第1章 绪论(哈工大飞行器控制课件)
控制工程基础课件第一章绪论
19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。从1960年到1980，确定线性系统、随机系统的最佳控制及复杂系统的自适应和智能控制，都得到充分的研究。从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。
按给定量的特点来分：
（1）连续控制系统：系统的各环节输入量与输出量是信号连续的系统称为～
按系统反应特性来分
（2）离散控制系统：系统的各环节输入量、输出量信号是离散的系统称为～（如采样信号）
三 反馈控制系统的基本组成
1. 组成：给定元件、比较元件、反馈元件、放大元件、执行元件、控制对象及校正元件。
②闭环控制系统：反馈控制系统也称为闭环控制系统，是指系统的输入端与输出端之间存在反馈回路，输出量对控制作用有直接影响，其作用应用反馈来减少偏差，但不能消除偏差。
(1)开环控制系统特点 抗干扰能力差，控制精度低，但结构简单，调整方便，成本低，无自动纠偏能力。
(2)闭环控制系统特点 抗干扰能力强，控制精度高，结构复杂，能自动纠偏。 缺点：由于引入反馈，存在稳定、振荡和超调等问题，设计分析比较复杂。
人工控制恒温箱系统功能框图
总结： 人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差
（2）自动控制系统
恒温箱的自动控制系统原理图
恒温箱自动控制系统工作原理：（1）恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压 U2（2）恒温箱期望温度由U1给定，并与实际温度U2 比较得到温度偏差信号△U＝U1 - U2（3）温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之，加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差△U＝0，电机停止转动。
《自动控制原理教学课件》第1章绪论
通信技术研究所
:12
闭环控制系统
例：汽车驾驶控制系统
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:13
开环控制与闭环控制比较
定义：
开环控制是指系统的输出量对系统的控制作用无任何 影响的控制过程。
闭环控制是指系统的输出量对控制作用有影响的控制 过程，也称为反馈控制
本质区别：输出量是否参与控制
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:8
人工控制示例——水池水位系统 控制目的：水池水位与要求值要相等 控制手段：改变进水阀门的开度
人工控制过程 1.测量过程（眼睛） 2.决策过程（大脑） 3.执行过程（手） 水池水位是被控变量， 水池是被控对象
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:9
1.1.2 自动控制系统的组成 自动控制系统：被控对象和自动控制装置按一定方式
:14
开环控制系统的特点
（1）无反馈。作用信号由输入到输出单方向传递。 （2）结构简单，但须选高精度高稳定性元件 （3）控制精度取决于控制器及被控对象的参数稳 定性，容易受干扰影响，缺乏精确性和适应性。 （4）响应速度快，无稳定性问题 （5）可根据给定值或可测量到的扰动量进行补偿
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自动控制理论主要研究闭环系统
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典型自动控制系统
比较元件
输入信号
e
r
—
串联 校正元件
—
b
放大 元件
m 执行
元件
反馈 校正元件
测量 元件
n
扰动
被控 对象
输出量 c
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哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第3课-空间飞行器轨道动力学上PPT课件
（2）运载火箭的 主动段轨道
在主动段飞行时，作用 在火箭上的力和力矩 如图3.6所示
图3.6 在主动段作用于火箭上的力系
