單 ， 可以用降落傘或攔截網(wǎng) 回收 ， 這為部隊靈活機動的軍事行動創(chuàng)造了有利條件 。 無人機飛行控制系統(tǒng)仿真研究 3 (4) 隱蔽性好 。 (3) 機動性高 。 (2)費用低 。 無人機的特點 無人機在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中逐漸替代有人機 ， 得到大力發(fā)展和廣泛應用 ,與它自身的優(yōu)點是分不開的 ， 它與有人駕駛飛機相比 ， 具有以下特點 ： (1) 重量輕 ， 尺寸小 。無人機按其用途和性能確定其屬性和全稱，如 ： 靶標無人機、偵察無人機、無人誘餌機、電子對抗無人機、攻擊無人機、戰(zhàn)斗無人機 ； 長航時無人機、超音速無人機、微型無人機、無人直升機等。究其原因，用無人機替代有人駕駛飛機可以降低生產(chǎn)成本，便于運輸、維修和保養(yǎng)，而且不用考慮人的生理和心理承受極限。在 1982 年的中東戰(zhàn)爭中 ,以色列陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 2 在貝卡谷地交戰(zhàn)中，用 “ 偵察兵 ” 和 “ 猛犬 ” 無人機誘騙敘軍的地空導彈的制導雷達開機，偵查獲取了雷達的工作參數(shù)并測定了其所在位置。 40 年代，低空低速的小型活塞式靶機投入使用。 由于無人機具有低成本、零傷亡、可重復使用和高機動等優(yōu)點 ,因此深受世界各國軍隊的廣泛歡迎，近年來得到了快速發(fā)展。 20 世紀 30 年代初無線電操縱的無人靶機研制成功。這是一架無線電操縱的小型單翼機，由于當時的許多技術問題，所以試驗失敗。 無人機在航空業(yè)已有一百年的歷史了。無人機飛行控制系統(tǒng)仿真研究 1 1 緒 論 本章先主要介紹了無人機進無人機的特點，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢及這篇文章的主要內(nèi)容安排。第一駕遙控航模飛機于 1909 年在美國試飛成功。一直到 1921年英國才研制成可付諸實用的第一駕靶機。在 20 世紀 40 至 50 年代，無人機逐漸得到了廣泛使用，但這時主要是作為靶機使用。對于無人機而言，其自動飛行控制系統(tǒng)的設計是至關重要的，它的優(yōu)劣程度直接影響到無人機各項性能 (包括起飛著陸性能、作業(yè)飛行性能、飛行安全可靠 性能、系統(tǒng)的自動化性和可維護性等 )。 50年代出現(xiàn)了高亞音速和超音速高性能的靶機，世界各國空軍開始大量裝備 無人機作為空靶。無人機的飛速發(fā)展是在海灣戰(zhàn)爭后，以美國為首的多國部隊的無人機在海灣戰(zhàn)爭中成功地完成了戰(zhàn)場偵察、火炮校射、通信中繼和電子對抗任務。未來無人機在軍事和民事上都有廣泛的應用前景。 中國無人機的研究始于 50年代后期， 1959 年已基本摸索出安 2和伊爾 28 兩種飛機的自動起降規(guī)律。 據(jù)統(tǒng)計世 界 300 多種無人機 (不包括由有人機改成的無人機中 ，有 %的起飛重量不超過 200kg， %的重量 在 500kg以內(nèi) , 起飛重量大 于 2021kg的不到 10%， 沒有超過 10000kg 的 。 中小型無人機價格范圍都在 1 萬～ 100 萬美元之間 ， 其中有 24 %的無人機在 10 萬美元以下 ， 65%的在 10 萬～ 40 萬美元之間 ， 而且有不少小型無人機在 1萬美元以下 。 無人機不需要考慮人的承載能力 ， 過載可以大于 177。 無人機尺寸小 ， 結構設計時可大面積采用雷達反射特征與紅外輻射特征小的材料制造 ,在結構與總體布局上可采取 隱形 措施 ， 在小發(fā)動機上可采取消音措施 。 (6) 安全性高 。 受到了各國的重視。 SH3 輕型低速無人機采用高升阻比氣動外形，低耗油率活塞發(fā)動機，具有體積小，成本低，運輸和使用方便等特點。隨著無人機技術的發(fā)展和完善，無 人機必將充斥未來戰(zhàn)場。 另外，偵察直升機也將得到快速發(fā)展。這種偵察球增強了偵察時的隱蔽性。目前投入實空雷達、防空導彈制導雷達、高炮炮瞄雷達及艦載雷達，且具有一定的智能。將無人機作為誘餌飛機使用， 有兩種好處：首先可以引誘敵方雷達開機，使己方迅速掌握敵方的雷達頻率和陣 地位置，為后續(xù)的反輻射武器提供參數(shù)?！谤g鶉”上所裝的電子裝備就可以欺騙地面雷達，使它看起來像一架轟炸機，從而提高了 B－ 52 的突防概率。例如 2021 年，美國空軍研究實驗室提出了一種新型的無人機，其平臺形狀像一顆鉆石，稱“傳感飛行器”無人機。 本 文的研究背景及內(nèi)容安排 本文以國家某高技術課題為研究背景，以某型固定翼無人機為研究對象，著眼于應用常規(guī) PID 控制技術，分別針對中空、高空、高高等空域來進行無人機飛控系統(tǒng)控制無人機飛行控制系統(tǒng)仿真研究 5 律的設計，并且探討如何提高飛行控制系統(tǒng)的控制精度等問題。