今天跟大家分享一篇论文，题目是《基于在线辨识的电控旋翼桨距控制研究》，它也是一种取消传动直升机自倾斜器的技术方向，也可以被看做独立桨距控制（IBC）技术的一个分支。和目前DEP技术相比，IBC技术仅仅只是单纯解决了操控方面的电气化问题，而DEP是从动力和操控两个方面同时解决电气化问题，但IBC技术同样可以和DEP技术进行融合，从而推动eVTOL的发展；例如美国的Overair就采用了IBC技术实现了四旋翼的动力单元失效安全问题。下面仅仅分享了论文绪论部分和全文总结，且具有一定的可读性。
缩比试验台，另外还有一个全尺寸试验台在悬臂厅
1、选题依据
直升机旋翼的操纵方式，除了传统的自动倾斜器操纵系统外，美国人Kaman于20世纪40年代研制了伺服襟翼操纵系统并成功应用于直升机，到目前为止，Kaman公司所研制的各型直升机均采用了伺服襟翼操纵技术，但是，Kaman伺服襟翼技术所采用的是十分复杂的机械操纵装置，且对桨叶设计有较高的要求，与自动倾斜器技术相比优势并不明显。伴随着现代电力电子技术、旋翼材料、旋翼设计制造技术的迅速发展，采用嵌入旋翼的电作动器代替复杂的机械操纵装置驱动襟翼成为可能，这种新的旋翼概念称为电控旋翼。
电控旋翼，国外也称作无自动倾斜器旋翼，是于本世纪初被提出的一种新概念旋翼。它通过安装于旋翼上的作动器驱动后缘襟翼，在气弹作用下实现桨叶变距（包括总距操纵和周期变距操纵），从而实现旋翼操纵。给出了电控旋翼的典型构造，与传统旋翼相比，不再采用自动倾斜器、机械操纵杆系以及液压助力器，提高了直升机重量效率；由于取消了自动倾斜器使得桨毂结构简化，有效减小桨毂废阻，提高全机气动效率；此外，电控旋翼可以集旋翼主操纵、主动减振及降噪技术于一体，可从整体上提高旋翼的综合性能。
由于旋翼桨距的变化依赖于后缘襟翼产生的气动力，而直升机的旋翼又处于复杂多变的气动环境当中，因此仅仅通过控制襟翼偏角，是无法获得满意的桨距控制效果的。此外，若在旋翼主操纵的同时施加高阶谐波减振降噪控制，对桨距控制的精度则要求更高。以往的主动后缘襟翼减振技术控制方法普遍采用频域控制方法，取得了较好的控制效果；随着现代数字信号处理技术的提升，为时域控制方法的实现提供了可能。因此有必要分别采用时域控制方法和频域控制方法对电控旋翼的桨距控制问题进行深入研究，以获得最佳的桨距控制效果。
2、电控旋翼研究现状
尽管电控旋翼技术是于本世纪初被提出的一项新概念直升机技术，但如前文所述，早在上个世纪的二十年代就有人提出了利用伺服襟翼实现旋翼主操纵的思想。年，Kaman在其所研制的Ka直升机上成功的应用了该技术，随后，Kaman公司又对伺服襟翼的结构形式和气动性能进行了优化，提高了旋翼的整体效能。上世纪八十年，贝尔和波音公司应军方要求提出利用电作动器驱动后缘襟翼的方案，由于采用的新技术过多导致这一想法未能实现。直到本世纪初，美国NASA正式提出电控旋翼的研究计划，并被列为九项航空革命概念之一。由美国ATI公司，DTI公司、Ames和Dryden研究中心以及Maryland大学等多家单位共同开展相关研究。
年，美国Ames研究中心的Ormiston利用刚体桨叶模型和二维准定常气动力模型，对嵌入式襟翼用于旋翼主操纵的可行性进行了研究。分析结果表明：当桨叶基阶扭转固有频率降至1.5至2.5之间时，通过嵌入式后缘襟翼可以完成旋翼的主操纵。
~年，美国Maryland大学的Chopra和Shen在理论方面完成了电控旋翼的气弹动力学建模、气弹响应和稳定性研究、设计参数研究以及应用电控旋翼的直升机的性能分析，得出了优化桨叶和襟翼的参数可以减小作动器需用功率的结论。~年，Chopra和Bao等人以UH-60直升机的旋翼为基准，设计了相应的模型电控旋翼，并采用压电材料智能作动器驱动后缘襟翼开展了悬停状态试验研究，试验结果表明：智能材料作动器用于驱动后缘襟翼实现旋翼主操纵，其功率无法满足需要。~年，Chopra和Falls基于黑鹰直升机电控旋翼气弹动力学模型，针对悬停状态和前飞状态，提出了如何减小襟翼偏角和作动器需用功率的问题；同时与传统自动倾斜器操纵旋翼的性能进行了对比分析，发现在时，电控旋翼所需功率更少，这是由于在前飞时自动倾斜器的取消使得旋翼的升阻比增大。