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XOY 为发射平面坐标， X1O1Y1为速度坐标。图中 为地心角， 为俯仰角， 为 速度方向角， 为火箭飞行 攻角。
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把作用在火箭上所有的力，
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春分点：黄道与天赤道的一 个交点。
黄道：地球绕太阳公转的轨 道面（黄道面）与以地心为球心 的天球相交的大圆。
“黄赤交角”：黄道面与赤 道面约相交成23°27′。
太阳的周年视运动：由于地 球公转观测到太阳在恒星间移动， 周期为1年。
黄道就是天球上的太阳周年 视运动轨迹。太阳由南向北过天 赤道的交点叫“春分点”，另一 个交点是秋分点。
co s2
2
k
vk2
v
2 k
rk2
co s2
k
2 2
rk
4 vk2rk2 cos2 k
co s(0
（3-8） )
式中， 3.8961014 m3/s2 称为地球引力常
数可见。，自由飞行段的轨道方程，完全取决于主动段终点的速度 ，速度方向角
和径向距离。
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在图3.7中，如果火 箭在 B点，再一次点 火加速，使火箭的速 度达到航天飞行器在 该点的运行速度，它 就进入绕地球运动的 的轨道，此轨道称为 “卫星轨道”。卫星 的轨道高度和形状， 由运载火箭主动段终 点的速度矢量和空间 位置决定。
在运载火箭方案论证初期，可以依据发射航天 飞行器的速度要求，用齐氏公式计算出理想速度， 再减去约2000m/s的速度损失，进行方案估计。
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自动飞行控制系统PPT课件
远前方的大。若迎面气流速度逐渐增大，则翼面上流速的最大值也会增大，该处的温度则要降低，因而音
速也降低。当迎面气流的速度达到某一值时,翼面上最大速度处的流速等于当地音速，此时我们把远前方的
迎面气流速度 与远前方的空气音速
M
之
cr
比 ，定义为该机的临界马赫数
。
a
18
V
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Mcr
第二节 空气动力学的基本知识
路；其作用是稳定与控制飞机姿态。 • 控制（制导）回路：由稳定回路加上飞机轨迹反馈元件、放大计算装置组成飞机轨迹自动驾驶仪，并与飞
机形成的回路；其作用是稳定与控制飞机轨迹。
8
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第一章 飞行原理
• 飞机控制系统的核心问题是研究由控制系统和飞行器组成的闭合回路的静、动态性能，为此必须建立控制 系统和飞行器的数学模型，其形式可以是微分方程、传递函数或状态空间表达式等。
4
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第一节 飞行器的自动飞行
二、控制面 1、控制飞行器的目的是改变飞行器的姿态或空间位置，并在受干扰情况下保持飞行器的
姿态或位置。因而必须对飞行器施加力和(或)力矩，飞行器则按牛顿力学定律产生运动。 2、作用于飞行器而与控制有关的力和力矩主要是偏转控制面（即操纵面）产生的空气动
力和力矩。一般飞机有三个控制面：升降舵、方向舵和副翼。 3、由于航空技术的发展，仅靠改善飞机的气动布局和发动机的性能难以达到对飞机性能
V a
19
Vmax a
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第二节 空气动力学的基本知识
• 飞机飞行速度的范围划分如下：
• 飞行马赫数 为飞行速度与远前方空气音速之比，
时为低速飞行；
为亚音速飞行；
导弹飞行动力学与控制21页PPT
导弹飞行力学
第一章 导弹飞行的力学环境
1.1 常用坐标系及其变换关系
1. 常用坐标系
a. 地面坐标系oxyz
坐标原点：发射点 ox轴：目标方向 oy轴：垂直向上 oz轴：与 ox 轴和 oy 轴构
成右手坐标系
y x
o
目标
发射点
z
图1 地面坐标系
目的：确定导弹的空间姿态及速度方向等，以研究导弹 质心运动的规律（弹道）
导弹飞行力学
d. 速度坐标系oxcyczc
yc
弹道 o
导弹纵轴
v
zc
坐标原点：瞬时惯性中心
