《飛行器動力學建模與仿真.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《飛行器動力學建模與仿真.ppt（73頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、動力學、制導與控制(控制工程),提綱,開課目的與課程介紹； 飛行力學中的一些基本概念； 飛行器飛行的力學原理； 飛行器動力學與運動學方程組的建立； 飛行器力學的模型簡化與分析； 飛行控制的設計； 飛行軌跡與導引(制導)規(guī)律設計； 一些新方法的介紹；,第一部分,課程介紹,開課目的,幫助學生理解控制知識怎樣應用到實踐中去，理清思路。,,工程師沒有學很多的理論，可是能解決很多實際問題；而現(xiàn)在控制理論教學與研究的問題是：學生學了很多理論和公式，卻很茫然。學了很多數(shù)學符號如何與工程師交流？ 只見樹木，不見森林：越來越多的知識通過怎樣的途徑才能聯(lián)系起來？控制知識必須通過用力的實際平臺支撐。,控制理論與工程

2、之溝(1),控制理論與工程之溝(2),系統(tǒng)工程的傳承性,控制工程對于廣義的系統(tǒng)工程設計的指導價值； 系統(tǒng)工程的傳承性； 傳承與創(chuàng)新的關(guān)系；,結(jié)合點,“至少應該熟悉一個具體領(lǐng)域中的工程實際問題，這樣才能對這一學科的基本命題、方法和結(jié)論有深刻的理解”。 “沒有工程技術(shù)的實際知識和實踐經(jīng)驗，就缺少完全理解和徹底掌握工程控制論的基礎” 。,一切都要經(jīng)過實踐的檢驗，要么辨明存在的價值，要么放棄存在的理由。,教學目的,了解作為一個控制工程師或者系統(tǒng)工程師最基本的工作流程和規(guī)范，怎樣入手、分析和解決問題以及如何進行系統(tǒng)驗證； 以飛行器為平臺，借助于直觀的物理理解和直覺，幫助學生深入理解和體會已學的控制知識；

3、 幫助學生樹立折中、辯證的系統(tǒng)觀，抓住事物的主要矛盾，簡化問題，建立正確的美學觀念；,課程特點,新的專業(yè)知識點不是很多，而重點強調(diào)將以前所學的知識綜合； 機理分析、物理直覺、數(shù)學推導分析與計算機仿真的綜合，中間的一些小作業(yè)也是這幾方面的綜合，最終解往往不唯一； 以系統(tǒng)工程設計的管理方式，將學生分成幾個小組，以組內(nèi)討論的方式進行完整的設計流程，并擇機在課堂上講解并交流；,基礎知識要求,牛頓力學基礎； 高等數(shù)學初步； 數(shù)值計算方法； 自動控制原理； 現(xiàn)代控制理論部分知識； Matlab與C語言；,涉及到的主要知識點,關(guān)于受力分析的基本直覺和一些基本概念(得到的設計結(jié)果都從最直觀的地方思考下是否合理

4、)； 泰勒展開(抓住主要矛盾的最基本手段)； 數(shù)值求解微分方程組(描述一個對象)； 根軌跡、穩(wěn)定裕度(工程師的吃飯家伙)與描述函數(shù)等頻域知識； *狀態(tài)觀測器的設計； *數(shù)值逼近與非線性規(guī)劃的思想； Matlab中主要基本控制分析函數(shù)的使用； 熟練使用C或者C++語言；,講授特點,以PPT為主線，遇到關(guān)鍵性的原理講解時，以板書推導為主，希望加深大家的印象。 本PPT是從幾個經(jīng)典教材中提煉出來的，避免糾結(jié)于過多的原理細節(jié)，回避過多的力學上的數(shù)學描述而引起讀者的茫然，采取讓學生在實例使用中逐漸理解的策略，這也是我本人的一個體會：逐漸培養(yǎng)學生對于控制的感性認識，而避免抽象的無處不在的理性。類比于語言的

