飞行器动力学建模与仿真1课件

飞行器行器动力学建模与仿真力学建模与仿真提提提提纲纲n n开开开开课课目的与目的与目的与目的与课课程介程介程介程介绍绍；n n飞飞行力学中的一些基本概念；行力学中的一些基本概念；行力学中的一些基本概念；行力学中的一些基本概念；n n飞飞行器行器行器行器飞飞行的力学原理；行的力学原理；行的力学原理；行的力学原理；n n飞飞行器行器行器行器动动力学与运力学与运力学与运力学与运动动学方程学方程学方程学方程组组的建立；的建立；的建立；的建立；n n飞飞行器力学的模型行器力学的模型行器力学的模型行器力学的模型简简化与分析；化与分析；化与分析；化与分析；n n飞飞行控制的行控制的行控制的行控制的设计设计；n n飞飞行行行行轨轨迹与迹与迹与迹与导导引引引引(制制制制导导)规规律律律律设计设计；n n一些新方法的介一些新方法的介一些新方法的介一些新方法的介绍绍；第一部分第一部分第一部分第一部分课课程介程介程介程介绍绍开开开开课课目的目的目的目的n n帮助学生理解控制知帮助学生理解控制知帮助学生理解控制知帮助学生理解控制知识识怎怎怎怎样应样应用到用到用到用到实实践中去，理清思路。践中去，理清思路。践中去，理清思路。践中去，理清思路。工程工程工程工程师师没有学很多的理没有学很多的理没有学很多的理没有学很多的理论论，可是能解决很多，可是能解决很多，可是能解决很多，可是能解决很多实际问题实际问题；而；而；而；而现现在控制理在控制理在控制理在控制理论论教学与研究的教学与研究的教学与研究的教学与研究的问题问题是：学生学了很多理是：学生学了很多理是：学生学了很多理是：学生学了很多理论论和公式，却很茫然。学了很多数学符号如何与工程和公式，却很茫然。学了很多数学符号如何与工程和公式，却很茫然。学了很多数学符号如何与工程和公式，却很茫然。学了很多数学符号如何与工程师师交流？交流？交流？交流？只只只只见树见树木，不木，不木，不木，不见见森林：越来越多的知森林：越来越多的知森林：越来越多的知森林：越来越多的知识识通通通通过过怎怎怎怎样样的途径才能的途径才能的途径才能的途径才能联联系起来？控制知系起来？控制知系起来？控制知系起来？控制知识识必必必必须须通通通通过过用力的用力的用力的用力的实际实际平台支撑。平台支撑。平台支撑。平台支撑。控制理控制理控制理控制理论论与工程之沟与工程之沟与工程之沟与工程之沟(1)(1)控制理控制理控制理控制理论论与工程之沟与工程之沟与工程之沟与工程之沟(2)(2)系系系系统统工程的工程的工程的工程的传传承性承性承性承性n n控制工程控制工程控制工程控制工程对对于广于广于广于广义义的系的系的系的系统统工程工程工程工程设计设计的指的指的指的指导导价价价价值值；n n系系系系统统工程的工程的工程的工程的传传承性；承性；承性；承性；n n传传承与承与承与承与创创新的关系；新的关系；新的关系；新的关系；结结合点合点合点合点n n“至少至少至少至少应该应该熟悉一个具体熟悉一个具体熟悉一个具体熟悉一个具体领领域中的工程域中的工程域中的工程域中的工程实际问题实际问题，这样这样才能才能才能才能对这对这一学科的基本命一学科的基本命一学科的基本命一学科的基本命题题、方法和、方法和、方法和、方法和结论结论有深刻的理解有深刻的理解有深刻的理解有深刻的理解”。n n“没有工程技没有工程技没有工程技没有工程技术术的的的的实际实际知知知知识识和和和和实实践践践践经验经验，就缺少完全理解和，就缺少完全理解和，就缺少完全理解和，就缺少完全理解和彻彻底掌握工程控制底掌握工程控制底掌握工程控制底掌握工程控制论论的基的基的基的基础础”。一切都要一切都要一切都要一切都要经过实经过实践的践的践的践的检验检验，要么辨明存在的价，要么辨明存在的价，要么辨明存在的价，要么辨明存在的价值值，要么放弃存在的理由。，要么放弃存在的理由。，要么放弃存在的理由。，要么放弃存在的理由。