年，美国宾西法尼亚州立大学Bluman等人针对压电材料作动器输出功率低的缺点，研究了可动平尾位置对电控旋翼直升机配平特性和后缘襟翼作动器需求功率的影响，研究表明：电控旋翼可以实现直升机的飞行操纵，但对实际襟翼操纵输入、作动器功率需求过于乐观。
~年，德国人设计了一种无自动倾斜器旋翼操纵方式，它主要通过位于桨毂根部的电机械作动器来直接驱动桨叶变距。整个系统由电机械作动器（EMA）、变速箱以及柔性桨毂等组成。
年，AnneBrindejonc等人针对主动控制Hiller伺服短桨实现旋翼的主操纵进行了研究。这种结构主要由桨叶、短桨和副翼组成，其中桨叶和短桨的桨距角通过机械连杆相连，在短桨的桨根处安装有电作动器用于驱动短桨的全尺寸副翼，通过实时调整副翼偏角来改变桨叶的桨距角，其每片桨叶的变距系统之间是相互独立的，其缺点是由于短桨的尺寸较短导致气动效能低。为了验证这个思路的可行性，利用遥控直升机进行了改装。在悬停状态下完成了飞行测试，结果表明副翼产生的变距范围能够覆盖整个飞行包线，为后续的气动特性分析和设计改进提供了依据。
综上可知，国外对电控旋翼的气弹动力学建模、飞行力学特性分析和压电材料作动器等方面已经开展了理论和试验研究，并得到了一些有意义的结论，同时针对电控旋翼的结构设计也提出了多种方案，然而针对电控旋翼桨距闭环控制系统未见相关文献。
在国内，陆洋等人从年开始针对电控旋翼系统进行深入的理论和试验研究。理论研究方面，建立了电控旋翼的气弹分析模型，对电控旋翼的稳态气弹操纵响应进行了分析；针对电控旋翼的若干关键参数设计进行了分析研究。以理论研究结果为基础，研制了通过电磁式作动器驱动后缘襟翼的模型电控旋翼试验系统，完成了悬停和前飞状态下襟翼闭环操纵试验，验证了电控旋翼的可行性。
3、电控旋翼桨距控制率设计
桨距控制律设计是实现电控旋翼的关键技术之一。目前，在控制律的设计方法上，国外还没有相关的公开文献。考虑到智能旋翼主动减振技术与电控旋翼主操纵技术都是利用后缘襟翼实现的，控制对象的气动特性和外部环境基本一致。而国外已经针对智能旋翼减振技术提出了大量的控制算法，其中关于HHC算法的研究最为充分，不仅在智能旋翼减振上起到了很好的控制效果，其应用的领域还推广到了IBC、ATR控制系统中。因此在以上应用领域内的控制算法研究成果对电控旋翼的桨距控制律设计都具有一定的指导意义。
年，Shaw和Albion在闭环HHC振动控制系统的研究中利用线性传递矩阵的方法，针对先前为了实现整个飞行状态下的有效控制，需要花费大量时间事先建立直升机各个状态的模型这一问题，采用卡尔曼滤波在线辨识技术实时辨识直升机的线性模型，研究结果表明，在低速飞行状态下能够取得较好的控制效果。随后在三片桨叶的CH-47D旋翼模型测试中发现，使用离线辨识方法获得传递矩阵，可以达到与Kalman在线辨识基本一致的控制效果。Johnson从原理上对HHC算法进行了更为深入的剖析，回顾了其发展的整个历程，总结出了HHC算法的三个基本特征：1、直升机响应可以看作线性准静态频域模型；2、直升机模型的辨识采用最小二乘法（LS）或者卡尔曼滤波法（KF）;3、采用线性最优二次型目标函数作为控制目标。Jacklin通过数值仿真对HHC算法中用于频响矩阵识别的五种系统辨识方法进行了深入研究，比较了几种最小二乘和卡尔曼辨识方法，结果表明：由于控制的要求值适用于减振而不是用于激励的，因此准确的闭环辨识相比于开环辨识更加困难；五种辨识方法中，只有加权最小二乘法不可以用于在线辨识，其它四种辨识方法均可，只是在计算速度、实现难易、稳定性和收敛性上略有不同。需要说明的是，上述对HHC控制算法的研究均在频域内完成的。
