《飛行器動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)建模與仿真.ppt（73頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、動(dòng)力學(xué)、制導(dǎo)與控制(控制工程),提綱,開課目的與課程介紹； 飛行力學(xué)中的一些基本概念； 飛行器飛行的力學(xué)原理； 飛行器動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組的建立； 飛行器力學(xué)的模型簡化與分析； 飛行控制的設(shè)計(jì)； 飛行軌跡與導(dǎo)引(制導(dǎo))規(guī)律設(shè)計(jì)； 一些新方法的介紹；,第一部分,課程介紹,開課目的,幫助學(xué)生理解控制知識怎樣應(yīng)用到實(shí)踐中去，理清思路。,,工程師沒有學(xué)很多的理論，可是能解決很多實(shí)際問題；而現(xiàn)在控制理論教學(xué)與研究的問題是：學(xué)生學(xué)了很多理論和公式，卻很茫然。學(xué)了很多數(shù)學(xué)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(shí)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(shè)計(jì)的指導(dǎo)價(jià)值； 系統(tǒng)工程的傳承性； 傳承與創(chuàng)新的關(guān)系；,結(jié)合點(diǎn),“至少應(yīng)該熟悉一個(gè)具體領(lǐng)域中的工程實(shí)際問題，這樣才能對這一學(xué)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(shí)際知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就缺少完全理解和徹底掌握工程控制論的基礎(chǔ)” 。,一切都要經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)，要么辨明存在的價(jià)值，要么放棄存在的理由。,教學(xué)目的,了解作為一個(gè)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(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證； 以飛行器為平臺，借助于直觀的物理理解和直覺，幫助學(xué)生深入理解和體會已學(xué)的控制知識；

3、 幫助學(xué)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(xué)觀念；,課程特點(diǎn),新的專業(yè)知識點(diǎn)不是很多，而重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)將以前所學(xué)的知識綜合； 機(jī)理分析、物理直覺、數(shù)學(xué)推導(dǎo)分析與計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)的管理方式，將學(xué)生分成幾個(gè)小組，以組內(nèi)討論的方式進(jìn)行完整的設(shè)計(jì)流程，并擇機(jī)在課堂上講解并交流；,基礎(chǔ)知識要求,牛頓力學(xué)基礎(chǔ)； 高等數(shù)學(xué)初步； 數(shù)值計(jì)算方法； 自動(dòng)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(diǎn),關(guān)于受力分析的基本直覺和一些基本概念(得到的設(shè)計(jì)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(gè)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(shè)計(jì)； *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(diǎn),以PPT為主線，遇到關(guān)鍵性的原理講解時(shí)，以板書推導(dǎo)為主，希望加深大家的印象。 本PPT是從幾個(gè)經(jīng)典教材中提煉出來的，避免糾結(jié)于過多的原理細(xì)節(jié)，回避過多的力學(xué)上的數(shù)學(xué)描述而引起讀者的茫然，采取讓學(xué)生在實(shí)例使用中逐漸理解的策略，這也是我本人的一個(gè)體會：逐漸培養(yǎng)學(xué)生對于控制的感性認(rèn)識，而避免抽象的無處不在的理性。類比于語言的

5、教學(xué)，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(jī)在構(gòu)造上沒有與先前的設(shè)計(jì)有多少特殊之處，唯一的差別是引入了飛行舵面進(jìn)行操縱，才能維持穩(wěn)定的飛行； 錢學(xué)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(chǔ)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(dú)立進(jìn)行完全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yán)格的訓(xùn)練，不僅在控制領(lǐng)域具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，而且控制工程師也是培養(yǎng)總設(shè)計(jì)師最多的分系統(tǒng)專業(yè)，因?yàn)檫@個(gè)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(qiáng)的實(shí)力，這也充分說明了控制的學(xué)習(xí)與研究如果脫離了實(shí)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(dòng)力學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)(解釋飛行器為何能飛以及改變其飛行狀態(tài)的機(jī)理)； 飛行器的制導(dǎo)(飛行器的飛行軌跡是怎樣設(shè)計(jì)的以完成特定的任務(wù))； 飛行器的控制(怎樣通過操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)使得飛行器能夠跟蹤制導(dǎo)指令)； 一些現(xiàn)代新方法在飛行器制導(dǎo)與控制上的應(yīng)用。,本課程的重點(diǎn)針對對象,主要以大氣層內(nèi)的有翼飛行器為重點(diǎn)對象.一則與我們更加接近,更容易為大家所理解;二則這個(gè)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(xué)習(xí)與讀書,在有經(jīng)驗(yàn)的教師指導(dǎo)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(dòng)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(dǎo)與編程，熟悉整個(gè)流程，思考一下物理合理性； 適當(dāng)時(shí)候系統(tǒng)回顧一下所學(xué)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(xué)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(dǎo)、導(dǎo)航與控制的關(guān)系；,飛機(jī)為何能飛(1),推力來源：發(fā)動(dòng)機(jī).,阻力來源：空氣對機(jī)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(jī)為何能飛(2),伯努利原理,飛機(jī)為何能飛(3),弓形機(jī)翼明顯看出氣流在經(jīng)過機(jī)翼上面的時(shí)候所過的路程顯然大于氣流在經(jīng)過機(jī)翼下面的時(shí)候所過的路程，所以機(jī)翼上端的氣流流速大于機(jī)翼下端，所以機(jī)翼下端的壓力就大于機(jī)翼上端，產(chǎn)生了壓力差，升力就這麼產(chǎn)生了。,制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(GNC),制導(dǎo)(Guidance)：規(guī)劃出一條航行軌跡； 導(dǎo)航(Navigation)：測量飛行器的實(shí)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(yùn)動(dòng)。,對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)的反饋控制框圖，GNC分別對應(yīng)于哪些元素？,歷史發(fā)展,1936年，德國開始進(jìn)行“制

