飞行器动力学建模与仿真

1、动力学、制导与控制（控制工程）提纲开课目的与课程介绍；飞行力学中的一些基本概念；飞行器飞行的力学原理；飞行器动力学与运动学方程组的建立;飞行器力学的模型简化与分析；飞行控制的设计；飞行轨迹与导引（制导）规律设计；一些新方法的介绍；第一部分课程介绍开课目的帮助学生理解控制知识怎样应用到实践中 去，理清思路。工程师没有学很多的理论，可是能解决很多实际 问题；而现在控制理论教学与研究的问题是：学 生学了很多理论和公式，却很茫然。学了很多数 学符号如何与工程师交流？只见树木，不见森林：越来越多的知识通过怎样 的途径才能联系起来？控制知识必须通过用力的 实际平台支撑。控制理论与工程之沟Save the

2、JACC!This situation has its humorous side. Here we have just gone through a decade in which the theory has flourished, and new methods of analysis have grown apace; and yet, we are hard put tc find corresponding applications to real problems. This embarrassing predicament has led us to hold learned

3、panel discussions on “The Gap between Theory and Practice.These panels, staffed with leading theoreticians, have automatically assumed that theory is ahead of practice, and they conclude that the solution lies in reeducating the designers. The establishnient has spoken.控制理论与工程之沟(2)Most designers are

4、 noticeably reluctant to lose caste by identifying themselves in public with tlie uneducated. However, they respond in private with wise cracks to the effect that “real problems to which the new tJieories apply form a set of measure zero J and they conclude that the solution lies in having all the t

5、heoreticians serve a three-year apprenticeship in design.系统工程的传承性控制工程对于广义的系统工程设计的指导价值9系统工程的传承性；传承与创新的关系；结合点“至少应该熟悉一个具体领域中的工程实 际问题，这样才能对这一学科的基本命题 、方法和结论有深刻的理解”。“没有工程技术的实际知识和实践经验， 就缺少完全理解和彻底掌握工程控制论的 基础”。一切都要经过实践的检验，要么辨明存在的价 值，要么放弃存在的理由。教学目的了解作为一个控制工程师或者系统工程师 最基本的工作流程和规范，怎样入手、分 析和解决问题以及如何进行系统验证；以飞行器为平台

6、，借助于直观的物理理解 和直觉，帮助学生深入理解和体会已学的 控制知识；帮助学生树立折中、辩证的系统观，抓住 事物的主要矛盾，简化问题，建立正确的 美学观念；课程特点新的专业知识点不是很多，而重点强调将 以前所学的知识综合；机理分析、物理直觉、数学推导分析与计 算机仿真的综合，中间的一些小作业也是 这几方面的综合，最终解往往不唯一；以系统工程设计的管理方式，将学生分成 几个小组，以组内讨论的方式进行完整的 设计流程，并择机在课堂上讲解并交流；基础知识要求牛顿力学基础；高等数学初步；数值计算方法；自动控制原理；现代控制理论部分知识；Matlab与C语言；涉及到的主要知识点关于受力分析的基本直觉和

7、一些基本概念（得到的 设计结果都从最直观的地方思考下是否合理）；泰勒展开（抓住主要矛盾的最基本手段）；数值求解微分方程组（描述一个对象）；根轨迹、与描述函数等频域知识；*状态观测器的设计；*数值逼近与非线性规划的思想；Matlab中主要基本控制分析函数的使用；熟练使用C或者C+语言；讲授特点以PPT为主线，遇到关键性的原理讲解时，以板 书推导为主，希望加深大家的印象。本PPT是从几个经典教材中提炼出来的，避免纠 结于过多的原理细节，回避过多的力学上的数学 描述而引起读者的茫然，采取让学生在实例使用 中逐渐理解的策略，这也是我本人的一个体会： 逐渐培养学生对于控制的感性认识，而避免抽象 的无处不