进入21世纪，伴随着数字信号处理技术的提升，DSP等高速处理器的出现，为HHC算法在时域内的实现提供了可能。年，Roget为了解决由于旋翼不平衡所产生的各阶谐波振动问题，基于确定性最优控制原理和卡尔曼滤波在线辨识方法设计了独立桨叶控制系统，其控制系统原理如图1.8所示。该方法为了实现每片桨叶的独立辨识，对每一片桨叶添加不同的输入信号，然后通过卡尔曼滤波方法利用每一片桨叶的输入和在固定坐标系下的载荷响应完成在线辨识。试验表明，所设计的控制系统不但对k的振动有较好的减振效果，同时对由于旋翼气动和质量不平衡特性所产生的1振动也能取得较好的控制效果。年，Joseph提出了混合前馈反馈振动主动控制算法，前馈环节仍然以频域HHC控制算法为准，反馈控制环节是在频域控制算法控制效果的基础上以线性二次型最优目标函数为准，在时域内计算最优控制输出和识别控制对象的状态空间方程。通过在AH-64直升机尾梁模型上开展试验研究，验证了混合控制算法对多频振动的减振有效性。
除了传统的HHC算法外，Gupta和Duval提出了基于状态反馈的主动控制方法，它与自适应控制方法相比省去了辨识过程，可根据线性控制理论估计控制器的稳定性，但该方法需要旋翼的气动模型。Kottapilli发展了基于神经网络的控制算法完成主动减振，并与经典的单步控制器进行了比较，证明神经网络控制具有更强的鲁棒性。Spencer发展了实时神经网络反馈控制系统，该控制方法的频带较宽，与频率受到限制的多周控制方法相比具有较好的控制效果，但需要在时域内运行。
国内，在电控旋翼桨距控制方面，夏鹤鸣首先采用常规PID控制方法完成了桨距闭环控制的工作，初步验证了桨距闭环控制的可行性。研究发现：由于襟翼运动到桨叶变距具有显著的非线性动力学特性，因此常规PID控制方法无法满足复杂气动环境下的电控旋翼桨距控制要求；随后，洪亮采用了时域自适应滤波的控制方法对电控旋翼的桨距控制进行了研究，并进行了悬停状态下的桨距控制试验研究，试验结果表明：时域自适应滤波控制算法可以实现电控旋翼桨距的总距和周期变距操纵。由于当时软硬件条件的限制，在试验过程中不能对桨距施加连续操纵，同时未对算法的在线辨识性能和主动控制滤波器的收敛性进行分析。
针对电控旋翼桨距控制这一问题，通过对已有的控制算法进行分析，可以发现电控旋翼桨距控制律可在时域自适应滤波算法和频域HHC算法方面进一步深入研究。两种控制方法各有其优缺点，需要根据电控旋翼桨距控制的要求，从不同的方面进行改进。为此主要考虑以下几个方面的问题。
1、此前的对时域自适应滤波控制算法研究中，大部分研究集中于减振和降噪，很少有专门针对桨距控制的研究，尤其缺乏收敛性和稳定性分析。
2、在智能旋翼、IBC和ACSR等系统中广泛应用的频域HHC算法，若将其应用到电控旋翼桨距控制中有需要解决以下方面的问题：（1）在频域内建立电控旋翼数学模型；（2）根据期望桨距信号的特征分析频域控制算法的收敛性和稳定性；（3）需要在时域内建立频域控制算法的整个仿真平台为算法的验证和试验做准备。
3、传统频域HHC算法的最大缺点在于控制信号更新速度慢。现代数字信号处理器的实时性得到了明显提升，可以有效的保证控制算法的实时运行，为辨识模型的更新和时域辨识算法提供了良好的平台，整体上提高了频域HHC控制算法的性能。
4、本文主要研究内容
研究目标
电控旋翼桨距控制是一个强非线性时变控制问题，且襟翼运动到桨叶变距之间的数学模型难以建立，为实现电控旋翼桨距的准确控制，本项目根据时域自适应滤波的噪声在线辨识控制方法和LMS/卡尔曼滤波的频域在线辨识最优控制两种控制方法，分别提出相应的电控旋翼桨距控制算法。针对利用电控旋翼同时实现旋翼主操纵和主动减振的问题，依据所提出的电控旋翼桨距时域和频域控制算法并结合相应的高阶谐波主动振动控制算法，提出能够同时实现桨叶变距和减振的高阶谐波自适应控制算法。最后利用电控旋翼试验平台对所提出的时域和频域桨距控制算法及高阶谐波控制算法开展试验研究，以验证算法的有效性，从而为电控旋翼的实用化奠定坚实的基础。
研究内容
1、根据时域自适应滤波的噪声在线辨识控制方法，提出了两种电控旋翼桨距时域控制改进算法：即缩放因子法和约束权函数法，通过仿真对所提算法的控制性能进行了分析。
2、根据频域控制原理，分别基于LMS和卡尔曼在线辨识，利用确定型最优控制原理提出电控旋翼桨距频域桨距自适应控制算法，并通过仿真研究两种辨识方法控制效果的差别。
3、分别基于时域和频域桨距控制方法，提出能够同时完成旋翼主操纵和主动减振的高阶谐波自适应控制算法，通过仿真研究旋翼主操纵和主动减振控制效果之间的相互影响，总结控制算法参数对控制效果的影响规律。
