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第1章 直升机的基本工作原理1

1.1 绪言1

1.1.1 直升机发展概况1

1.1.2 直升机的分类5

1.1.3 直升机的控制11

1.1.4 主动控制技术在直升机控制中的应用13

1.2 直升机旋翼气动特性14

1.2.1 直升机的组成14

1.2.2 旋翼系统的结构15

1.2.3 旋翼的类型16

1.2.4 旋翼基本参数17

1.2.5 旋翼基本空气动力特性18

1.3 桨叶的挥舞运动21

1.3.1 垂直飞行的均匀挥舞21

1.3.2 前飞时的周期挥舞22

1.3.3 挥舞系数的物理解释23

1.4 直升机的操纵原理25

1.4.1 直升机稳定与操纵基本概念25

1.4.2 直升机的操纵机构26

1.4.3 直升机的操纵特点30

思考题31

第2章 直升机飞行动力学32

2.1 坐标系及其转换32

2.1.1 地球坐标系Oe-XeYeZe32

2.1.2 地面坐标系OE-XEYEZE33

2.1.3 机体坐标系O-XYZ34

2.1.4 速度坐标轴系O-XaYaZa36

2.1.5 机体坐标系O-XYZ及地面坐标系OE-XEYEZE之间的关系37

2.1.6 地理坐标与地面坐标的转换40

2.1.7 三维空间坐标系之间的转换41

2.2 作用于直升机上的气动力及气动力矩42

2.3 直升机的平衡动力学44

2.3.1 直升机的平衡方程44

2.3.2 直升机悬停时的平衡45

2.3.3 直升机平飞时的平衡48

2.4 直升机的稳定性与操纵性49

2.4.1 直升机的纵向静稳定性49

2.4.2 直升机的航向静稳定性51

2.4.3 直升机的横滚静稳定性52

2.4.4 直升机的阻尼特性53

2.4.5 直升机的操纵性54

2.5 直升机运动方程55

2.5.1 直升机动力学方程55

2.5.2 小扰动线性化方程59

2.5.3 自然直升机性能分析61

2.6 小型无人直升机动力学建模及物理特性分析70

2.6.1 直升机增稳动力学结构70

2.6.2 数学模型的建立72

2.6.3 增稳动力学的状态空间模型74

2.6.4 小型直升机增稳动力学的结构75

思考题81

第3章 直升机的增稳与控制增稳系统82

3.1 直升机结构图形式的数学模型82

3.2 增稳与控制增稳系统原理及设计方法85

3.2.1 增稳与控制增稳系统工作原理85

3.2.2 增稳系统设计方法85

3.3 典型控制增稳系统结构分析87

3.3.1 具有漏泄积分器的增稳系统87

3.3.2 具有姿态角微分信息的控制增稳系统89

3.3.3 一种重型直升机的控制增稳系统90

3.3.4 有前后两旋翼的重型直升机的控制增稳系统90

3.3.5 具有高度自动化水平的重型直升机的控制增稳系统91

3.3.6 具有模型跟踪的控制增稳系统93

思考题93

第4章 直升机显模型跟踪控制系统94

4.1 显模型跟踪解耦自适应控制系统设计94

4.1.1 基本MFCS工作机理94

4.1.2 显模型的设计95

4.1.3 控制阵G3的设计96

4.2 系统的跟踪性能及解耦机理分析与仿真验证98

4.3 系统参数优化106

4.3.1 控制阵G3的增益阵R的选取106

4.3.2 G4阵的选取106

4.3.3 G1,G2,G5阵的选取107

4.3.4 显模型带宽的选取107

4.3.5 采样周期的选取108

4.4 性能评估109

4.4.1 跟踪性能109

4.4.2 解耦性能109

4.4.3 鲁棒性110

4.5 具有非线性特性的显模型跟踪系统的控制策略112

4.6 基于MFCS的直升机协调转弯控制115

4.6.1 直升机航向协调控制模态结构配置115

4.6.2 航向协调控制的动特性响应116

思考题117

第5章 直升机自动飞行控制系统118

5.1 直升机自动飞行控制一般结构118

5.2 各类自动飞行模态一般控制律120

