飞行控制系统飞行力学基础
飞行力学和飞行器设计
飞行力学和飞行器设计飞行力学和飞行器设计是航空航天工程中的两个重要领域，它们密切相关，共同推动了现代航空技术的发展。
本文将分别介绍飞行力学和飞行器设计的基本概念和关键要点。
一、飞行力学飞行力学是研究飞行器在空气中运动的力学原理和规律的学科。
它以牛顿力学为基础，结合流体力学和空气动力学等相关理论，研究飞行器在不同飞行状态下的运动特性和受力情况。
在飞行力学中，重要的概念包括空气动力学力、惯性力、重力和推力等。
空气动力学力是指飞行器在空气中受到的阻力、升力和侧向力等力的作用。
惯性力是指飞行器在运动中受到的惯性反作用力，例如加速度引起的惯性力。
重力是指地球对飞行器的吸引力，是飞行器下落和保持在大气层内的重要力量。
推力则是飞行器引擎产生的推进力，是使飞行器获得速度和克服阻力的关键力量。
飞行力学的研究内容包括飞行器的稳定性和操纵性、飞行器的性能指标和飞行轨迹等。
稳定性和操纵性是指飞行器在各种外界扰动下保持平衡和实现各种操纵动作的能力。
性能指标包括最大速度、最大爬升率、航程、载荷能力等，是评价飞行器性能优劣的重要指标。
飞行轨迹是指飞行器在空中飞行的路径，涉及到起飞、巡航、下降和着陆等各个阶段。
二、飞行器设计飞行器设计是指将飞行力学理论应用于实际飞行器的设计和制造过程。
它涵盖了从飞行器的整体布局到各种部件的设计和优化。
飞行器设计需要综合考虑飞行力学、材料科学、结构力学、电子技术等多个学科的知识。
飞行器设计的基本步骤包括需求分析、概念设计、详细设计和验证测试等。
需求分析是通过对使用环境、任务要求和性能指标等方面的分析，确定飞行器的基本设计要求。
概念设计是在需求分析的基础上，通过制定整体布局和确定主要参数，初步确定飞行器的外形和结构。
详细设计是在概念设计的基础上，对各个系统和部件进行详细设计和优化，确定飞行器的具体构造和性能。
验证测试是通过实际测试和模拟仿真，验证设计方案的正确性和可行性。
飞行器设计的关键要点包括结构设计、气动设计和控制系统设计等。
飞行力学与飞行控制讲稿-1
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三、飞机的主要组成部分及其功能
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机翼 ：产生升力 ，机翼上一般有用于横向操纵 的副翼和扰流片；机翼前后缘部分还设有各种 形式的襟翼，增加升力 尾翼：水平尾翼和垂直尾翼；V型尾翼；水平尾 翼一般有水平安定面和升降舵组成；垂直尾翼 一般有垂直安定面和方向舵组成；超音速飞行 时通常采用全动水平尾翼（差动）；鸭翼 机身：容纳人员、货物或其他载重和设备；要 求流线；飞翼式飞机取消机身。 起落架：起飞降落（机轮、滑撬、浮桶）
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半机体坐标系Oxbybzb ：O在质心, Oxb沿飞 行速度矢量V在飞机对称平面投影方向， Oyb在对称平面内，垂直于Oxb向上（因而 与 Oyq 重 合 ） ， Ozb 垂 直 于 飞 机 对 称 平 面 （与轴Ozt重合）。
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图2-2
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操稳性差）
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中间层 从平流层顶延伸到大约80km（空气有 相当激烈的垂直运动）
热层 从中间层顶延伸到大约800km（空气非 常稀薄，电离层影响飞行器的无线电通讯）