9、導(dǎo)火箭”研究工程。,著名的V1和V2導(dǎo)彈，是現(xiàn)代制導(dǎo)武器的鼻祖，地地導(dǎo)彈。,V1導(dǎo)彈傾斜發(fā)射，飛行完預(yù)設(shè)的距離后，轉(zhuǎn)動(dòng)升降舵，掉頭俯沖攻擊目標(biāo)。 大約飛行370km，使用自動(dòng)駕駛儀，核心是陀螺。,V2導(dǎo)彈投入實(shí)用，造成了很大心理威懾。精度：16km/322km 系統(tǒng)組成：方向陀螺進(jìn)行航向穩(wěn)定+時(shí)間驅(qū)動(dòng)的俯仰指令機(jī)構(gòu)；軸向積分加速度計(jì)，當(dāng)速度達(dá)到要求時(shí)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。使用了最早的陀螺與加速度計(jì),與現(xiàn)今高精度巡航導(dǎo)彈的差別：小閉環(huán)與大閉環(huán),飛行力學(xué)中的基本概念,結(jié)束,第三部分,飛行力學(xué)的分析,飛行器的力學(xué)分析,飛行器的力學(xué)特性是其作為一個(gè)被控對象的特性，是研究飛行器制導(dǎo)與控制的基礎(chǔ).作為一個(gè)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(xué)范疇,飛機(jī)飛行力學(xué)； 直升機(jī)飛行力學(xué)； 導(dǎo)彈飛行力學(xué)； 空間飛行器飛行力學(xué)；,一個(gè)可能的認(rèn)識誤區(qū),許多人認(rèn)為，航空或者航天的動(dòng)力學(xué)特性很復(fù)雜。其實(shí)不然，作為運(yùn)動(dòng)控制中主要分支，飛行器動(dòng)力學(xué)基本上都可以使用牛頓定律很清晰的進(jìn)行機(jī)理建模，而不象一些化工過程那樣機(jī)理黑箱，只能進(jìn)行近似建?；蛘邤?shù)值逼近。,回憶牛頓力學(xué),平動(dòng)的方程； 轉(zhuǎn)動(dòng)的方程；,作為剛體的飛行器,質(zhì)心的移動(dòng)：力的影響：包括空氣動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和 重力。,繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)：相對于質(zhì)心的力矩,，包括空氣動(dòng)力矩， 推力矩。

11、,兩個(gè)重要坐標(biāo)系,研究氣動(dòng)力時(shí)，以速度坐標(biāo)系為基準(zhǔn)(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(jī)體縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)Ox3軸垂直，指向上為正)； 研究氣動(dòng)力矩時(shí)，以機(jī)體坐標(biāo)系為基準(zhǔn)(Ox1軸與機(jī)體縱軸重合，Oy1軸位于機(jī)體縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)Ox1軸垂直，指向上為正) ； 氣動(dòng)力與力矩的大小和方向，則和上述兩個(gè)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)。,兩個(gè)重要的坐標(biāo)系圖,迎角：飛行力學(xué)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(xué)，也就是作為控制對象的飛行器的特性建模中，具有基礎(chǔ)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(xué)，也就無從談上飛行器的設(shè)計(jì)。,速度坐