8、在的理性。类比于语言的教学，在很多 情况下，语感比语法更加重要。飞行器平台对于控制发展的影响莱特的第一架飞机在构造上没有与先前的 设计有多少特殊之处，唯一的差别是引入 了飞行舵面进行操纵，才能维持稳定的飞 行；钱学森的工程控制论就是其在Caked 过以飞行器为平台讲授控制原理的基础上 丰富完善的；飞行器平台与系统工程人才培养在我国，以飞行器为研制主体的航空航天 领域是目前国内少有的独立进行完全控制 系统设计的单位，经过多年的不断完善， 这一条流水线上培养的控制工程师经过了 系统而严格的训练，不仅在控制领域具有 丰富的经验，而且控制工程师也是培养总 设计师最多的分系统专业，因为这个专业 需要全面

9、系统的分析和理解问题。飞行器平台与系统工程人才培养(2)国内以航空航天为特色的院校，在控制领 域都具有很强的实力，这也充分说明了控 制的学习与研究如果脱离了实际对象将成 为无源之水，无本之木。课程主要内容飞行器动力学的力学基础（解释飞行器为何 能飞以及改变其飞行状态的机理）;彳J（飞行器的飞行轨迹是怎样设计的以完成特定的任务）；（怎样通过操纵执行机构使得飞行器能够跟踪制导指令）；一些现代新方法在飞行器制导与控制上的 应用。本课程的重点针对对象主耍以大气层内的有翼飞行器为重点对象.一则与我们更加 接近，更容易为大家所理解;二则这个对象的一些主要分析研 究方法和思想,可以为更广泛的领域所借鉴.有翼

10、式飞行器飞行器的升力基本由弹翼提供常见的翼形导行力学式&芳林再华起及另&北京理工大学出版社Missile GuidanceandControl SystemsGEORGE M. S I O U R I S中08巾炊工程*食 上万交也大学CI*n*t9t9S9XW工程控制论（新世纪版）钱学门 ft淡力I上用我大学士屈伏怎样学习与读书在有经验的教师指导下有选理的读特定的章节， 而不是通篇浏览，否则会索款乏味，不知所云， 彝雷翻越多，受到的思想束缚也越多，成为霾留.毒师生流迷惑的问题，可能得到很简单便蕊繇上热不麓警徽盘爵与编制霸嬲雅回歌神卷篇粕梳理出条理，课程介绍结束第二部分飞行力学中的基本概念基本

11、概念飞行器的受力；升力如何产生；制导、导航与控制的关系；飞机为何能飞推力来源：发动机.阻力来源：空气对机身的阻力和摩擦力.升力来源：伯努利原理.重力来源：万有引力.飞机为何能飞(2)Bernoulli s equation ：p + 一0J. + 网 1 = ( )nst.2氮流方向p is the prcjuurc at the point/isthe demitv of the thud a( .ill pmu in the fluid r u the lluid ckcily M a point on a sueunhne g 6 the xkrafnx)due ta vitvh e d

12、ie height of the |x、int 遇 reference plnne伯努利原理飞机为何能飞(3)弓形机翼明显看出气流在经过机翼上面的 时候所过的路程显然大于气流在经过机翼 下面的时候所过的路程，所以机翼上端的 气流流速大于机翼下端，所以机翼下端的 压力就大于机翼上端，产生了压力差，升 力就造麽崖生了。制导、导航与控制(GNC)：规划出一条航行轨迹；:测量飞行器的实际姿态 与位置；:操纵飞行器沿着规划好的 航行轨迹运动。对应于标准的反馈控制框图，GNC分别对应于哪些元素?历史发展1936年，德国开始进行“制导火箭”研究工程。著名的V1和V2导弹，是现代制导武器的鼻祖，地地导弹。V1

13、导弹倾斜发射，飞行完预设的距离后，转动升降舵，掉头俯冲攻击目标。大约飞行370km,使用自动驾驶仪，核心是陀螺。V2导弹投入实用，造成了很大心理威慑。系统组成：方向陀螺进行航向稳定+时间驱动的怵仰指令机构；轴向积分加速度 计，当速度达到要求时，关闭发动机。使用了最早的与现今高精度巡航导弹的差别：小闭环与大闭环飞行力学中的基本概念结束第三部分飞行力学的分析飞行器的力学分析飞行器的力学特性是其作为一个被控对象 的特性，是研究飞行器制导与控制的基础. 作为一个系统工程师或者控制工程师，只 有对于对象本身特性有深入的了解，才可 能针对其具体问题有的放矢。飞行器力学范畴飞机飞行力学；直升机飞行力学；导弹