逃逸层（外大气层） 热层以上（空气极其稀 薄，地球引力很小，航天器脱离此层后便进入 太空飞行）
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飞行器的分类：航空器、航天器、火箭和导弹
飞机飞行力学与飞行控制
艾剑良教授
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第一章 绪论
一、飞行器的基本概念
飞行器——在大气层内或大气外层外空间（太 空）飞行的器械
大气飞行环境
对流层（低纬度地区16-18km；中纬度地区1012km；高纬度地区8-9km) (气候现象复杂）
第一章飞行力学基础(1)
飞行力学在航空航天领域重要性
航空航天器设计基础
飞行力学是航空航天器设计的基础理论，对 于指导航空航天器的总体设计、性能分析和 优化具有重要意义。
飞行安全与稳定性保障
飞行力学研究飞行器的稳定性和操纵性，对 于保障飞行安全、提高飞行器性能具有重要 作用。
推动航空航天技术发展
飞行力学的研究不断推动着航空航天技术的 发展，为新型飞行器的研制和现有飞行器的 改进提供理论支撑。
第一章飞行力学基础
汇报人：XX
目录
• 飞行力学概述 • 大气环境与飞行性能 • 飞行器受力分析与平衡 • 飞行器运动方程与轨迹预测 • 飞行器操纵性与稳定性分析 • 飞行试验与仿真技术
01
飞行力学概述
飞行力学定义与研究对象
飞行力学定义
飞行力学是研究飞行器在空气中 的运动规律及其与周围环境相互 作用的一门科学。
降低试验成本
通过虚拟仿真技术对飞行器进行充分的测试 和验证，可以提高实际飞行试验的安全性。
推动技术创新
虚拟仿真技术可以模拟复杂环境和极端条件 下的飞行情况，为技术创新提供有力支持。
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THANKS
指飞行器在受到小扰动 后，能够自动恢复到原 平衡状态的能力。静稳 定性好的飞行器，扰动 消失后能够迅速恢复到 原状态。
指飞行器在受到大扰动 后，能够自动恢复到原 平衡状态的能力。动稳 定性好的飞行器，在扰 动过程中能够保持稳定 的飞行姿态和轨迹。
指飞行器在受到扰动后 ，既不自动恢复到原平 衡状态，也不继续偏离 原平衡状态的能力。中 立稳定性介于静稳定性 和动稳定性之间。
轨迹预测模型构建及优化
动力学模型
建立飞行器的动力学模型，包括 气动力、推力、重力和控制力等
第三章-飞行理论
第三章-飞行理论第三章：飞行理论1. 引言飞行是一项人类梦寐以求的技术和运动，飞行理论是研究飞行的基础。
本章将介绍飞行的基本原理、飞行力学和飞行稳定性的相关知识。
2. 飞行的基本原理飞行的基本原理是依靠气流对物体的支持力。
根据等速飞行原理，当飞机的前进速度恒定时，飞机所受合外力为零，飞机将保持飞行状态。
飞机的支持力、阻力、重力和动力之间存在着复杂的相互作用关系。
其中，支持力是飞机产生升力的力量，也是飞机保持飞行的关键。
阻力是空气阻力对飞机运动的阻碍，必须通过动力来克服。
重力是飞机受到的地心引力，必须通过升力来平衡。
动力是飞机产生推力的力量。
3. 飞行力学飞行力学是研究飞机在飞行过程中力的作用和变化的科学。
它主要包括静力学和动力学两个方面。
静力学研究静止或匀速直线飞行时的力学现象。
由于静态平衡，飞机在水平飞行或急流中飞行时，支持力等于重力，推力等于阻力。
动力学研究飞机在加速、转弯、起降等动态过程中的力学现象。
由于动态平衡，飞机在这些过程中需要调整支持力、阻力和推力的分配。
飞行稳定性是指飞机在各种飞行状态下维持平衡的能力。
飞行稳定性与飞机的稳定性设计密切相关，包括静态稳定性和动态稳定性。