oxc轴：导弹速度方向
oyc轴：导弹纵向对称面内
与 oxc 轴垂直，向
xc
上为正
ozc轴：与 oxc 轴和 oyc 轴 构成右手坐标系
图4 速度坐标系
目的：作用于导弹的气动力在该坐标系内给出
导弹飞行力学
2. 坐标变换
o
z ψc
v sinθ
x2
θ
x
ψc
x2’
v cosθsinψ c
矢量与水平平面间的 夹角，即速度矢量在 地面坐标系 oxz 平面 内的投影 ox2’ 与 ox2 轴间的夹角，由 ox2’ 逆时针转向 ox2 时为 正
z2
ψc — 弹道偏角， ox2’ 轴与
图5 弹道固连坐标系与地面坐标系间的关系
地面坐标系 ox2 轴间 的夹角，由 ox2 轴逆
导弹飞行力学
ζ — 俯仰角，导弹纵轴 ox1 与 地面坐标系 oxz 平面间的 夹角， ox1 指向地面上方 时为正
ψ — 偏航角，导弹纵轴 ox1 在 地面坐标系 oxz 平面上的 投影 ox1’ 与地面坐标系 ox 轴间的夹角，由 ox 轴逆 时针转至 ox1’ 时为正
哈工大4系飞行器控制实验指导书word资料38页
飞行器控制实验指导书控制科学与工程教学实验中心2005年3月目录一、实验目的和意义二、实验的基本要求三、Matlab语言基础四、实验项目(一) 实验一飞行器纵向稳定系统综合设计(二) 实验二飞行器侧向稳定器观测器的设计(三) 实验三飞行器爬升率与空速的保持与指令控制(四) 实验四飞行器3维飞行动画仿真实验一、实验目的和意义作为航天学院的学生，掌握飞行器控制方面的知识是必要的。
仅仅通过课堂教学，学生很难切实地掌握飞行器控制的知识，很难熟练地应用飞行器控制的方法。
为了使学生更深刻地理解飞行器控制方面的知识，开设本实验是必要的。
通过飞行器控制实验，可以使学生更直观地理解课堂上学到的理论，使学生能真正做到理论与实际相结合，会应用课堂上所学到的理论来进行飞行器控制系统的设计，同时，使学生掌握用Matlab来进行飞行器控制系统分析与设计的方法。
二、实验的基本要求1．要求学生能较熟练地使用控制系统分析设计软件（Matlab）来进行系统分析与设计。
2．要求学生能熟练地使用Matlab软件进行编程，并在该软件环境下进行调试。
3．要求学生掌握模态控制理论（模态可控、模态可观结构分析；模态控制器设计，模态观测器设计），并编制相应的matlab函数。
4．要求学生能使用所编制的程序进行飞行器控制系统的分析与综合。
三、Matlab语言基础(一) matlab软件的编程环境1．找到MatlabMatlab软件应用程序的图标为，matlab软件被正确安装后，可以将该图标拖曳到桌面上或快捷工具栏中以方便使用。
2．启动Matlab点击Matlab图标会弹出如下窗口(二) 飞行器控制实验中要用到的matlab语句1．赋值语句：A=[0 1 0;0 0 1;-6 -11 -6]2．矩阵的维数：[行,列]=size(A)3．矩阵的秩：n=rank(A)4．矩阵的逆：B=inv(A)5．求特征值和特征向量：[V,eva]=eig(A') V为A T的广义模态矩阵，eva=diag(1,…,n)6．矩阵的转置：A因为是实数阵所以转置可以用A’，A’是A的共扼转置而U,V等复数阵的转置要用conj(V’);7．子阵的抽取：A(i:j,m:n); A(:,1);A(i,j)8．矩阵四则运算：（维数要一致）表达式与标量数值运算同9．循环语句：for i=1:1:n+1程序行end10．条件判断：if(a~=b)程序行end11．结果显示控制：语句后面加“;”则不显示结果。
第一章自动飞行控制系统概述ppt课件
事实上，波音737飞机上AFCS的驾驶盘操纵（CWS）方式也是一种 电传操纵。
电传操纵又是以主动增稳控制技术发展起来的。如果不从余度和 备份手段方面去考虑，当今的自动飞行控制系统、电传操纵或电 传飞行控制系统之间很难找出明确的界限。
在日常生活中，随处都可以看到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
1.1.2 从自动驾驶仪到自动飞行控制系统
自动飞行控制系统是在20世纪60年代中逐步发展起来的，70年 代是模拟式AFCS盛行的时代，80年代开始了AFCS从模拟式向数 字式过渡。
1.1
自动飞行控制系统的发展 在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么
1.1.2 从自动驾驶仪到自动飞行控制系统
