平流层飞艇定点高度保持综合控制方法

1.平流层飞艇定点高度保持综合控制方法，其特征在于采用压力调节和推力矢量相结合的方式来实现平流层飞艇定点高度保持，压力调节和推力矢量相结合的方式是在飞艇上配置压力传感器、开关控制器、风机、阀门、高度传感器、PD控制器、推力矢量装置，压力传感器将平流层飞艇的气囊压力传输给开关控制器，开关控制器通过阀门和风机调节平流层飞艇压力；高度传感器将平流层飞艇的高度传输给PD控制器，PD控制器控制推力矢量装置产生矢量推力作用于平流层飞艇；推力矢量控制采用PD（比例、微分）控制律，控制量为推力倾角，推力倾角的变化范围是-120°～120°，控制律给定如下：

式中 为预定高度， 为实际测量高度， 为比例增益， 为
微分增益， 为推力倾角。

平流层飞艇定点高度保持综合控制方法\n技术领域\n[0001] 本项发明涉及平流层飞艇领域。\n技术背景\n[0002] 平流层飞艇是一种浮空飞行器，依靠静浮力驻空，由太阳能和燃料电池为其提供能源，并带有推进系统，能够携带数百公斤甚至数吨重的有效载荷，可实现在12～50公里高度长时间定点悬停或低速机动飞行。飞艇都具有充满浮升气体(一般为氦气)的主气囊和充满空气的副气囊，飞艇的气动外形通过气囊内部的超压来保持，如图1所示。在平流层飞艇上升期间，大气压力不断减少，气囊将会膨胀，需要打开空气阀放出副气囊中的空气以降低气囊内气体压力；而在平流层飞艇下降期间，大气压力不断增大，气囊将会变瘪，需要打开风机向副气囊中充入空气以增大气囊内气体压力。飞艇上升时副气囊空气完全排空时所达到的高度称为压力高度，也即飞艇允许运行的最大高度。\n[0003] 平流层飞艇在定点运行期间，由于外部热辐射条件的变化，使得气囊昼夜温度大幅变化(最大温差可达60℃以上)，会直接影响到气囊内的气体压力，使飞艇浮力发生变化，导致飞艇无法保持定点高度，如果对气囊压力不施以控制的话将会引起飞艇气囊超压过大甚至破裂(囊体气动外形保持所需的压差范围一般是25mmH2O～55mmH2O)。因此，当气囊温度发生较大变化时，必须采用一定策略控制气囊压力在合理范围，并保持飞艇的预定高度。\n[0004] 平流层飞艇在高空定点时重力(不含气囊内氦气和空气)与净浮力平衡，其净浮力为：\n[0005] LN＝VH(ρA-ρH)g＝(VHρA-mH)g\n[0006] 式中VH为主气囊的容积，ρA为大气密度，ρH为氦气密度，g为重力加速度，mH为氦气质量。当外界大气温度升高时，氦气温度也必然随之升高，由气体压力计算公式：\n[0007] PH＝ρHRHTH\n[0008] 式中PH为主气囊氦气压力，RH为氦气气体常数，TH为氦气气体温度。由此可知，氦气温度升高后，氦气压力必然增加，因而主气囊会膨胀，导致净浮力加大，飞艇会往上升，随着大气密度的降低，净浮力逐渐减小，飞艇会达到新的平衡高度。在此过程中，只要飞艇飞行高度没有到达压力高度，则副气囊会不断排气，维持气囊压力在合理范围；如果超过压力高度，此时副气囊空气已经全部排空，若气囊压力还在增大，就只能通过放氦气或是降温来降低压力，但是这些操作都是得不偿失的。因此，平流层飞艇设计的定点高度通常是低于压力高度的。目前，对流层飞艇(飞行高度在8000米以下)采用压力调节来保持飞艇外形，用涵道螺旋桨产生的推力矢量来控制飞艇的起降，其高度保持是通过控制舵面实现。而对于平流层飞艇，由于高空大气稀薄，且飞艇速度慢，因而舵面调节失效。现阶段国内外对平流层飞艇的研究都只是处在探索论证阶段，如何让平流层飞艇在长时间定点驻空过程中保持预定高度并没有成熟的方法。\n发明内容\n[0009] 本发明的目的就是针对目前国内外还没有成熟的使平流层飞艇长时间定点保持高度的方法之现状，提供一种平流层飞艇定点高度保持综合控制方法。\n[0010] 平流层飞艇定点高度保持综合控制方法，采用压力调节和推力矢量相结合的方式来实现平流层飞艇定点高度保持。\n[0011] 压力调节和推力矢量相结合的方式是在飞艇上配置压力传感器、开关控制器、风机、阀门、高度传感器、PD控制器、推力矢量装置，压力传感器将平流层飞艇的气囊压力传输给开关控制器，开关控制器通过阀门和风机调节平流层飞艇压力；高度传感器将平流层飞艇的高度传输给PD控制器，PD控制器控制推力矢量装置产生推力矢量作用于平流层飞艇。