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-XeYeZe 32
2.1.2 地面坐标系OE-XEYEZE 33
2.1.3 机体坐标系O-XYZ 34
2.1.4 速度坐标轴系O-XaYaZa 36
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