4、以TMSDSPF数字信号处理器为硬件平台，利用C语言分别编写用于验证时域和频域控制算法的实时运行软件，基于Labview编写相应的测控系统上位机软件。
5、利用电控旋翼试验台，针对所提出的桨距控制算法和高阶谐波控制算法开展试验验证工作，对比分析时域和频域控制算法的桨距控制效果，验证电控旋翼同时实现旋翼主操纵和主动减振的可行性。
创新点
本文创新点主要体现在以下几个方面：
1、在原有的时域自适应滤波桨距控制算法基础上提出了两种改进控制算法：缩放因子法和约束权函数法。首次针对桨距控制期望信号特征，基于根轨迹法分析了自适应滤波控制算法主动控制环节的收敛特性。通过仿真和试验研究同时验证了所提控制算法的可行性和优越性。
2、基于频域HHC控制原理，首次提出了电控旋翼桨距频域自适应控制算法和时域在线辨识的电控旋翼桨距频域控制算法，通过仿真和试验研究验证了频域自适应控制算法的有效性，并与时域自适应滤波控制算法的控制效果进行对比，分析了其各自的优缺点。
3、基于本文提出的高阶谐波自适应控制算法，首次通过试验验证了电控旋翼同时实现主操纵和主动减振的可行性。
5、总结和展望
全文总结
本文通过理论分析、仿真和试验等手段，对电控旋翼桨距自适应控制问题在时域和频域内进行了较为深入的研究，所开展的具体研究工作如下：
1、分析了原有时域桨距控制算法的缺点，针对其误差通道辨识环节误差反馈信号精准度差和主动控制滤波器稳定性不足等缺点，提出了两种改进算法：缩放因子法和约束权函数法。在频域内建立电控旋翼的数学模型，利用频域最优控制原理和频域卡尔曼辨识法提出了频域自适应桨距控制算法，进一步提出了时域在线辨识的频域自适应桨距控制改进算法。通过理论推导对各种控制算法的收敛性进行了分析，得到了算法的收敛条件。
2、针对所提出的控制算法，基于Matlab/Simulink开展了仿真研究。利用已有的试验数据根据最小二乘参数估计法得到控制对象的数学模型，分别建立了时域控制算法和频域控制算法仿真模型。通过仿真分析，证明缩放因子法可以提高桨距操纵的响应速度和控制精度；约束权函数法具有良好的抗噪声能力，而且能够提高控制系统的稳定性；频域自适应桨距控制算法适用于桨距操纵，时域在线辨识的频域自适应桨距控制算法则能够提高桨距操纵响应速度并能有效减小计算量。仿真研究为后续的试验研究奠定了基础。
3、为开展电控旋翼桨距控制试验研究，基于Labview和SEED-DPS开发了一套专用测控软件。在仿真工作的基础上，利用C语言编写了时域和频域控制算法代码。利用电控旋翼试验台上，分别针对缩放因子法、约束权函数法和频域自适应桨距控制算法开展了总距操纵和周期变距操纵等状态的试验研究，研究了控制参数对控制效果的影响，并对比分析了频域和时域控制算法的桨距控制效果。
4、最后，为验证同时实现电控旋翼主操纵和主动减振的可行性，基于前述研究工作，进一步提出了时域和频域高阶谐波自适应控制算法，并基于Matlab/Simulink完成了仿真研究。最终，在电控旋翼模型试验台上，开展了电控旋翼主操纵和高阶谐波主动减振试验研究，验证了两者同时实现的可行性。
后续工作展望
本文针对电控旋翼桨距控制和高阶谐波主动减振控制方法开展了理论分析和试验研究，但是由于时间限制，有许多工作还需要进一步开展深入研究。
1、实际上，电控旋翼从襟翼偏转到桨叶变距属于非线性传递环节，而本文采用的方法为线性控制理论，可以尝试采用非线性控制理论对桨距控制问题进行研究。
2、以线性控制方法为基础，考虑控制对象非线性、时滞等对控制效果的影响，在所提的控制算法中做相应的改进。
3、对于第二章中提出的时域在线辨识的频域自适应桨距控制算法，应进一步开展试验研究，验证其控制效果。
4、对于电控旋翼同时实现主操纵和主动减振问题，本文仅进行了初步的研究，今后可进一步深入开展针对此问题的理论和试验研究。
5、从理论上讲，旋翼周期变距操纵也可以通过挥舞角闭环控制实现，如能实现，对旋翼的控制将更加直接。建议对此种方式进行研究。
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