5、教學，在很多情況下，語感比語法更加重要。,飛行器平臺對于控制發(fā)展的影響,萊特的第一架飛機在構(gòu)造上沒有與先前的設計有多少特殊之處，唯一的差別是引入了飛行舵面進行操縱，才能維持穩(wěn)定的飛行； 錢學森的工程控制論就是其在Caltec通過以飛行器為平臺講授控制原理的基礎上豐富完善的；,飛行器平臺與系統(tǒng)工程人才培養(yǎng)(1),在我國，以飛行器為研制主體的航空航天領(lǐng)域是目前國內(nèi)少有的獨立進行完全控制系統(tǒng)設計的單位，經(jīng)過多年的不斷完善，這一條流水線上培養(yǎng)的控制工程師經(jīng)過了系統(tǒng)而嚴格的訓練，不僅在控制領(lǐng)域具有豐富的經(jīng)驗，而且控制工程師也是培養(yǎng)總設計師最多的分系統(tǒng)專業(yè)，因為這個專業(yè)需要全面系統(tǒng)的分析和理解問題。,飛行

6、器平臺與系統(tǒng)工程人才培養(yǎng)(2),國內(nèi)以航空航天為特色的院校，在控制領(lǐng)域都具有很強的實力，這也充分說明了控制的學習與研究如果脫離了實際對象將成為無源之水，無本之木。,課程主要內(nèi)容,飛行器動力學的力學基礎(解釋飛行器為何能飛以及改變其飛行狀態(tài)的機理)； 飛行器的制導(飛行器的飛行軌跡是怎樣設計的以完成特定的任務)； 飛行器的控制(怎樣通過操縱執(zhí)行機構(gòu)使得飛行器能夠跟蹤制導指令)； 一些現(xiàn)代新方法在飛行器制導與控制上的應用。,本課程的重點針對對象,主要以大氣層內(nèi)的有翼飛行器為重點對象.一則與我們更加接近,更容易為大家所理解;二則這個對象的一些主要分析研究方法和思想,可以為更廣泛的領(lǐng)域所借鑒.,有翼式

7、飛行器,飛行器的升力基本由彈翼提供,常見的翼形,怎樣學習與讀書,在有經(jīng)驗的教師指導下有選擇的讀特定的章節(jié)，而不是通篇瀏覽，否則會索然乏味，不知所云，或者書讀得越多，受到的思想束縛也越多，成為文字的奴隸； 主動跟老師交流迷惑的問題，可能得到很簡單便捷的理解； 對于不太多也不很繁瑣的作業(yè)自己推導與編程，熟悉整個流程，思考一下物理合理性； 適當時候系統(tǒng)回顧一下所學的東西，梳理出條理，理解物理本質(zhì)，取其精華，去其糟粕。,課程介紹,結(jié)束,第二部分,飛行力學中的基本概念,基本概念,飛行器的受力； 升力如何產(chǎn)生； 制導、導航與控制的關(guān)系；,飛機為何能飛(1),推力來源：發(fā)動機.,阻力來源：空氣對機身 的阻

8、力和摩擦力.,升力來源：伯努利原理.,重力來源：萬有引力.,飛機為何能飛(2),伯努利原理,飛機為何能飛(3),弓形機翼明顯看出氣流在經(jīng)過機翼上面的時候所過的路程顯然大于氣流在經(jīng)過機翼下面的時候所過的路程，所以機翼上端的氣流流速大于機翼下端，所以機翼下端的壓力就大于機翼上端，產(chǎn)生了壓力差，升力就這麼產(chǎn)生了。,制導、導航與控制(GNC),制導(Guidance)：規(guī)劃出一條航行軌跡； 導航(Navigation)：測量飛行器的實際姿態(tài)與位置； 控制(Control)：操縱飛行器沿著規(guī)劃好的航行軌跡運動。,對應于標準的反饋控制框圖，GNC分別對應于哪些元素？,歷史發(fā)展,1936年，德國開始進行“制

9、導火箭”研究工程。,著名的V1和V2導彈，是現(xiàn)代制導武器的鼻祖，地地導彈。,V1導彈傾斜發(fā)射，飛行完預設的距離后，轉(zhuǎn)動升降舵，掉頭俯沖攻擊目標。 大約飛行370km，使用自動駕駛儀，核心是陀螺。,V2導彈投入實用，造成了很大心理威懾。精度：16km/322km 系統(tǒng)組成：方向陀螺進行航向穩(wěn)定+時間驅(qū)動的俯仰指令機構(gòu)；軸向積分加速度計，當速度達到要求時，關(guān)閉發(fā)動機。使用了最早的陀螺與加速度計,與現(xiàn)今高精度巡航導彈的差別：小閉環(huán)與大閉環(huán),飛行力學中的基本概念,結(jié)束,第三部分,飛行力學的分析,飛行器的力學分析,飛行器的力學特性是其作為一個被控對象的特性，是研究飛行器制導與控制的基礎.作為一個系統(tǒng)工程

