自动驾驶仪程序报告

精品文档 1欢迎下载 弹箭飞行控制原理弹箭飞行控制原理 实验报告实验报告 姓姓 名名 学学 号号 精品文档 2欢迎下载 专专 业 武器系统与发射工程业 武器系统与发射工程 一 实验目的一 实验目的 1 深入理解弹箭飞行控制自动驾驶仪的功能 2 掌握弹箭线性化传递函数的一般计算方法 3 掌握各种典型自动驾驶仪结构 具有一定地自动驾驶仪参数设计与分析 能力 4 增强对制导弹箭飞行控制系统的认识 理解 工程设计能力 锻炼通过 实验验证分析控制系统动态品质的动手能力 二 实验内容和项目二 实验内容和项目 1 1 实验内容实验内容 1 制导弹箭自动驾驶仪功能及工作过程演示实验 结合课堂教学内容和弹箭自动驾驶仪模拟系统 观摩自动驾驶仪的功能和 工作过程 理解其在实际飞行控制系统中的作用 2 弹箭线性化传递函数的计算实验 根据课堂教学要求和制导弹箭飞行弹道方案 计算各个特征点上的动力学 系数 进而获得弹体传递函数系数 在进行实验课时 学生可以将自己的计算 精品文档 3欢迎下载 结果与软件中内置的弹体传函参数进行比较 检查自己的计算结果 3 弹箭典型控制系统的设计及性能分析实验 根据课堂教学和弹体传递函数计算结果 在实验课中 通过操作 弹箭飞 行控制与软件设计系统 在自动驾驶仪结构图上 按照从内环到外环的顺序 逐步进行时域分析和频域分析 了解各个参数的影响和作用 并确定控制系统 的控制参数 然后进行六自由度弹道仿真验证控制参数的正确性 2 2 实验要求实验要求 1 独立完成实验 撰写试验报告 2 提交实验相关程序 三 实验人员和实验时间三 实验人员和实验时间 设计人员 夏斌 设计时间 6 20 四 实验设备四 实验设备 弹箭飞行控制设计系统 五 实验步骤及过程五 实验步骤及过程 1 1 根据初始弹道条件和弹道方案 计算方案弹道和导引弹道 2 2 分别根据设计要求 选择下滑段 等高巡航段 末制导段典型特征点 计 算动力学系数和传递函数 3 3 设计俯仰 滚转和偏航通道的控制器参数 并进行时域和频域的动态品质 精品文档 4欢迎下载 分析 4 4 进行六自由度弹道仿真验证 并绘制弹道参数曲线 六自由度弹道输出参 数为 时间 x y z V 弹道倾角 弹道偏角 质量m 马赫数Ma 俯仰 角 偏航角 滚转角 攻角 侧滑角 速度倾斜角 俯仰指令 分段改变 偏航指令 分段改变 阶段标志 1 初始阶段 2 中制导 3 末制导 5 5 撰写实验报告 六 六 实验结果与分析实验结果与分析 1 1 建立弹道模型建立弹道模型 建立弹道模型 起始点坐标为 0 7100m 初速 260m s 目标 x0 0 0 位置 12000m 0 1 初始发射段方程组 初始发射段采用俯仰角控制方案 方案俯仰角 2 0 sin5 t o 精品文档 5欢迎下载 0 m sin cos cossin sincos 1 z cm dt d V dt dy V dt dx mgYP dt d mV mgXP dt dV m 2 巡航段方程组 巡航段采用高度控制方案 方案高度 俯仰角7000H YP mg 0 7000 0 cos 0 0 sincos 1 z c YP mg HH m dt dm y dt dy V dt dx dt d mgXP dt dV m 精品文档 6欢迎下载 3 末端攻击段方程组 末端攻击段采用比例导引 导引律为 q4 0 cos cos sinq m sin cos 4 sincos 22 z TT c YP mgmV TT r r YYVXXV dt d m dt d V dt dy V dt dx q dt d mgXP dt dV m YYXX 2 2 特征点的动力学系数和传递函数特征点的动力学系数和传递函数 按正常式布局导弹 1 列写 a22 等动力学系数表达式 z z J zM a 22 Z Z J M a 24 z z J zM a 25 mV YP a 34 2 列写 1MM T T M K 243422 24353425 aaa aaaa K M 精品文档 7欢迎下载 342224 1 aaa TM 24353425 25 2435 1 aaaa aaa T 342224 34 2422 2aaa aaa M 3 写出传递函数表达式 俯仰通道传递函数为 1 22 1 21 zM zMMM sKTs sT sTs 其中 a1 a22 a2 a24 a3 a25 a4 a34 a5 a35 参数 特征点 a1a2a3a4a5 M K M T M 1 T 第一转折点 0 005 1 699 4 136 540 9 301 2 487 6 0 413 1 1 510 8 0 037 8 0 047 1 0 511 9 第二转折点 0 004 9 805 5 900 615 3 198 2 809 5 0 472 2 1 673 7 0 035 2 0 049 6 0 456 3 动压最大点 0 011 3 1547 6 1220 4 6 242 1 0 226 2 3 835 5 0 025 4 0 079 5 0 205 6 动压最小点 0 004 589 6 469 9 2 2670 398 1 498 0 0380 0470 516 精品文档 8欢迎下载 7635341917007 攻角最大点 0 005 1 699 4 138 540 9 297 