静态稳定性是指当飞机受到外界干扰时，回到平衡飞行状态的能力。
动态稳定性是指当飞机在飞行姿态变化时，能够平稳地恢复到稳定飞行状态。
4. 飞行稳定性的保持为了保持飞行稳定性，飞机采用了多种设计和控制手段。
飞机的稳定性设计包括飞机的几何形状、重心位置和机翼安装角度等因素。
合适的几何形状和重心位置可以使飞机具有良好的静态稳定性。
机翼安装角度的调整可以改变飞机的升力和阻力特性，从而调整飞机的动态稳定性。
飞机控制系统通过控制飞机的姿态和飞行状态来维持飞行稳定性。
常见的控制系统包括方向舵、升降舵、副翼和扰流板等。
这些控制面可以通过飞行员的操纵来调整飞机的姿态和飞行状态，并保持飞行稳定性。
5. 飞行稳定性的挑战尽管飞行稳定性的设计和控制手段已经非常成熟，但飞行稳定性依然是飞行的永恒挑战。
航空航天工程师的航天器气动力学和飞行力学
航空航天工程师的航天器气动力学和飞行力学航空航天工程是一门涉及航空航天器设计、制造和运行的学科，而气动力学和飞行力学是航空航天工程中关键的技术领域。
航空航天工程师的任务之一就是研究和应用气动力学和飞行力学的原理，以设计更安全、高效和稳定的航天器。
本文将介绍航天器气动力学和飞行力学的基本概念和应用。
一、气动力学气动力学研究流体（如气体）在物体表面上产生的压力和引起的力的学科。
在航天器设计中，气动力学是非常重要的，因为它影响着航天器在大气层中的运动和姿态控制。
1. 升力和阻力航天器在飞行过程中会受到重力、升力和阻力的作用。
升力是指垂直于飞行方向的力，可以支持航天器在空中飞行；阻力是与飞行方向相反的力，阻碍了航天器的运动。
航空航天工程师需要通过气动外形设计、机翼形状优化和控制表面设计等手段来减小阻力和增大升力，以提高航天器的飞行效率。
2. 稳定性和操纵性在设计航天器时，稳定性和操纵性也是需要考虑的重要因素。
稳定性是指航天器在受到干扰后能够自动回复到平衡状态的能力；操纵性是指航天器对于操纵输入的响应能力。
通过气动力学的研究和调整飞行姿态，可以使航天器具有良好的稳定性和操纵性。
二、飞行力学飞行力学是研究航空航天器在飞行过程中的运动和力学原理的学科。
通过对航天器的运动方程和控制原理的研究，航空航天工程师可以设计航天器的飞行轨迹和飞行控制系统。
1. 科氏力和飞行轨迹科氏力是指由于航天器在运动中所受到的离心力和压力力的合力。
科氏力的大小和方向决定了航天器所处的飞行轨迹。
例如，在升力和重力平衡的情况下，航天器可以以水平的圆周轨道飞行。
2. 飞行控制系统飞行控制系统是用来控制航天器的姿态和运动的系统。
航空航天工程师需要设计合适的飞行控制系统来确保航天器的稳定、安全和精确的飞行。
常见的飞行控制系统包括姿态控制系统、推力控制系统和导航系统等。
三、航空航天工程师的任务作为航空航天工程师，研究和应用航天器气动力学和飞行力学是其重要任务之一。
飞行力学知识点
《飞行动力学》掌握知识点第一章掌握知识点如下：1）现代飞机提高最大升力系数采取的措施包括边条翼气动布局或近耦鸭式布局。
2）飞行器阻力可分为摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力、干扰阻力和激波阻力等。
3）试描述涡喷发动机的三种特性：转速（油门）特性，速度特性，高度特性并绘出变化曲线。
（P7）答：涡轮喷气发动机的性能指标推力T和耗油率f C等均随飞行状态、发动机工作状态而改变。
下面要简单介绍这些变化规律，即发动机的特性曲线，以供研究飞行性能时使用。
1）转速（油门特性）在给定调节规律下，高度和转速一定时，发动机推力和耗油率随转速的变化关系，称为转速特性。
图1.10为某涡轮喷气发动机T和f C随转速n的变化曲线。
由于一定转速对应一定油门位置，故转速特性又称油门特性或节流特性。