教学目的教学目的教学目的教学目的n n了解作了解作了解作了解作为为一个控制工程一个控制工程一个控制工程一个控制工程师师或者系或者系或者系或者系统统工程工程工程工程师师最基本的工作流程和最基本的工作流程和最基本的工作流程和最基本的工作流程和规规范，怎范，怎范，怎范，怎样样入手、分析和解决入手、分析和解决入手、分析和解决入手、分析和解决问题问题以及如何以及如何以及如何以及如何进进行系行系行系行系统验证统验证；n n以以以以飞飞行器行器行器行器为为平台，借助于直平台，借助于直平台，借助于直平台，借助于直观观的物理理解和直的物理理解和直的物理理解和直的物理理解和直觉觉，帮助学生深入理解和体会已学的控制知，帮助学生深入理解和体会已学的控制知，帮助学生深入理解和体会已学的控制知，帮助学生深入理解和体会已学的控制知识识；n n帮助学生帮助学生帮助学生帮助学生树树立折中、立折中、立折中、立折中、辩证辩证的系的系的系的系统观统观，抓住事物的主要矛盾，抓住事物的主要矛盾，抓住事物的主要矛盾，抓住事物的主要矛盾，简简化化化化问题问题，建立正确的美学，建立正确的美学，建立正确的美学，建立正确的美学观观念；念；念；念；课课程特点程特点程特点程特点n n新的新的新的新的专业专业知知知知识识点不是很多，而重点点不是很多，而重点点不是很多，而重点点不是很多，而重点强调强调将以前所学的知将以前所学的知将以前所学的知将以前所学的知识综识综合；合；合；合；n n机理分析、物理直机理分析、物理直机理分析、物理直机理分析、物理直觉觉、数学推、数学推、数学推、数学推导导分析与分析与分析与分析与计计算机仿真的算机仿真的算机仿真的算机仿真的综综合，中合，中合，中合，中间间的一些小作的一些小作的一些小作的一些小作业业也是也是也是也是这这几方面几方面几方面几方面的的的的综综合，最合，最合，最合，最终终解往往不唯一；解往往不唯一；解往往不唯一；解往往不唯一；n n以系以系以系以系统统工程工程工程工程设计设计的管理方式，将学生分成几个小的管理方式，将学生分成几个小的管理方式，将学生分成几个小的管理方式，将学生分成几个小组组，以，以，以，以组组内内内内讨论讨论的方式的方式的方式的方式进进行完整的行完整的行完整的行完整的设计设计流程，流程，流程，流程，并并并并择择机在机在机在机在课课堂上堂上堂上堂上讲讲解并交流；解并交流；解并交流；解并交流；基基基基础础知知知知识识要求要求要求要求n n牛牛牛牛顿顿力学基力学基力学基力学基础础；n n高等数学初步；高等数学初步；高等数学初步；高等数学初步；n n数数数数值计值计算方法；算方法；算方法；算方法；n n自自自自动动控制原理；控制原理；控制原理；控制原理；n n现现代控制理代控制理代控制理代控制理论论部分知部分知部分知部分知识识；n nMatlabMatlab与与与与C C语语言；言；言；言；涉及到的主要知涉及到的主要知涉及到的主要知涉及到的主要知识识点点点点n n关于受力分析的基本直关于受力分析的基本直关于受力分析的基本直关于受力分析的基本直觉觉和一些基本概念和一些基本概念和一些基本概念和一些基本概念(得到的得到的得到的得到的设计结设计结果都从最直果都从最直果都从最直果都从最直观观的地方思考下是否合理的地方思考下是否合理的地方思考下是否合理的地方思考下是否合理)；n n泰勒展开泰勒展开泰勒展开泰勒展开(抓住主要矛盾的最基本手段抓住主要矛盾的最基本手段抓住主要矛盾的最基本手段抓住主要矛盾的最基本手段)；n n数数数数值值求解微分方程求解微分方程求解微分方程求解微分方程组组(描述一个描述一个描述一个描述一个对对象象象象)；n n根根根根轨轨迹、迹、迹、迹、稳稳定裕度定裕度定裕度定裕度(工程工程工程工程师师的吃的吃的吃的吃饭饭家伙家伙家伙家伙)与描述函数等与描述函数等与描述函数等与描述函数等频频域知域知域知域知识识；n n*状状状状态观测态观测器的器的器的器的设计设计；n n*数数数数值值逼近与非逼近与非逼近与非逼近与非线线性性性性规规划的思想；划的思想；划的思想；划的思想；n nMatlabMatlab中主要基本控制分析函数的使用；中主要基本控制分析函数的使用；中主要基本控制分析函数的使用；中主要基本控制分析函数的使用；n n熟熟熟熟练练使用使用使用使用C C或者或者或者或者C+C+语语言；言；言；言；讲讲授特点授特点授特点授特点n n以以以以PPTPPT为为主主主主线线，遇到关，遇到关，遇到关，遇到关键键性的原理性的原理性的原理性的原理讲讲解解解解时时，以板，以板，以板，以板书书推推推推导为导为主，希望加深大家的印象。