在設計方法上，我們充分利用了根軌跡分析法和頻域分析法等經(jīng)典控制理論對控制器的參數(shù)進行了選取，從而設計出了符合要求的 PID 控制器。 常用坐標系簡介 為了確切地描述飛機的運動狀態(tài)必須選用適當?shù)淖鴺讼?，要想確定飛機在地球上位置就必須采用地面坐標系；要想方便地描述飛機的轉動與移動，必須采用機體坐標系或氣流坐標系 (速度坐標系 )。一般取縱軸為飛機的應飛航線。 圖 23 速度坐標系 飛機的常用運動參數(shù) 飛機的運動參數(shù)就是完整地描述飛機在空中飛行所需要的變 量，只要這些參數(shù)確定了，飛機的運動也就唯一地確定了。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 8 向量與機體坐標系的關系 1)迎角 (角 )α速度向量 V在飛機對稱平面內(nèi)的投影，與 軸之的夾角，以 V 的投影在軸之下為正； 2)側滑角β：速度向量 V與飛機對稱平面之間的夾角，以 V處于對稱平面之右正 飛機速度向量與機體坐標系的關系 1）航跡傾斜角θ：速度坐標系中 OXq軸與地平面的夾角，以速度向上為正； 2）航跡偏轉角 ： 軸在地平面內(nèi)的投影與的夾角 ，以 為投影，左偏為正。因此飛機的輸入輸出的關系可表示如圖： 24 無人機的輸入輸出的關系 前蘇聯(lián)體制下無人機的非線性運動方程組 無人機六自由度運動方程式的建立 基于飛機運動剛體性的假設，我們就可以推導出飛機的一般數(shù)學模型為一組提階的非線性微分方程組 (推導過程將在附錄 A中給出 )，這組方程同樣適用于我們所研究的無人機飛行控制系統(tǒng)仿真研究 9 IM定翼無人機。 I)一 ()中的 分別表示作用在無人機上的合力在各機體 于是 這里還需要說明一點的是，在實際應用中我們往往不把機體軸上的速度分量 Y39。然后假定所有運動參數(shù)對某一穩(wěn)定飛行狀態(tài)的變化極其微小。由于這些方程式描述的運動是圍繞飛機橫側方向 (側移、滾動和偏航 )而進行的。 無人機這樣一個被控對象之所以能分為兩種運動，主要是因為它有一個對稱平面 ox,Y的緣故。一旦參數(shù)確定之后，我們就可以通過較精確的全通運動的計算或通過實物模擬與試飛來加以考驗。除此之外，線性化的無人機運動方程也更適合于以成熟的線性系統(tǒng)控制理論為基礎的飛行控制系統(tǒng)的設計。由馬赫數(shù)、高度得到總速，進而由攻角和側滑角得到氣流軸系的速度，也即無風條件下的地速；由馬赫數(shù)、高度和姿態(tài)角還可插值得到各動導數(shù)，從而得到氣動力和氣動力矩，在無動力飛行的情況下即為總的力和矩，再 由慣性矩和慣性積即可推得角加速度。本文采用基于 simulink 非線性模型進行配平。例如，飛行速度，旋翼轉速，高度等。 (5)在以設置好的輸入輸出和配平點下線性化模型。通過限制各個變量的數(shù)值大小或假設它們同特定的工作狀態(tài)偏移很小，我們可以對無人機的運動方程進行線性化。對于非線性系統(tǒng)無人機飛行控制系統(tǒng)仿真研究 13 的這種小擾動工 作方式，我們可以對其運動方程在工作點附近進行泰勒展開，忽略偏差量的二次及更高次項，再減去基準工作點處的運動方程，即可得到線性化的小擾動增量方程。己知狀態(tài)方程的表達式為，則對于縱向運動而言 : 對于橫側向向運動而言 : 于是，無人機縱向運動與橫側向運動的狀態(tài)方程就分別如式 ()和式 () 所示： 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 14 上面所得到的無人機線性化狀態(tài)方程可以作為我們進行控制 器設計和仿真的基礎，本文所做的一些仿真研究都是在此基礎上建立起來的。對于大角度機動飛行而言則必須沿 用完整的非線 性方程，并且不能忽略縱向通道與橫側向通道之 fHl的禍合作用 。 無人機飛行控制系統(tǒng)仿真研究 15 3 控制系統(tǒng)理論基礎 PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性強以及可靠 性高等特點，在實際的控制系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應用。在噪聲、負載擾動等因素的影響下，被控對象的參數(shù)甚至模型結構均會隨時間和周圍環(huán)境的變化而變化。 智能控制所研究的內(nèi)容是很廣泛的，通常包括基于知識推理專家控制、基于規(guī) 則的自學習控制、基于聯(lián)結機制的神經(jīng)網(wǎng)絡控制、基于模糊邏輯的智能控制和仿人智能控制等。其輸入e(t)與輸出 u(t)的關系為 : 式中 K。對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性來說，總體的趨勢是由強到弱。