5.2.1 三轴姿态保持模态120

5.2.2 空速保持模态120

5.2.3 地速保持模态120

5.2.4 自动悬停模态120

5.2.5 气压高度保持模态122

5.2.6 航向保持模态122

5.2.7 自动区域导航模态122

5.2.8 对目标的自动航向修正模态122

5.2.9 垂直速度保持模态123

5.2.10 自动飞行控制系统结构123

5.3 基于MFCS的自动飞行模态设计124

5.3.1 外回路结构配置124

5.3.2 传递矩阵T的确定125

5.3.3 外回路FCS｜u,v,h,ψ控制律设计127

5.3.4 FCS｜u,v,,h,ψ性能验证及分析128

5.3.5 FCS｜u,v,h,ψ抗气流扰动特性130

5.4 直升机自动过渡飞行控制系统设计131

5.4.1 高度的自动过渡131

5.4.2 前向速度的自动过渡132

5.4.3 按指数规律拉平132

5.4.4 自动过渡的高度与速度控制系统133

5.4.5 自动过渡控制系统的性能135

思考题136

第6章 直升机现代飞行控制技术137

6.1 引言137

6.2 高增益控制阵解耦的显模型跟踪控制系统设计137

6.2.1 高增益显模型跟踪系统138

6.2.2 控制阵解耦的内回路结构138

6.2.3 设计举例140

6.2.4 数字仿真验证142

6.2.5 外回路设计142

6.3 隐模型解耦控制系统设计145

6.3.1 引言145

6.3.2 隐模型解耦控制的结构配置146

6.3.3 状态反馈阵和前馈补偿阵的设计147

6.3.4 内回路设计的仿真验证152

6.3.5 隐模型解耦控制外回路设计154

6.4 H∞回路成形控制设计154

6.4.1 H∞回路成形控制的基本结构配置及设计方法154

6.4.2 内回路的设计指标156

6.4.3 外回路设计技术158

6.4.4 H∞回路成形内回路设计举例161

6.5 基于显模型的飞行轨迹制导系统设计167

6.5.1 控制器设计168

6.5.2 仿真与分析170

思考题174

第7章 直升机轨迹生成与制导175

7.1 引言175

7.2 制导系统的一般结构175

7.3 直升机舰上起飞过程及轨迹生成177

7.3.1 ZE轴的轨迹生成178

7.3.2 XE轴的轨迹生成179

7.4 直升机着舰过程及轨迹生成181

7.4.1 返航进场阶段轨迹生成181

7.4.2 降落段轨迹设计186

7.5 直升机起降自主飞行的仿真验证189

7.5.1 LQR显模型飞控系统设计190

7.5.2 自主起飞轨迹跟踪仿真191

7.5.3 返航进场段轨迹跟踪仿真191

7.5.4 着舰降落段轨迹跟踪仿真194

思考题194

第8章 无人直升机进场着舰轨迹制导系统195

8.1 无人直升机三维基准轨迹的生成195

8.1.1 直升机及舰在不同坐标系中的运动轨迹195

8.1.2 无人直升机三维期望基准轨迹表达式197

8.1.3 基于着舰点的三维期望轨迹的生成198

8.2 无人直升机进场着舰三维制导系统结构199

思考题202

第9章 直升机光传操纵系统203

9.1 光传飞行控制系统概述203

9.1.1 光传操纵系统发展及研究现状203

9.1.2 光传操纵系统总体配置211

9.2 光传操纵系统的关键技术213

9.2.1 光传操纵系统的关键组件213

9.2.2 光纤数据总线技术218

9.2.3 光传余度技术222

9.3 光纤多路复用技术234

9.3.1 空分复用234

9.3.2 时分复用237

9.3.3 波分复用238

9.3.4 时分波分联合复用240

9.4 直升机上的光传操纵系统241

9.4.1 直升机光传操纵系统结构配置241

9.4.2 直升机显模型光传操纵系统验证242

思考题245

附录A 某型无人直升机小扰动线性化数学模型246

附录B UH-60直升机动力学模型248

附录C 某10kg级模型直升机非线性全量数字模型253

参考文献259