\n[0012] 本发明的优点是：现有单纯采用压力调节进行平流层飞艇定点高度保持的方法，其波动范围大，且有出现气囊超压过大的可能，同时，单纯的压力调节会要求平流层飞艇飞行到定点高度时副气囊仍预留较大的体积，以便高度波动时进行压力调节，这样无形之中使得飞艇体积增大，导致成本增加。本发明由于在压力调节的同时辅以推力矢量的控制，其定点高度波动范围小，副气囊预留体积也相应减小许多。需要说明的是推力矢量的应用并没有增加额外的能量消耗，因为平流层飞艇在定点飞行中为克服风阻，总会保持有一定的推力，本发明只是改变了推力的方向，垂直方向的分量用来平衡增加的净浮力，这样可能导致水平方向的分量无法克服风阻，使得平流层飞艇在水平方向上的位置精度无法保持，但就工程应用而言，平流层飞艇的定高精度远比水平位置精度重要，因而牺牲一点水平定位精度是值得的，一旦温度恢复正常后，平流层飞艇可以机动飞行到定点位置。\n附图说明\n[0013] 附图1为本发明平流层飞艇定点高度控制方式方框图。\n具体实施方式\n[0014] 本发明是采用压力调节和推力矢量相结合的方式来实现平流层飞艇定点高度保持。压力调节和推力矢量相结合的方式是在飞艇上配置压力传感器、开关控制器、风机、阀门、高度传感器、PD控制器、推力矢量装置(涵道螺旋桨)，压力传感器将平流层飞艇的气囊压力传输给开关控制器、开关控制器与阀门和风机电连接，阀门和风机的接口分别与平流层飞艇副气囊相通，高度传感器将平流层飞艇的高度传输给PD控制器，PD控制器控制涵道螺旋桨，涵道螺旋桨产生推力矢量作用于平流层飞艇，由此可实现用压力调节和推力矢量相结合的方式来保持平流层飞艇定点高度。\n[0015] 工作原理：\n[0016] 压力调节控制采用开关控制律，即通过控制风机和空气阀的开闭来调节气囊压力，气囊内外压差大于阀门开启设定值时打开空气阀，低于阀门关闭设定值时关闭空气阀；\n气囊内外压差低于风机开启设定值时打开风机，高于风机关闭设定值时关闭风机。该压力调节规律在以往多个飞艇型号上采用，压力调节效果好，风机、阀门通断次数少，节省能源的同时也延长了风机、阀门的寿命。\n[0017] 压力调节控制回路工作过程如下：压力传感器将气囊压力转换为电压信号输入给控制计算机，通过与测量的大气压力相比，得到气囊压差。若气囊压差在设定范围内，执行元件不工作(风机不运转、阀门关闭)；当检测到气囊压差高于阀门开启设定值时，计算机发出信号接通空气阀电源，打开空气阀，副气囊放气；当气囊压差回复到阀门关闭设定值时，计算机给出信号关闭空气阀；当气囊压差低于风机开启设定值时，计算机发出信号打开风机给副气囊充气；当气囊压差回复到风机关闭设定值时，计算机发出信号关闭风机。\n[0018] 推力矢量控制采用PD(比例、微分)控制律，控制量为推力倾角，推力倾角的变化范围是-120°～120°。控制律给定如下：\n[0019] deltaH＝Hcom-Hmeas\n[0020] 1式\n[0021] \n[0022] 式中Hcom为预定高度，Hmeas为实际测量高度，Kp为比例增益，Kd为微分增益，ξ为推力倾角。推力矢量控制是在高度差deltaH超出一定范围(取决于任务载荷系统对定点高度的精度要求)后才有效，这样可以避免飞艇高度偏差在容许范围内时推力矢量被频繁启用，降低设备的寿命。\n[0023] 推力矢量控制回路工作过程如下：高度传感器将飞艇高度转换为电压信号输入给控制计算机，通过与预定高度相比，得到高度偏差。若高度偏差在容许范围内，推力矢量控制无效；当检测到高度偏差超出容许范围时，计算机依据上述1式进行控制律解算(Kp，Kd具体数值有待飞行试验确定)求得要求的推力倾角，由涵道转向机构来实现推力倾角的改变。当飞艇高度回复到容许范围内后，推力矢量控制无效，推力倾角复位。\n[0024] 需要指出的是压力调节与推力矢量是耦合的，压力调节会导致净浮力发生变化，进而影响高度，反之推力矢量控制会导致高度发生变化，进而影响压力，如何平衡好二者的关系还有待飞行试验来完成。