10、師或者控制工程師，只有對于對象本身特性有深入的了解，才可能針對其具體問題有的放矢。,飛行器力學范疇,飛機飛行力學； 直升機飛行力學； 導彈飛行力學； 空間飛行器飛行力學；,一個可能的認識誤區(qū),許多人認為，航空或者航天的動力學特性很復雜。其實不然，作為運動控制中主要分支，飛行器動力學基本上都可以使用牛頓定律很清晰的進行機理建模，而不象一些化工過程那樣機理黑箱，只能進行近似建模或者數(shù)值逼近。,回憶牛頓力學,平動的方程； 轉(zhuǎn)動的方程；,作為剛體的飛行器,質(zhì)心的移動：力的影響：包括空氣動力，發(fā)動機的推力和 重力。,繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動：相對于質(zhì)心的力矩,，包括空氣動力矩， 推力矩。

11、,兩個重要坐標系,研究氣動力時，以速度坐標系為基準(O取在飛行器的質(zhì)心上，Ox3軸與速度矢量重合，Oy3軸位于機體縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)Ox3軸垂直，指向上為正)； 研究氣動力矩時，以機體坐標系為基準(Ox1軸與機體縱軸重合，Oy1軸位于機體縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)Ox1軸垂直，指向上為正) ； 氣動力與力矩的大小和方向，則和上述兩個坐標系之間的旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)。,兩個重要的坐標系圖,迎角：飛行力學中最基本的概念,迎角：又叫氣流角，包括攻角和側(cè)滑角。,迎角在飛行力學，也就是作為控制對象的飛行器的特性建模中，具有基礎和核心的作用。正如同沒有反饋就沒有控制一樣，沒有迎角就沒有飛行力學，也就無從談上飛行器的設計。,速度坐

12、標系與彈體坐標系之間的相對方位可由兩個角度確定： (1)垂直分量是攻角 (2)水平分量是側(cè)滑角,機翼的特性參數(shù),翼面積S彈翼平面的投影面積，常作為特征面積；,,,,三大作用力,阻力X(D) (反向于Ox3，減速) 升力Y(L) (正向于Oy3，引起高度變化) 側(cè)力Z (正向于Oz3，引起側(cè)向位置變化) X引起速度大小變化，Y和Z引起速度方向變化，是法向力,動壓q=1/2V2,,,一般來說，各個力系數(shù)是Ma數(shù)的函數(shù),對于一般的GNC問題，主要就是通過氣動力變化改變Y和Z從而調(diào)節(jié)飛行軌跡，而調(diào)節(jié)速度大小主要是發(fā)動機推力的功能。,X=cx*q*S Y=cy*q*S Z=cz*q*S,升力系數(shù)的工程簡

13、易計算公式,一般來說，以上各個偏導系數(shù)都是Ma數(shù)的函數(shù),,面對稱:,軸對稱:,攻角提供的升力分量占到絕大部分，超過90%，因此只有改變才能真正影響升力的變化進而改變飛行器的高度；升降舵z的改變不是用來直接影響升力的，而是通過調(diào)節(jié)間接影響升力的(飛行控制改變軌跡的機理，需要深刻把握，并在未來的飛行控制設計中體會)。,,,阻力系數(shù)的特點,迎角越大，阻力系數(shù)越大,飛行軌跡控制的機理：力到力矩,從前面的分析中，可以知道舵是間接改變升力的。舵直接改變的是力矩的平衡關(guān)系，導致飛行器姿態(tài)發(fā)生改變，而速度軸的改變由于滯后的影響，機體軸與速度軸之間的差角發(fā)生改變，也就是迎角發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了氣動力的變化。,三

14、大力矩,俯仰力矩Mz 偏航力矩My 滾動力矩Mx,力的作用點，壓心(主要受Ma數(shù)影響)，十分重要,注意觀察幾個控制舵的位置,,俯仰力矩工程簡易計算公式,小攻角和舵偏角情況下:,最關(guān)鍵的主要3項(第2到4項)：恢復力矩、操縱力矩、阻尼力矩,上述三項是控制設計中的主要考慮因素，而恢復與操縱力矩量值又遠比阻尼力矩大?；謴土乜偸亲匀坏娜テ胶獠倏v力矩，使得二者之和基本為0，顧名思義。改變操縱力矩，就必然改變了攻角，從而影響了升力大小(這點在未來設計中可以通過輸出曲線對比的形式深化理解)。,,,,,側(cè)向力矩工程簡易計算公式,偏航,滾動,與縱向的相對獨立不同，偏航與滾動具有很強的耦合性，只要出現(xiàn)側(cè)滑角，這