20世纪60年代以前的自动驾驶仪均以舵机回路（舵机是指在自动驾驶仪中 操纵飞机舵面（操纵面）转动的一种执行部件）的稳定系统为主，配合较 少的输入指令（如转弯、升降、高度保持等）去操纵飞机。
随着计算机技术和信息综合化技术的发展，数字式的AFCS开始 和飞行管理计算机系统（FMCS）结合工作。在飞行管理计算机 统一管理下的自动飞行控制系统和自动油门配合，实现对飞机 的自动控制和对发动机推力的自动控制。
1.1.2 从自动驾驶仪到自动飞行控制系统 在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么
为了防止电磁干扰传输电缆，FBW（电传飞行控制）采用双绞线 和屏蔽接地等技术，但尚不能完全抑制意外的电磁和电击干扰， 在此问题上光传输具有极好的防护性能。用于光传输的辅助操纵 系统和发动机控制系统都已研制成功并投入实践应用。
哈工大航天学院课程空间飞行器动力学与控制第3课空间飞行器轨道动力学上
球参考坐标系，该参考坐标系也可写作J2000坐
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
图3.8 地心赤道坐标系
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
在地心赤道坐标系中，卫星位置可用直角坐 标 X， Y，Z表示，也可用球面坐标，即向经 r、赤
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
坐标系
（1）天球
优点： 可将空间的不同矢量平移通过同一天球中心， 从而用球面上对应的点表示这些矢量的指向，用连 接这些点的大圆弧表示矢量间的夹角，以建立一个 便于分析空间问题的几何模型，且能应用球面三角 公式解决问题。
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
（2） 地心赤道坐标系
描述天体相对运动的惯性坐标系的坐标原点取 在质量较大的天体的质心上，坐标轴的指向在绝对 空间固定不变。
在人造卫星的运动中，一般采用地心赤道为坐 标系OXYZ 。原点O 取在地心，OXY平面与地球赤道 面重合，OX轴指向某一确定时刻的春分点， OZ轴 取地球自转轴，如图3.8所示。
本节所叙述的惯性坐标系与时间计量系统本质上 均是以地球自转为基础。前者是利用地球自转轴的 基本定向性，后者是利用地球自转角速度的高度均 匀性。
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
坐标系
（1）天球
基本概念：
为研究天体运动而引进的一个假想的圆球。 球心为坐标原点，视所研究问题的需要，取在 适当位置，如地心、飞行器质心、观测点等。 天球半径可认为是一个单位长度，从而使球面 上的大圆弧与所张球心角在量值上相等。
哈工大_控制系统实践_直升机实验报告讲诉
三自由度直升机系统实验指导书钱玉恒杨亚非编哈尔滨工业大学航天学院控制科学与工程系2010年5月目录第一章绪论1.1 实验背景 (2)1.2 三自由度直升机系统实验装置简介 (2)第二章数学模型的建立2.1 俯仰轴数学模型分析 (5)2.2 横侧轴数学模型分析 (6)2.3 旋转轴数学模型分析 (6)2.4 直升机数学模型简化 (7)2.5 直升机数学模型方程组及传递函数建立 (7)2.6 系统状态空间数学模型的建立 (7)2.7 螺旋桨电机给定电压的推导 (8)第三章控制器设计3.1 PID控制器设计 (9)3.2 状态空间控制器设计 (14)3.3 LQR原理与PID原理的比较 (19)第四章控制算法的实物验证试验4.1 系统基本参数和特性 (20)4.2 PID控制器的实物试验 (22)4.3 LQR控制器的实物试验 (25)4.4 模糊控制器的实物试验 (27)4.5 三种控制策略性能的横向比较 (36)第一章绪论1.1 实验背景1. 1.1 实验来源实验基于固高科技有限公司GHP三自由度直升机控制实验系统，这是一个自动控制和航空航天实验系统。
该系统是研究直升机飞行控制技术的平台,它主要由电机、电机驱动器、位置编码器、运动控制器及接口板等元件组成。
系统可分为直升机实验本体、电控箱及由运动控制卡和PC机组成的控制平台等三大部分。
1.1.2 实验目的和意义该系统是一个典型的多输入多输出系统（M IM O），能把控制直升机飞行姿态和速度算法在平台上实验，用于实现各种控制算法验证。
例如PID、LQR、H∞和模糊控制等控制算法均可以平台上实验。