主，希望加深大家的印象。主，希望加深大家的印象。主，希望加深大家的印象。n n本本本本PPTPPT是从几个是从几个是从几个是从几个经经典教材中提典教材中提典教材中提典教材中提炼炼出来的，避免出来的，避免出来的，避免出来的，避免纠结纠结于于于于过过多的原理多的原理多的原理多的原理细节细节，回避，回避，回避，回避过过多的力学上的多的力学上的多的力学上的多的力学上的数学描述而引起数学描述而引起数学描述而引起数学描述而引起读读者的茫然，采取者的茫然，采取者的茫然，采取者的茫然，采取让让学生在学生在学生在学生在实实例使用中逐例使用中逐例使用中逐例使用中逐渐渐理解的策略，理解的策略，理解的策略，理解的策略，这这也是我本人的一也是我本人的一也是我本人的一也是我本人的一个体会：逐个体会：逐个体会：逐个体会：逐渐渐培养学生培养学生培养学生培养学生对对于控制的感性于控制的感性于控制的感性于控制的感性认识认识，而避免抽象的无，而避免抽象的无，而避免抽象的无，而避免抽象的无处处不在的理性。不在的理性。不在的理性。不在的理性。类类比于比于比于比于语语言的言的言的言的教学，在很多情况下，教学，在很多情况下，教学，在很多情况下，教学，在很多情况下，语语感比感比感比感比语语法更加重要。法更加重要。法更加重要。法更加重要。飞飞行器平台行器平台行器平台行器平台对对于控制于控制于控制于控制发发展的影响展的影响展的影响展的影响n n莱特的第一架莱特的第一架莱特的第一架莱特的第一架飞飞机在构造上没有与先前的机在构造上没有与先前的机在构造上没有与先前的机在构造上没有与先前的设计设计有多少特殊之有多少特殊之有多少特殊之有多少特殊之处处，唯一的差，唯一的差，唯一的差，唯一的差别别是引入了是引入了是引入了是引入了飞飞行舵行舵行舵行舵面面面面进进行操行操行操行操纵纵，才能，才能，才能，才能维维持持持持稳稳定的定的定的定的飞飞行；行；行；行；n n钱钱学森的学森的学森的学森的工程控制工程控制工程控制工程控制论论就是其在就是其在就是其在就是其在CaltecCaltec通通通通过过以以以以飞飞行器行器行器行器为为平台平台平台平台讲讲授控制原理的基授控制原理的基授控制原理的基授控制原理的基础础上丰富完上丰富完上丰富完上丰富完善的；善的；善的；善的；飞飞行器平台与系行器平台与系行器平台与系行器平台与系统统工程人才培养工程人才培养工程人才培养工程人才培养(1)(1)n n在我国，以在我国，以在我国，以在我国，以飞飞行器行器行器行器为为研制主体的航空航天研制主体的航空航天研制主体的航空航天研制主体的航空航天领领域是目前国内少有的独立域是目前国内少有的独立域是目前国内少有的独立域是目前国内少有的独立进进行完全控制系行完全控制系行完全控制系行完全控制系统设计统设计的的的的单单位，位，位，位，经过经过多年的不断完善，多年的不断完善，多年的不断完善，多年的不断完善，这这一条流水一条流水一条流水一条流水线线上培养的控制工程上培养的控制工程上培养的控制工程上培养的控制工程师经过师经过了系了系了系了系统统而而而而严严格的格的格的格的训练训练，不不不不仅仅在控制在控制在控制在控制领领域具有丰富的域具有丰富的域具有丰富的域具有丰富的经验经验，而且控制工程，而且控制工程，而且控制工程，而且控制工程师师也是培养也是培养也是培养也是培养总设计师总设计师最多的分系最多的分系最多的分系最多的分系统专业统专业，因，因，因，因为这为这个个个个专业专业需要全面系需要全面系需要全面系需要全面系统统的分析和理解的分析和理解的分析和理解的分析和理解问题问题。