董健 赵阳 朱海文

摘 要：本文主要研究直升机起飞阶段的飞行模型作为研究对象，研究直升机自动起飞控制技术的相关研究。并以空气定点控制方案为起点，通过仿真结果对自动控制系统进行了改进，分别增加了线性加速度反馈和直接力反馈。进而能够使直升机达到自动起飞控制的要求。

关键词：自动控制 技术 直升机 应用 研究

目前在直升飞机起飞的过程中，是具有约束的六自由度运动，同时由于其在近地稳定性较差，非线性特征强，非线性在起飞和着陆中非常重要。自动控制系统常起飞路程比较短，而且控制要求较高，需要人工参与操控起飞过程，在这一过程中要求操作者具有丰富的经验，即便这样，也无法完全保障飞行员的安全性。 因此，实现直升飞机自动起飞控制，在控制方法上是与空中飞行控制存在一定差异的。自动起飞控制要求直升机保持稳定状态并垂直起飞。

一、垂直起飞要求

直升机的机动变化会引起不同通道的耦合效应，特别是在近地状态下，由于地面姿态的变化，可能会导致危险的接地。耦合作用是通过速率回路和姿态回路的接口，能够从一定程度上解除耦合性。本文我们基于姿态回路，且按照直升机起飞要求，对自动起飞控制展开深入的研究。在直升机的垂直起飞中，当垂直地面关闭时，无人直升机的滚动力矩和俯仰力矩需要处于平衡状态，并且最大侧滑速度小于每秒0.5米。最大俯仰速率和最大滚动速率需要小于每秒4度。超出约定高度后，最大升降速度应当保持在二米每秒的范围内。

二，直升机自动起飞控制仿真结果及分析

首先，从直升机自动起飞来看，需要其保持平衡的姿态稳定垂直起飞，由于空中飞行和起飞的模型特性存在差别，起飞阶段的自动控制和空中飞行的控制之间存在很大差异。根据研究结果，讨论了自动起飞控制的有效策略和方案。从定点控制仿真分析的角度出发，在直升机起飞阶段进行自动起飞控制时，我们根据空中定点飞行控制规律进行仿真分析。根据规定的规律，总距离通道的高度为10米，垂直通道和水平方向由固定点控制。航向通道以航向保持控制律。起飞阶段的非线性数学模型用作模拟结果模型。可以看出，纵向和横向通道由固定点控制，并且随着高度增加，俯仰角和滚动角的角度相应地增加。当直升机刚刚离开地面时，俯仰和滚转角度将立即改变。在数字仿真中，姿态角变化是在可约束范围内的，然而这种情况上也是十分危险的。在实际起飞中，如果存在其他干扰情况，则会导致产生较大的姿态变化，进而影响直升机的飞行安全。此外，自动起飞控制要求对规划范围和速度有很高的要求。我们可以看出，如果当直升机的侧滑速度高于每秒一米，远远超出自动起飞的侧滑速度范围之后，侧滑范围也是比较大的，这种情况下不利于直升机起飞安全性。此外，直升机的飞行高度是随着高度给定变化的。在起飞阶段，高度变化率相对较小，可以满足起飞过程中提升率的要求。较小的升降速率变化，能够提高直升机的起飞安全，超出给定范围之后，适当增加上速度能够使直升机迅速获得安全高度，缩小安全风险和起飞完成的时间。从高度控制的角度来看，在直升机起飞的不同阶段，高度通道有效地控制在不同的高度，可以满足直升机自动起飞控制的需要。我们从定点控制模型上来看，虽然完成直升机起飞过程，但是对于侧滑速度和范围都比较大，近地阶段的姿态角随高度的变化而变化，不利于起飞安全。为了解决这个问题，有必要在定点控制技术中引入线性加速度反馈来消除这种侧滑，有必要观察线加速度引入后直升机起飞和修整的问题。姿态角和滚转角会在近地阶段变化程度较小，姿态角的微小变化会提高直升机的起飞安全性，在整个起飞过程中，姿态角的变化是比较大的，虽然其变化较大的阶段发生的无约束高度段，但是处于低速状态下，直升机的极不稳定，存在较大的危险性。根据侧滑速度和轨道曲线的结果，在引入线加速度反馈之后，侧滑速度具有显着的减小范围，相比定点控制来说侧滑范围有明显的减小。然而，由于直升机的自动起飞，对侧滑范围的要求很高。 因此，需要进一步的措施来控制滑道的范围，以满足起飞自动控制的要求。

根据实际模拟结果，当滚动干涉扭矩大时，控制系统需要产生大的转向扭矩以平衡不平衡力。为了实现转向扭矩的期望效果，需要产生一定的侧滑速度和范围。离开地面时有一个很大的侧滑，直升机扭矩的严重不平衡将导致直升机在地面分离过程中产生摆动或起伏。这种情况下很容易导致地面出现共振现象。为了有效地避免这种现象并获得良好的平衡效果，可以在地面阶段添加直接力反馈。 将地面产生的不平衡力矩接入到系统中，构成一个闭环来实现对系统的有效控制。

虽然在一定程度上，将引入线性加速度反馈后的控制效果与线速度的引入进行比较，以加速反馈定点控制模式效果更好，但在直升机起飞过程中仍存在力矩不平衡的问题。在滑道的底部，需要传感器来感测滑道上的地面力。通过扭矩平衡沉降，当结果代入控制通道时，可以增加直接力反馈，以有效控制直升机的土地滞留阶段。在直升机起飞前实现自动修剪过程，使其更稳定，实现垂直自动起飞。结果发现，当增加直接力反馈时，可以实现对地面不平衡力矩的直接反馈。然而，控制动态结果仍不理想，主要是由于经典的PID控制在给定反馈控制参数之后，如果手动量超出额定范围，那么在系统动态过程中无法满足要求。因此，增加直接力反馈可以在直升机起飞前的扭矩平衡中起作用，但是这种修剪效果并不理想。

小结

在本次研究过程中，我们发现当在直升机起飞过程中，引入了线加速度反馈和直接力反馈之后，它可以使其侧滑速度和范围达到理想的范围值，并且姿态角在离开地面时不会有大的波动。并且能从一定程度上起到力矩配平的效果。但是，轉矩平衡的智能性较低，抗干扰能力不强，因此可以引入一系列模糊控制等智能控制方法。直升机起飞的智能失衡，以便更好地控制。

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