2 487 6 0 413 1 1 498 7 0 038 0 0 047 0 0 516 7 过载最大点 0 005 1 699 4 136 540 9 301 2 487 6 0 413 1 1 510 8 0 037 8 0 047 1 0 511 9 3 3 俯仰通道控制器参数设计并进行时域和频域的动态品质分析俯仰通道控制器参数设计并进行时域和频域的动态品质分析 姿态控制回路 选取需用过载最大点作为特征点进行参数设计 参数 a1参数 a2参数 a3参数 a4舵机比例参数舵机时间参数 0 0051 699 4136 540 93012 487611 在设计中只是从整个的传递函数着手 系统的开环传递函数 1 22 1 21 zM zMMM sKTs sT sTs 设计结果 Kwz频域设计时域设计 幅值裕 度 db 相角裕度 穿越频率 Hz 超调量 上升时间 s 调节时间 s 内 回 路 0 080 Inf91 355 84630 0050 240 精品文档 9欢迎下载 控制参数频域设计时域设计 KpKi赋值裕 度 db 相角裕度 穿越频率 Hz 超调量 上升时 间 s 调节时 间 s 外 回 路 25180Inf78 624 590 2501 800 设计结果分析 1 俯仰回路姿态控制内回路频域响应 Bode 图 2 俯仰回路姿态控制内回路时域阶跃响应图 精品文档 10欢迎下载 3 俯仰回路姿态控制外回路频域响应 Bode 图 精品文档 11欢迎下载 4 俯仰回路姿态控制外回路时域阶跃响应图 4 4 进行六自由度弹道仿真验证 并绘制弹道参数曲线进行六自由度弹道仿真验证 并绘制弹道参数曲线 弹道曲线 设计的理论参数曲线 1 y x 曲线 精品文档 12欢迎下载 2 y t 曲线 3 攻角Apa t曲线 精品文档 13欢迎下载 4 V t曲线 5 弹道倾角曲线 精品文档 14欢迎下载 6 俯仰舵偏角曲线 z 精品文档 15欢迎下载 七 七 实验结论实验结论 1 1 各回路的作用 内环回路为阻尼回路 作用是提高增稳回路的稳定性 保证整个飞行过程中有 较好的动态性能 使弹体更好的跟随动态制导指令的变化 外环回路是稳增回路 作用是增加回路的稳定性 改善导弹的动态性能 2 2 姿态控制回路参数设计步骤 1 计算 wz K 内回路的传递函数为 1 1 2 2 2 1 1 根据期望的阻尼系数为0 707来计算相应的控制参数 表达式如下 2 2 2 2 4 4 其中的 2 1 2 1 通过公式求解出为 0 080 2 求 p K 在设计时 应将所在的支路断开 此时的开环传递函数为 p K i K 1 1 2 2 2 1 1 所在的回路为增稳回路 增稳回路的带宽与导弹固有频率为 p K 精品文档 16欢迎下载 将W换算成频域形式 令 W 1 计算出为25 1 p K 3 求 所在的回路为制导回路 此时系统的开环传递函数为 1 1 2 2 2 2 1 1 制导回路带宽为 将W转换成频域形式 此时令 W 1 计算出 1 2 为180 九 问题分析及解决方法九 问题分析及解决方法 1 程序首先开始是根据弹道方程 通过龙格库塔法计算出弹道方程 上个学 期使用c语言编写程序 这个学期改用MATLAB编写 在编写的过程中在程序的调 用 飞行各个过程的划分中遇到了一些问题 通过了向之前用过MATLAB的同学 请教最后计算出飞行轨迹 2 接下来是进行弹道特征点的选择 我没有编写专门的程序进行编写 而是 通过查看弹道轨迹数据手动选择 将选出的特征点的V H M输进程序计算 1 3 接下来是进行 的选择 在没有控制的情况下 系统非常不稳定 精品文档 17欢迎下载 在程序刚开始编制的时候 我先是使用了多次尝试的方法 画出 在不同情况下的各种时域响应图然后根据图像选择最后的情况 之后上课的 PPT上讲了详细的 的计算方法 我又重新计算了结果得到了更好的制 导结果 十 附件程序说明十 附件程序说明 1 MATLAB文件包含6个M函数 分别为主程序mainzhuhanshu m 微分方程函 数dxl 特征点计算好h1 m h2 m h3 m 控制参数计算函数r1 m 2 程序图像文件包含轨迹图像和时域图 伯德图 clc clear close all R0 1 225 1 0 2 0323 10 5 7100 4 83 S 0 456 精品文档 18欢迎下载 q0 0 5 R0 260 260 tspan 0 0 05 60 nspan 260 0 0 7100 225 0 q0 0 0 t y ode45 dxl tspan nspan figure 1 plot t y 1 r LineWidth 2 grid on title V T xlabel t s ylabel v m s figure 2 plot y 3 y 4 r LineWidth 2 grid on title Y X xlabel x m ylabel y m figure 3 plot t y 2 r LineWidth 2 grid on title T xlabel t s ylabel theta rad figure 4 plot t y 4 r LineWidth 2 grid on title Y T xlabel t s ylabel y m figure 5 精品文档 19欢迎下载 plot