2）速度特性在给定调节规律下，高度和转速一定时，发动机推力和耗油率随飞行速度或Ma的变化关系，称为速度特性。
图1.11为某涡轮喷气发动机T和f C随Ma变化曲线。
3）高度特性在发动机转速和飞行速度一定时，发动机推力和耗油率随飞行高度的变化关系，称为高度特性。
图1.12为某涡轮喷气发动机的T和f C随H的变化曲线。
第二章掌握知识点如下：1）飞机飞行性能包括平飞性能、上升性能、续航性能和起落性能。
2）飞机定直平飞的最小速度受到哪些因素的限制？（P40）答：最小平飞速度m in V 是指飞机在某一高度上能作定直平飞的最小速度。
1）受最大升力系数m ax L C 限制的理想最小平飞速度S C W V L ρmax min 2=；2）受允许升力系数a L C .限制的最小允许使用平飞速度S C W V a L a ρ.2=；3）受抖动升力系数sh L C .限制的抖动最小平飞速度SC W V sh L sh ρ.2=； 4）受最大平尾偏角m ax .δL C 限制的最小平飞速度SC W V L ρδδmax max .min 2)(=；5）发动机可用推力a T 。
数学与航空工程飞行控制系统设计
数学与航空工程飞行控制系统设计在航空工程中，飞行控制系统是飞机正常运行的重要组成部分之一。
而数学作为一门基础学科，与航空工程有着密切的联系。
本文将探讨数学在航空工程飞行控制系统设计中的应用。
一、航空工程飞行控制系统概述航空工程飞行控制系统是指用来控制和稳定飞机的一系列技术和设备。
它的主要功能包括飞行姿态控制、航向控制、高度控制等。
飞行控制系统的稳定性和准确性对飞机的飞行安全至关重要。
二、数学在航空工程中的应用数学作为一门科学，被广泛应用于航空工程中的飞行控制系统设计。
以下将介绍数学的具体应用领域：1. 控制理论控制理论是飞行控制系统设计的重要基础。
它包括线性系统理论、非线性系统理论、自适应控制理论等。
在这些理论中，数学扮演着关键角色，通过建立数学模型来描述飞行器的动态特性，应用控制理论方法实现对飞行器的控制。
2. 飞行力学飞行力学是研究飞机在空中运动和飞行状态的力学学科。
它包括飞行动力学和飞行稳定性和控制两个方面。
数学方法在飞行力学方面的应用包括：通过建立运动学方程、动力学方程来描述飞机的运动过程，通过计算和模拟分析飞机的飞行状态和动态响应。
3. 最优控制理论最优控制理论是研究在给定约束条件下，使某个技术指标达到最优的控制问题。
在航空工程中，最优控制理论可用于飞行轨迹规划、路径跟踪等问题。
数学方法通过优化算法来寻找最优的控制策略，提高飞行控制系统的效能和性能。
4. 仿真和模拟数学建模在航空工程中的应用非常广泛，通过建立系统的数学模型，可以对飞行控制系统进行仿真和模拟。
这样可以在实际投入运行之前，通过计算机模拟对飞行控制系统进行验证和优化，提高其效能和可靠性。
三、航空工程飞行控制系统设计案例以自动驾驶无人机为例，介绍航空工程中飞行控制系统设计案例：在自动驾驶无人机的设计中，首先需要利用数学方法建立无人机的动力学模型，包括无人机的质量、惯性矩阵、空气动力学特性等参数。
然后，根据无人机的任务需求，利用控制理论中的方法，设计飞行控制系统。
大一飞行理论知识点归纳
大一飞行理论知识点归纳飞行理论是航空学中的基础学科，涵盖了飞机的原理、飞行规律、气象学、导航等内容。
作为大一航空专业的学生，对飞行理论的学习至关重要。
本文将对大一飞行理论课程中的重要知识点进行归纳总结，帮助大家更好地理解和掌握这些内容。
1. 飞行器结构和原理1.1 飞行器的构造：机翼、机身、机尾和控制面的作用及结构特点。
1.2 飞行器的原理：升力产生原理、气动力学基本方程、稳定性和操纵性原理。
2. 基本飞行力学2.1 坐标系：惯性坐标系、地理坐标系和飞行坐标系，以及各种坐标系在飞行中的应用。