1.1.3 实验研究及分析本系统的特点为多输入/多输出、非线性、强交叉耦合性、传递函数和状态方程不易描述，为控制系统中较为复杂的被控对象。
虽然人们在飞行器方面进行过各种算法研究，但大多数研究只局限于仿真平台，仍未摆脱实验对象的理想化模式。
此系统不仅具备直升机动力系统和电子控制装置的原理特征，还具备实验性强、实验现象直观的特点。
飞机飞行控制课件
(S
22
A
(S
1 T 1
)(S
1 T 2
)
spsp S
作战方式：？
11
驾驶员 vs 飞行控制系统
驾驶员的缺点
有限的反应速度 有限的感知能力 会紧张、疲劳
驾驶员的优点
学习能力 应付意外的能力
飞行控制系统：在飞
行过程中，利用自动 控制系统，能够对飞 行器构形、飞行姿态 和运动参数实施控制 的系统。
12
本课程的目的
飞机引入飞行控制系统的飞行力学机理：
(S)=D(S)+kN(S)=0
当k=0时，D(S)=0，对应 0 系统极点
当k=时，N(S)=0，对应
系统零点
-5
Matlab：rlocus，rltool
-10
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
Real Axis
0
0.2
27
根轨迹分析
每一对共轭复根表示一
个振荡模态
S 22 spsp S
2 sp
0
(S 1 )(S 1 ) 0
Tsp1
Tsp 2
长周期（phugoid）
S 22
p p S
2 p
0
45
纵向传递函数2
Ga e
(S)
a(S) e (S )
Aa
(S
1 Ta
)(S
22 aa
S
a2
)
(S
22
sp sp
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6 DOF
1.1 飞行器简介
• a) b) • a) b) c) 飞行器的特点： 人造的； 离开地面运动，而且具有6个运动自由度。 飞行器的分类(何庆芝)： 航空器：大气层内飞行； 航天器：大气层外飞行； 导弹和火箭：能够自主或半自主地飞向目 标。
1.1.1 航空器
航空器----飞机，特点： a) 气动流形，有较大的翼面和舵面(结构上) b) 飞行速度较低 (1Mach) c) 飞行高度较低 (10km)
1.4 参考书目-1
• [1] 钱杏芳，导弹飞行力学，北京理工大学 出版社，2000 • [2] 邓正隆，惯性技术，哈尔滨工业大学出 版社，2006 • [3] 孟秀云，导弹制导与控制系统原理，北 京理工大学出版社，2003 • [4] 秦永元，惯性导航，科学出版社，2006
1.4 参考书目-2
1.2 飞行器的基本结构
导弹为例： • 整流罩 • 导引头 • 战斗部 • 仪器舱 • 发动机 • 机翼 • 舵面
1.3 课程主要内容-1
制导控制系统基本组成原理：
1.3 课程主要内容-2
惯性器件(陀螺仪、加速度计) 惯性导航原理(平台式、捷联式) 飞行器运动方程组(16个方程式、线性化) 舵系统(电动、液压、气动、直接力) 飞行稳定控制系统(侧向回路、滚转回路) 制导方式(遥控、雷达、红外、电视、激光、 复合) 导引规律(追踪、平行接近、比例)
飞行器制导与控制
邵春涛 2010.9
第1章 绪论
• • • • 1.1 课程概述和飞行器简介 1.2 飞行器的基本结构 1.3 本门课• • 控制系统设计 → 被控对象的深入分析； 经济、人口、环境；机电、化工； 过程控制；快响应系统； 数学模型；可控、可测、可镇定量； 飞行器的导航、制导与控制； 导航与制导的概念，飞行器控制。
歼8-II
MIG-25
SR-71(30km,3.5Mach)
X-43A(9.5Mach)
图3 X-37A测试样机试视图
•
图4 X-37B示意图
图5 FALCON高超声速飞行器计划 发展路线
图7 B-3轰炸机示意图
图8 Aurora高超声速侦察机推想图
图9 X-51A演示图
1.1.2 航天器
航天器----卫星、空间站和航天飞机，特点： a) 没有翼面和舵面(结构上) b) 轨道运行 c) 飞行高度较高 (2000km低轨) (36000km同步) (国际空间站 278-460km)
嫦娥一号
Endeavour
1.1.3 导弹和火箭
火箭，通常指运载工具； 导弹类型众多，按飞行 高度区分，有： 巡航导弹(舰舰、岸舰)； 防空导弹(空地)； 空空导弹； 弹道导弹(潜射)等。
y x O z
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