12、標(biāo)系與彈體坐標(biāo)系之間的相對方位可由兩個(gè)角度確定： (1)垂直分量是攻角 (2)水平分量是側(cè)滑角,機(jī)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(dòng)壓q=1/2V2,,,一般來說，各個(gè)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(dòng)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(dòng)機(jī)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(jì)算公式,一般來說，以上各個(gè)偏導(dǎo)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(jìn)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(jī)理，需要深刻把握，并在未來的飛行控制設(shè)計(jì)中體會)。,,,阻力系數(shù)的特點(diǎn),迎角越大，阻力系數(shù)越大,飛行軌跡控制的機(jī)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(dǎo)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(jī)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(dòng)力的變化。,三

14、大力矩,俯仰力矩Mz 偏航力矩My 滾動(dòng)力矩Mx,力的作用點(diǎn)，壓心(主要受Ma數(shù)影響)，十分重要,注意觀察幾個(gè)控制舵的位置,,俯仰力矩工程簡易計(jì)算公式,小攻角和舵偏角情況下:,最關(guān)鍵的主要3項(xiàng)(第2到4項(xiàng))：恢復(fù)力矩、操縱力矩、阻尼力矩,上述三項(xiàng)是控制設(shè)計(jì)中的主要考慮因素，而恢復(fù)與操縱力矩量值又遠(yuǎn)比阻尼力矩大。恢復(fù)力矩總是自然的去平衡操縱力矩，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(diǎn)在未來設(shè)計(jì)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(jì)算公式,偏航,滾動(dòng),與縱向的相對獨(dú)立不同，偏航與滾動(dòng)具有很強(qiáng)的耦合性，只要出現(xiàn)側(cè)滑角，這

15、兩個(gè)方向都會受到影響。,,,,,,鉸鏈力矩,操縱面上的空氣動(dòng)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(dāng)于頂風(fēng)前行。這個(gè)在控制的工程設(shè)計(jì)時(shí)十分重要，否則可能出現(xiàn)操縱面驅(qū)動(dòng)力矩小于鉸鏈力矩的情形，執(zhí)行機(jī)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(xué)的分析,結(jié)束,第四部分,飛行器動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組的建立,基礎(chǔ)：牛頓力學(xué),,,坐標(biāo)系的選擇,選取坐標(biāo)系的原則應(yīng)該是：既能正確地描述飛行器的運(yùn)動(dòng)，又要使描述運(yùn)動(dòng)的方程形式簡單

16、清晰。 確定質(zhì)心的位置坐標(biāo)和飛行器在空間的姿態(tài)等，建立地面坐標(biāo)系(慣性坐標(biāo)系)； 研究飛行器質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)標(biāo)量方程，建立彈道坐標(biāo)系；,地面坐標(biāo)系,A取在發(fā)射點(diǎn)上，Ax軸指向目標(biāo)，Ay軸沿垂線向上,彈道(軌跡)坐標(biāo)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(gè)坐標(biāo)系的特點(diǎn),機(jī)體坐標(biāo)系相對機(jī)體是不動(dòng)的，而速度坐標(biāo)系和彈道坐標(biāo)系相對機(jī)體是轉(zhuǎn)動(dòng)的。 不同坐標(biāo)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(gè)坐標(biāo)系得到另一個(gè)坐標(biāo)系采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)的方法：每次繞一個(gè)軸旋轉(zhuǎn))。 旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式可以直接由立體解析幾何推得，

17、是3個(gè)初等旋轉(zhuǎn)矩陣的乘積，被稱為方向余弦矩陣，各個(gè)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(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,歐拉角,方向余弦矩陣,東北天坐標(biāo)系與經(jīng)緯度關(guān)系,東北天坐標(biāo)系是一種特殊的大地平面坐標(biāo)系，三個(gè)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(biāo)系，能夠更適用于遠(yuǎn)航程飛行器，充分考慮了地球的球面效應(yīng)； 東北天坐標(biāo)系等大地坐標(biāo)系與球面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換主要依據(jù)前者x軸的指向角，轉(zhuǎn)換公式是當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度的函數(shù)，通過迭代產(chǎn)生；,地面坐標(biāo)系與彈道坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,幾個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系,飛行器運(yùn)動(dòng)方程組,動(dòng)力學(xué)方程 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 質(zhì)量變化方程 幾何關(guān)系方程 控制關(guān)系方程,動(dòng)力學(xué)方

18、程(Dynamics),質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程,,,繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程,,,,運(yùn)動(dòng)學(xué)方程(Kinematics),質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)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(dòng)力的變化； 空氣舵面控制，推力矢量控制(擺動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)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(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組的建立,結(jié)束,