高空风能发电牵引翼伞动力学与控制研究

【摘要】：本文主要围绕高空风能发电牵引翼伞系统进行研究，主要包括：高空风能牵引翼伞的运动轨迹、动力学特性和最优控制。 分别建立牵引翼伞平面运动轨迹模型、空间运动轨迹模型、两种不同的平面动力学模型和空间动力学模型。在绳索长度为定值、匀速伸长和匀加速伸长的三种情况下，着重分析了模型运动轨迹和牵引力冲量大小。并对空间模型在侧风情况下的稳定性进行了分析。归纳得到：1)影响牵引翼伞运动轨迹和牵引力冲量大小较为明显是：牵引绳索长度r及绳索伸长速度r和加速度r，翼伞俯仰角和滚转角；2)对牵引翼伞稳定性影响最大的是翼伞滚转角。 在空间运动轨迹模型的基础上，建立了高空风能发电牵引翼伞最优控制模型。通过分析，明确了最优控制模型的目标函数和其边界条件。采用基于直接配点法的DIRCOL软件工具包，对建立的最优控制模型进行了求解，并对结果进行了分析。最优控制为典型的开环式控制，由于牵引翼伞最优控制模型自身不稳定，当受到扰动后，模型得不到满足边界条件的解。 通过对翼伞滚转角施加控制的方法，实现了运动轨迹模型在侧向风下的稳定。采用ACADO工具包，对牵引翼伞最优控制模型进行了鲁棒优化，提高了模型自身的稳定性，在受到扰动的情况下，模型仍然能够得到满足边界条件的解。 本文所完成的工作，可为高空风能牵引翼伞系统的动力学和最优控制研究，以及相关问题研究提供参考。 【关键词】：牵引翼伞 运动轨迹 最优控制 直接配点法 鲁棒优化
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM614
【目录】：

• 目录4-6
• 图目录6-10
• 表格目录10-11
• 摘要11-12
• ABSTRACT12-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 研究背景13-15
• 1.2 相关领域国内外研究进展15-21
• 1.2.1 翼伞系统的国内外研究现状综述15-16
• 1.2.2 牵引翼伞研究进展16-18
• 1.2.3 高空风能发电牵引翼伞系统研究进展18-21
• 1.3 本文研究内容21-23
• 第二章 牵引翼伞运动轨迹建模及仿真研究23-37
• 2.1 引言23
• 2.2 基本坐标系和假设23-24
• 2.2.1 基本坐标系23
• 2.2.2 基本假设23-24
• 2.3 平面轨迹模型24-27
• 2.4 空间运动轨迹模型27-31
• 2.5 模型仿真与分析31-36
• 2.6 小结36-37
• 第三章 牵引翼伞动力学建模及仿真研究37-59
• 3.1 引言37
• 3.2 牵引翼伞附加质量37-41
• 3.2.1 翼伞几何描述参数37-38
• 3.2.2 基本假设38-39
• 3.2.3 附加质量概念39
• 3.2.4 牵引翼伞附加质量的确定39-41
• 3.3 牵引翼伞平面动力学模型41-46
• 3.3.1 平面动力学模型A42-45
• 3.3.2 平面动力学模型B45-46
• 3.4 牵引翼伞空间动力学模型46-51
• 3.4.1 牵引翼伞系统的质量特性46-47
• 3.4.2 翼伞气动力和力矩47-48
• 3.4.3 六自由度动力学模型48-51
• 3.5 模型仿真与分析51-57
• 3.6 小结57-59
• 第四章 牵引翼伞系统最优控制模型59-71
• 4.1 引言59
• 4.2 最优控制模型59-65
• 4.2.1 最优控制量的确定59-60
• 4.2.2 最优控制模型的建立60-65
• 4.2.3 最优控制模型的求解65
• 4.3 模型仿真和分析65-70
• 4.3.1 仿真初值设置65-66
• 4.3.2 模型仿真与分析66-69
• 4.3.3 模型稳定性分析69-70
• 4.4 小结70-71
• 第五章 牵引翼伞系统侧向控制和鲁棒优化71-81
• 5.1 引言71
• 5.2 牵引翼伞系统侧向控制71-74
• 5.3 最优控制模型鲁棒优化74-80
• 5.3.1 模型鲁棒优化74-75
• 5.3.2 模型单周期仿真与分析75-77
• 5.3.3 扰动下模型多周期仿真与分析77-80
• 5.4 小结80-81
• 结束语81-83
• 致谢83-84
• 参考文献84-89
• 作者在学期间取得的学术成果89-90
• 附录A 本文采用的风场模型90

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