15、兩個方向都會受到影響。,,,,,,鉸鏈力矩,操縱面上的空氣動力，對于操縱面轉(zhuǎn)軸上的力矩，一般會降低控制面效率。從直觀上理解就是，由于飛行器高速飛行帶來的相對氣流對于操縱面帶來的阻力影響，而在靜止條件下不存在，操縱面相當于頂風前行。這個在控制的工程設計時十分重要，否則可能出現(xiàn)操縱面驅(qū)動力矩小于鉸鏈力矩的情形，執(zhí)行機構(gòu)失效。,飛行器的推力,推力P(T)，根據(jù)方向是否通過質(zhì)心，判斷其是否產(chǎn)生力矩。,飛行器的重力,G=mg,飛行力學的分析,結(jié)束,第四部分,飛行器動力學與運動學方程組的建立,基礎：牛頓力學,,,坐標系的選擇,選取坐標系的原則應該是：既能正確地描述飛行器的運動，又要使描述運動的方程形式簡單

16、清晰。 確定質(zhì)心的位置坐標和飛行器在空間的姿態(tài)等，建立地面坐標系(慣性坐標系)； 研究飛行器質(zhì)心運動的動力學標量方程，建立彈道坐標系；,地面坐標系,A取在發(fā)射點上，Ax軸指向目標，Ay軸沿垂線向上,彈道(軌跡)坐標系,O取在飛行器質(zhì)心上，Ox2軸與速度方向V重合，Oy2軸位于包含速度矢量V的鉛垂平面內(nèi)垂直于Ox2，指向上為正,幾個坐標系的特點,機體坐標系相對機體是不動的，而速度坐標系和彈道坐標系相對機體是轉(zhuǎn)動的。 不同坐標系之間的相互旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，可以得到不同物理意義的角度變量(從一個坐標系得到另一個坐標系采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)的方法：每次繞一個軸旋轉(zhuǎn))。 旋轉(zhuǎn)后坐標系的轉(zhuǎn)換公式可以直接由立體解析幾何推得，

17、是3個初等旋轉(zhuǎn)矩陣的乘積，被稱為方向余弦矩陣，各個元素都是旋轉(zhuǎn)角度的正弦或者余弦，矩陣是正交的。,地面坐標系與機體坐標系轉(zhuǎn)換,歐拉角,方向余弦矩陣,東北天坐標系與經(jīng)緯度關(guān)系,東北天坐標系是一種特殊的大地平面坐標系，三個軸分別指向東、北、天，適用于航程較短的飛行器； 經(jīng)緯度產(chǎn)生于地球球面坐標系，能夠更適用于遠航程飛行器，充分考慮了地球的球面效應； 東北天坐標系等大地坐標系與球面坐標的轉(zhuǎn)換主要依據(jù)前者x軸的指向角，轉(zhuǎn)換公式是當?shù)亟?jīng)緯度的函數(shù)，通過迭代產(chǎn)生；,地面坐標系與彈道坐標系轉(zhuǎn)換,幾個坐標系之間的關(guān)系,飛行器運動方程組,動力學方程 運動學方程 質(zhì)量變化方程 幾何關(guān)系方程 控制關(guān)系方程,動力學方

18、程(Dynamics),質(zhì)心運動的動力學方程,,,繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的動力學方程,,,,運動學方程(Kinematics),質(zhì)心運動的運動學方程,繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的運動學方程,,,幾何關(guān)系方程,,,控制關(guān)系方程,切向控制力改變速度大小，法向控制力改變速度方向； 改變姿態(tài)，改變攻角和側(cè)滑角，產(chǎn)生氣動力的變化； 空氣舵面控制，推力矢量控制(擺動噴管或者擾流片控制)，反作用力控制(Reaction Control System),舵面控制,調(diào)節(jié)變量,控制飛行器的姿態(tài)或者過載加速度 控制飛行器的速度,運動學方程的數(shù)值解法,歐拉法(Euler) Runge-Kutta法,插值函數(shù)程序,,飛行器動力學與運動學方程組的建立,結(jié)束,