t y 6 r LineWidth 2 grid on title T xlabel t s ylabel alpha figure 6 plot t y 7 r LineWidth 2 grid on title q T xlabel t s ylabel q pa figure 7 plot t y 8 r LineWidth 2 grid on title N T xlabel t s ylabel n m s 2 figure 8 plot t y 9 r LineWidth 2 grid on title T xlabel t s ylabel dz clc clear 精品文档 20欢迎下载 close all S 0 456 p 3000 m 225 L 2 358 Jz 60 85 Jy 60 85 Jx 3 45 Vnmax 283 68 Hnmax 6986 8 qnmax 23026 mnmax 220 8 manmax Vnmax 20 046 288 34 5 86 0 001 Hnmax 0 5 MA 0 6 0 8 0 9 1 0 1 2 MA CX0 0 2000 0 2210 0 2315 0 2420 0 2500 CXAA 0 0005 0 0005 0 0005 0 0005 0 0005 CYA 0 2505 0 253 0 254 0 255 0 256 CYDZ 0 04 0 047 0 043 0 045 0 045 MZA 0 0290 0 0298 0 0300 0 0302 0 0302 MZDZ 0 0220 0 0240 0 0232 0 0230 0 0234 MZWZ 0 002 0 0015 0 0015 0 0012 0 0016 MXWX 0 0002 0 00045 0 0005 0 00052 0 00052 MXDZ 0 0028 0 0027 0 0028 0 0028 0 0028 gnmax 9 806 1 0 2 Hnmax 6371000 R 1 225 1 0 2 0323 10 5 Hnmax 4 83 cx0 spline MA CX0 manmax 精品文档 21欢迎下载 cxaa spline MA CXAA manmax cya spline MA CYA manmax cydz spline MA CYDZ manmax mza spline MA MZA manmax mzdz spline MA MZDZ manmax mzwz spline MA MZWZ manmax mxwx spline MA MXWX manmax mxdz spline MA MXDZ manmax a22 mzwz qnmax S L L Jz Vnmax a24 57 3 mza qnmax S L Jz a25 57 3 mzdz qnmax S L J z a34 57 3 cya qnmax S p mnmax Vnmax a35 57 3 cydz qnmax S mnmax Vnmax Kmm a25 a34 a35 a24 a22 a34 a24 Km Tmm 1 a24 a22 a34 0 5 Tm Emm a22 a34 a24 a22 a34 0 5 2 m T1m a25 a25 a34 a35 a24 T1 P1m A33 A34 A22 A11 P2m A31 A14 A31 A13 A22 A33 A22 A34 A24 A33 A11 A34 A11 A22 A11 P3m A21 A14 A31 A22 A14 A22 A31 A13 A24 A33 A22 A33 A11 A22 A34 A11 A24 A11 P4m A21 A33 A14 A13 A21 A34 A24 A31 A13 A24 A33 A11 num Kmm T1m den Tmm 2 2 Tmm Emm 1 精品文档 22欢迎下载 clc clear close all S 0 456 p 3000 m 225 L 2 358 Jz 60 85 Jy 60 85 Jx 3 45 Vnmax 260 Hnmax 7100 qnmax 19507 mnmax 225 manmax Vnmax 20 046 288 34 5 86 0 001 Hnmax 0 5 MA 0 6 0 8 0 9 1 0 1 2 MA CX0 0 2000 0 2210 0 2315 0 2420 0 2500 CXAA 0 0005 0 0005 0 0005 0 0005 0 0005 CYA 0 2505 0 253 0 254 0 255 0 256 CYDZ 0 04 0 047 0 043 0 045 0 045 MZA 0 0290 0 0298 0 0300 0 0302 0 0302 MZDZ 0 0220 0 0240 0 0232 0 0230 0 0234 MZWZ 0 002 0 0015 0 0015 0 0012 0 0016 MXWX 0 0002 0 00045 0 0005 0 00052 0 00052 MXDZ 0 0028 0 0027 0 0028 0 0028 0 0028 gnmax 9 806 1 0 2 Hnmax 6371000 