14、飞行力学；空间飞行器飞行力学；一个可能的认识误区许多人认为，航空或者航天的动力学特性 很复杂。其实不然，作为运动控制中主要 分支，飞行器动力学基本上都可以使用牛 顿定律很清晰的进行机理建模，而不象一 些化工过程那样机理黑箱，只能进行近似 建模或者数值逼近。回忆牛顿力学平动的方程；转动的方程；作为刚体的飞行器质心的移动：力的影响：包括 ，发动机的推力和 重力。绕质心的转动：相对于质心的力矩,，包括 推力矩。两个重要坐标系研究 时，以为基准（O取在飞行器的质心上，0 x3轴与速度矢量重合，Oy3轴位于 机体纵向对称平面内0 x3轴垂直，指向上为正）；研究时，以为基准（0 x1轴与机体纵轴重合，Oy

15、l轴位于机体纵向对称平面内 0 x1轴垂直，指向上为正）；气动力与力矩的大小和方向，则和上述 的 相关。系图迎角：飞行力学中:又叫气流角，包括迎角在飞行力学，也就是作为控制对象的飞行器的特性建 模中，具有基础和核心的作用。正如同没有反馈就没有控 制一样，没有迎角就没有飞行力学，也就无从谈上飞行器的设计。速度坐标系与弹体坐标系之间的相对方位可由两个角度确定垂直分量是攻角”(2)水平分量是侧滑角(3机翼的特性参数翼面积S弹翼平面的投影面积，常作为特征面积;翼展I左、右翼端之间垂直于弹体纵向对称面的 距离；平均几何弦长力曲翼面积S对翼展长1之比值，即bAg=S/ I ；平均气动力弦长瓦4与实际弹翼面

16、积相等且力矩特 性相等的当量矩形翼的弦长， 常作为特征长度；三大作用力阻力顼酚（反向于0 x3,减速）升力（正向于Oy3,引起高度变化）侧力/ （正向于Oz3,引起侧向位置变化）X引起速度大小变化，Y和Z引起速度方向变化，是法向力对于一般的GNC问 题，主要就是通过 气动力变化改变Y 和Z从而调节飞行 轨迹，而调节速度 大小主要是发动机 推力的功能。动压X=cx*q*SMa=V/V0Y=cy*q*SZ=cz*q*S一般来说，各个力系数是Ma数的函数升力系数的工程简易计算公式面对称： cy = Cy0 + Cya + Cyz8z轴对称： cy = Cya +6 z一般来说，以上各个偏导系数都是M

17、a数的函数攻角a提供的升力分量占到绝大部分，超过90%,因此只有改变a才能真 正影响升力的变化进而改变飞行器的高度；升降舵的改变不是用来直 接影响升力的，而是通过调节OC间接影响升力的（）。阻力系数的特点迎角越大，阻力系数越大注意观察几个控制舵的位置力的作用点，压心（主要受Ma数 影响），十分重要飞行轨迹控制的机理：力到力矩从前面的分析中，可以知道舵是间接改变升力的。舵直接改变的是力矩的平衡关系,导致飞行器姿态发生改变，而速度轴的改变由于滞后的影响，机体轴与速度轴之间的差角发生改变，也就是迎角发生变化, 从而产生了气动力的变化。三大力矩MzMy MxMx mxqSL My = iriyqSL Mz = mzqSL俯仰力矩工程简易计算公式M7 = f (M, Hf a, 8/t a)z, a, 5Z)小攻角和舵偏角情况下：_mz = mz() + m()a + m5/8 z + m(a +_3?乙_ aL -67L%= 7=歹应=歹最关键的主要3项(第2到4