2.2 动力学原理：牛顿运动定律在飞行中的应用，包括力的合成和分解等。
2.3 运动学原理：平直飞行、曲线飞行、爬升和下降等运动状态的分析。
3. 气流和气象学3.1 大气层结和气温变化规律：对飞行性能和气象条件的影响。
3.2 大气动力学：气压、密度、温度和湿度等与飞行相关的气象要素。
3.3 气象现象：云、降水、雷暴、大风等对飞行安全的影响和应对措施。
4. 飞行器系统和仪表4.1 飞行仪表：基础仪表、导航仪表和辅助仪表的功能和使用方法。
4.2 飞行器系统：动力系统、控制系统、导航系统和通讯系统的组成和工作原理。
4.3 自动飞行控制系统：自动驾驶仪、飞行管理计算机和飞行导航系统等自动化设备。
5. 飞行器性能和运行规范5.1 飞行性能参数：空速、地速、爬升率、滑跑距离等与飞行性能相关的参数。
5.2 稳定性和操纵性：飞行器在不同条件下的稳定性和操纵性特点。
5.3 运行规范：民航规章、航空法规和飞行操作手册等对飞行员行为的规范。
以上只是大一飞行理论课程中的一部分知识点，通过对这些知识的学习和理解，可以为进一步深入研究航空领域打下稳固的基础。
在学习中要注重理论与实践的结合，通过模拟飞行和实际飞行的训练，加深对飞行理论的理解，并掌握操作飞行器的技能。
需要指出的是，飞行理论是一个庞大而复杂的学科，涉及的内容非常广泛。
因此，在大一阶段，我们只能对相关知识点进行初步了解和学习，以便更好地应用于飞行实践中。
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速度坐标系与地面坐标系：
3、气流角：（速度轴系→体轴系） aerodynamic angles
α（迎角也叫攻角）：空速 向量V在飞机对称平面内 投影与机体纵轴ox夹角。 以V的投影在轴ox之下 为正。
β（侧滑角）：空速向量V 与飞机对称平面的夹角。 以V处于对称面右为正。
1.1 坐标系
合理选择不同的坐标系来定义和描述 飞机的各类运动参数，是建立飞机运动模 型进行飞行控制系统分析和设计的重要环 节。 一、假设条件（研究方便） ✓ 忽略地球曲率 ✓ 认为地面坐标轴系为惯性坐标系；
1.1 坐标系
二、 常用坐标系的定义（欧美坐标系）
1. 地面坐标系 2. 机体坐标系 3. 气流坐标系 4. 稳定坐标系 5. 航迹坐标系
一般情况下，一个空 间坐标系需要经过三次连
Zg
Z Z'
续转动才能与另一个坐标
Y
系完全重合。三次旋转分
Y'
别为绕Ozg轴、Oy’轴及ox
Yg
轴进行（或依次按 ,, 旋
转）。
Xg X'
X
变换阵
➢ 由地面坐标系转动偏航角ψ到过渡坐标系s’
x' cos
y'
sin
z' 0
sin cos
0
0 0
xg yg
1 zg
➢ 由过渡坐标系S‘转动俯仰角θ到过渡坐标系
S’’
x'' cos 0 sin x'
y'
'
0
1
0
y'
z'' sin 0 cos z'
变换阵
➢ 由过渡坐标轴系S’’转动滚转角到机体坐标 轴系
x 1
y
0
z 0
0
cos sin
0 x''
sin
y' '
R
Y1 X * sin Y * cos;
X1
X
2、空间三维坐标系基元变换矩阵：
cos sin 0
Bz ( ) sin cos 0
0
0 1
cos 0 sin
By
(
)
0
1
0
sin 0 cos
1
Bx ( ) 0
0
0
cos sin
0
sin
cos
3、空间两个坐标系的变换：
三、飞机的运动参数
1、姿态角：（机体轴系与地轴系的关系） 欧拉角（Euler Angles) 俯仰角θ：飞机机体轴Ox与地平面间的夹角。在水平
面上方为正。陀螺测量轴→水平轴oyg
滚转角φ：飞机机体轴Oz与包含机体轴ox的铅垂面间
的夹角。飞机向右倾斜时为正。测量轴→纵轴 ox
