题目：直升机飞行动力学建模与鲁棒控制律设计研究

直升机在军事和民用领域应用广泛，其发展日益受到重视，对其飞行性能和飞行品质的要求也越来越高。但直升机是一个高阶非线性、不稳定和高度耦合的多输入多输出系统，这给直升机飞行控制控制器的设计和实现带来了很大的困难。与此同时，最新的直升机飞行品质规范ADS-33也对直升机飞行控制器的设计理论和方法提出了挑战。本文以常规单旋翼带尾桨直升机为研究背景，在飞行动力学建模及其鲁棒飞行控制律设计等领域进行了研究，主要的研究内容和研究成果包括：(1)　直升机数学模型是控制系统设计的基础，本文通过机理建模的方法推导了常规单旋翼带尾桨直升机的全量非线性模型。其中，主旋翼作为直升机建模的关键，详细讨论了与其相关的翼型气动力模型、诱导速度模型和桨叶挥舞运动模型的建模方法。同时，将飞行动力学模型和虚拟场景有效结合，提出了基于Simulink平台和VRML技术的仿真模型方案，实现了计算、仿真、显示一体化，并以UH-60A黑鹰直升机为对象，用所建立的数学模型进行了静态配平、动态响应等计算。(2)　 回路成形控制已在直升机鲁棒飞行控制器设计上得到了成功应用。 回路成形控制的关键在于加权阵的合理选取，但迄今未有系统、有效的方法。本文提出一种 回路成形加权阵的优化选取方法。它以系统回路形状、加权阵的奇异值及条件数限定在指定区域内作为约束条件，以系统的鲁棒稳定性指标最大化作为优化目标，将 回路成形法中的几个标准步骤转化为一个优化问题，最终通过基于线性矩阵不等式的迭代优化算法来得到优化的加权阵和控制器。(3)　直升机运动学方程及各部件气动力解算具有非线性特性，如何克服其对直升机飞行性能和飞行品质的影响，是飞行控制律设计时考虑的关键因素。本文基于非线性 控制理论，提出一种充分考虑直升机非线性气动特性影响的控制系统设计方案，它将直升机飞行控制问题分为两个相关联的控制子问题，即力和力矩的非线性鲁棒控制问题及桨距操纵指令生成问题。前者考虑了运动学微分方程的非线性特性，而后者考虑了直升机各气动部件的非线性特性。(4)　根据力和力矩的非线性鲁棒控制的需求，将飞行器通用六自由度运动方程推导为仿射非线性方程，定义了新的控制模态，并按照非线性 控制方法解算具备良好鲁棒性的期望控制力和力矩指令，实现了对机体动态的扰动抑制。(5)　根据桨距操纵指令生成问题的设计目标，将直升机力和力矩推导表示成关键气动参数的线性形式；并根据直升机模型及其线性关系设计了一种桨距操纵指令逆解算法，其中强调了旋翼挥舞特性、入流特性以及尾桨入流特性对实际桨距操纵的影响。该算法利用风洞试验数据和空气动力学方程，逼近期望控制指令，从而得到了实际的桨矩操纵量。