精品文档 23欢迎下载 R 1 225 1 0 2 0323 10 5 Hnmax 4 83 cx0 spline MA CX0 manmax cxaa spline MA CXAA manmax cya spline MA CYA manmax cydz spline MA CYDZ manmax mza spline MA MZA manmax mzdz spline MA MZDZ manmax mzwz spline MA MZWZ manmax mxwx spline MA MXWX manmax mxdz spline MA MXDZ manmax a22 mzwz qnmax S L L Jz Vnmax a24 57 3 mza qnmax S L Jz a25 57 3 mzdz qnmax S L J z a34 57 3 cya qnmax S p mnmax Vnmax a35 57 3 cydz qnmax S mnmax Vnmax Kmm a25 a34 a35 a24 a22 a34 a24 Km Tmm 1 a24 a22 a34 0 5 Tm Emm a22 a34 a24 a22 a34 0 5 2 m T1m a25 a25 a34 a35 a24 T1 clc clear close all S 0 456 精品文档 24欢迎下载 p 3000 m 225 L 2 358 Jz 60 85 Jy 60 85 Jx 3 45 Vnmax 289 39 Hnmax 0 qnmax 51114 mnmax 189 0851 manmax Vnmax 20 046 288 34 5 86 0 001 Hnmax 0 5 MA 0 6 0 8 0 9 1 0 1 2 MA CX0 0 2000 0 2210 0 2315 0 2420 0 2500 CXAA 0 0005 0 0005 0 0005 0 0005 0 0005 CYA 0 2505 0 253 0 254 0 255 0 256 CYDZ 0 04 0 047 0 043 0 045 0 045 MZA 0 0290 0 0298 0 0300 0 0302 0 0302 MZDZ 0 0220 0 0240 0 0232 0 0230 0 0234 MZWZ 0 002 0 0015 0 0015 0 0012 0 0016 MXWX 0 0002 0 00045 0 0005 0 00052 0 00052 MXDZ 0 0028 0 0027 0 0028 0 0028 0 0028 gnmax 9 806 1 0 2 Hnmax 6371000 R 1 225 1 0 2 0323 10 5 Hnmax 4 83 cx0 spline MA CX0 manmax cxaa spline MA CXAA manmax cya spline MA CYA manmax 精品文档 25欢迎下载 cydz spline MA CYDZ manmax mza spline MA MZA manmax mzdz spline MA MZDZ manmax mzwz spline MA MZWZ manmax mxwx spline MA MXWX manmax mxdz spline MA MXDZ manmax a22 mzwz qnmax S L L Jz Vnmax a24 57 3 mza qnmax S L Jz a25 57 3 mzdz qnmax S L J z a34 57 3 cya qnmax S p mnmax Vnmax a35 57 3 cydz qnmax S mnmax Vnmax Kmm a25 a34 a35 a24 a22 a34 a24 Km Tmm 1 a24 a22 a34 0 5 Tm Emm a22 a34 a24 a22 a34 0 5 2 m T1m a25 a25 a34 a35 a24 T1 n Km1 1 5108 Tm1 0 0378 Em1 0 0471 T11 0 5119 Kwz Kwz 0 080 1 num Kwz Km1 T11 Kwz Km1 精品文档 26欢迎下载 den Tm1 2 2 Tm1 Em1 1 Gs1 tf num den Gm1 Pm1 Wcg1 Wcp1 margin Gs1 sys1 feedback Gs1 1 t 0 0 01 6 y step sys1 t figure 1 plot t y grid on title Unit Step Response kwz 0 080 xlabel Time seconds figure 2 margin num den grid on Kp ki Kp 25 Ki 180 kp ki ki kp kp 1 ki num Kp Kwz Km1 T11 Kwz Km1 Kp Ki T11 Kwz Km1 Ki den Tm1 2 2 Tm1 Em1 Kwz Km1 T11 1 Kwz Km1 0 0 figure 3 margin num den grid on Gs13 tf num den sys13 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