偏航角ψ ：飞机机体轴OX在地平面上的投影与地轴
飞行高度。
地面坐标系
xg
og
yg
zg
2、机体轴系（体轴系） Sb-Oxyz
原点O：在飞机质心处，坐标系与飞机固连。 纵轴Ox：在飞机对称平面内，与飞机设计轴线
平行，指向前方（机头）。 横轴Oy：垂直飞机对称平面指向右方。 立轴oz：在飞机对称平面内，且垂直于ox轴指
向机身下方。
飞机机体坐标系
系中OXg间的夹角，机头右偏航为正。测量轴→铅垂 轴ozg
பைடு நூலகம்
飞机的姿态角
X
Xg
Z
Y
Yg Og
Zg
2、航迹角（flight-path angles) 速度轴与地轴系之间的夹角
航迹倾斜角μ ：空速向量V与地平面间的夹角 ， 以飞机向上飞为正。
航迹滚转角γ ：速度轴OZa与包含速度轴Oxa的铅 垂面间的夹角，以飞机右倾为正。
Ya
Za
Xa
4、稳定坐标系(stabilty coordinate frame)
✓原点Os： 取在飞机质心处，坐标系与飞 机固连。
✓纵轴Oxs：与飞行速度V在飞机对称平面 内的投影重合一致；
✓立轴ozs：在对称平面内与oxs垂直，指向 机腹为正。
✓横轴oys：与机体轴OY重合，指向右翼为 正。
飞机稳定性坐标系：
s （速度轴系） a
气流角 （迎角、侧滑角）
sb（机体轴系）
7、飞机在空间的位置：
用飞机质心在地轴系中的坐标Xg,Yg,Zg来确 定，其中飞机飞行航程L为Xg，飞机飞行高度为Zg，飞机偏航距离为Yg。
1.1.2 坐标变换
1、基元变换矩阵：
基元变换矩阵描述了飞机最简单的平面坐标 系变换。
Y1
Y
X1 X * cos Y * sin;
4.机体坐标轴系的角速度分量 (angular-rate-dependent)
机体坐标轴的三个角速度分量是机体 坐标轴系相对于地轴系的转动角速度 在 机体坐标轴系各轴上的投影。 ➢ 滚转角速度p：与机体轴OX重合一致； ➢ 俯仰角速度q：与机体轴OY重合一致； ➢ 偏航角速度r：与机体轴OZ重合一致；
飞机机体坐标系
3、气流坐标轴系 （wind coordinate frame）
✓原点Oa：取在飞机质心处，坐标系与飞机固连。 ✓纵轴OXa：与飞机速度的方向一致，不一定在
飞机对称平面内。
✓立轴OZa：在飞机对称平面内且垂直于OXa轴 指向机腹
✓横轴OYa：垂直于XaOaZa平面指向右方。
飞机速度坐标系：
Xb
V 0
Xs
Ys
Yb
5.航迹坐标系 （path coordinate frame)
✓原点Ok：取在飞机质心处，坐标系与飞机固连。 ✓纵轴OXk：与飞机速度的方向一致; ✓立轴OZk：位于包含飞行速度V在内的铅垂面内，
与OXK轴垂直并指向下方； ✓横轴OYK：垂直于XKOKZK平面指向右方。
运动变量
5.机体坐标轴系的速度分量
机体坐标轴的三个速度分量是飞行速 度V在机体坐标轴系各轴上的投影。 ➢ u：与机体轴OX重合一致； ➢ v：与机体轴OY重合一致； ➢ w：与机体轴OZ重合一致；
6、坐标系间的关系：
Sg(地轴系)
（航迹倾斜角 航迹滚转角 航迹方位角）
飞机姿态角 （俯仰角、滚转角、
偏航角）
三轴方向符合右手定则
1、地面坐标系（地轴系）
Sg –ogxgygzg
这个坐标系与视作平面的地球表面相固联。 原点Og：地面上某点，如飞机起飞点； 纵轴OgXg：在地平面内并指向应飞航向，坐标
OgXg 表示航程。 横轴OgYg：也在地平面内并与纵轴垂直，向右
为正，坐标OgYg表示侧向偏离。 立轴OgZg：垂直地面指向地心，坐标OgZg表示
cos z''
4、空间两个坐标系的变换矩阵：
坐标变换矩阵的构成法则：由坐标系 OXgYgZg到坐标系OXYZ的坐标变换矩阵等于 基元变换矩阵的乘积；基元变换矩阵的乘 积顺序于从旧坐标系到新坐标系的转动顺 序相反。