飞飞行器平台与系行器平台与系行器平台与系行器平台与系统统工程人才培养工程人才培养工程人才培养工程人才培养(2)(2)n n国内以航空航天国内以航空航天国内以航空航天国内以航空航天为为特色的院校，在控制特色的院校，在控制特色的院校，在控制特色的院校，在控制领领域都具有很域都具有很域都具有很域都具有很强强的的的的实实力，力，力，力，这这也充分也充分也充分也充分说说明了控制的学明了控制的学明了控制的学明了控制的学习习与研究如果脱离了与研究如果脱离了与研究如果脱离了与研究如果脱离了实际对实际对象将成象将成象将成象将成为为无源之水，无本之木。无源之水，无本之木。无源之水，无本之木。无源之水，无本之木。课课程主要内容程主要内容程主要内容程主要内容n n飞飞行器行器行器行器动动力学的力学基力学的力学基力学的力学基力学的力学基础础(解解解解释飞释飞行器行器行器行器为为何能何能何能何能飞飞以及改以及改以及改以及改变变其其其其飞飞行状行状行状行状态态的机理的机理的机理的机理)；n n飞飞行器的制行器的制行器的制行器的制导导(飞飞行器的行器的行器的行器的飞飞行行行行轨轨迹是怎迹是怎迹是怎迹是怎样设计样设计的以完成特定的任的以完成特定的任的以完成特定的任的以完成特定的任务务)；n n飞飞行器的控制行器的控制行器的控制行器的控制(怎怎怎怎样样通通通通过过操操操操纵执纵执行机构使得行机构使得行机构使得行机构使得飞飞行器能行器能行器能行器能够够跟踪制跟踪制跟踪制跟踪制导导指令指令指令指令)；n n一些一些一些一些现现代新方法在代新方法在代新方法在代新方法在飞飞行器制行器制行器制行器制导导与控制上的与控制上的与控制上的与控制上的应应用。用。用。用。本本本本课课程的重点程的重点程的重点程的重点针对对针对对象象象象主要以大气主要以大气层内的有翼内的有翼飞行器行器为重点重点对象象.一一则与我与我们更加接近更加接近,更容易更容易为大家所理解大家所理解;二二则这个个对象的一些主要分析研究方法和思想象的一些主要分析研究方法和思想,可以可以为更广泛的更广泛的领域所借域所借鉴.有翼式有翼式有翼式有翼式飞飞行器行器行器行器飞行器的升力基本由行器的升力基本由弹翼提供翼提供常常见的翼形的翼形怎怎怎怎样样学学学学习习与与与与读书读书n n在有在有在有在有经验经验的教的教的教的教师师指指指指导导下有下有下有下有选择选择的的的的读读特定的章特定的章特定的章特定的章节节，而不是通篇，而不是通篇，而不是通篇，而不是通篇浏览浏览，否，否，否，否则则会索然乏味，不知所会索然乏味，不知所会索然乏味，不知所会索然乏味，不知所云，或者云，或者云，或者云，或者书读书读得越多，受到的思想束得越多，受到的思想束得越多，受到的思想束得越多，受到的思想束缚缚也越多，成也越多，成也越多，成也越多，成为为文字的奴隶；文字的奴隶；文字的奴隶；文字的奴隶；n n主主主主动动跟老跟老跟老跟老师师交流迷惑的交流迷惑的交流迷惑的交流迷惑的问题问题，可能得到很，可能得到很，可能得到很，可能得到很简单简单便捷的理解；便捷的理解；便捷的理解；便捷的理解；n n对对于不太多也不很繁于不太多也不很繁于不太多也不很繁于不太多也不很繁琐琐的作的作的作的作业业自己推自己推自己推自己推导导与与与与编编程，熟悉整个流程，思考一下物理合理性；程，熟悉整个流程，思考一下物理合理性；程，熟悉整个流程，思考一下物理合理性；程，熟悉整个流程，思考一下物理合理性；n n适当适当适当适当时时候系候系候系候系统统回回回回顾顾一下所学的一下所学的一下所学的一下所学的东东西，梳理出条理，理解物理本西，梳理出条理，理解物理本西，梳理出条理，理解物理本西，梳理出条理，理解物理本质质，取其精，取其精，取其精，取其精华华，去其糟粕。，去其糟粕。，去其糟粕。，去其糟粕。课课程介程介程介程介绍绍结结束束束束第二部分第二部分第二部分第二部分飞飞行力学中的基本概念行力学中的基本概念行力学中的基本概念行力学中的基本概念基本概念基本概念基本概念基本概念n n飞飞行器的受力；行器的受力；行器的受力；行器的受力；n n升力如何升力如何升力如何升力如何产产生；生；生；生；n n制制制制导导、导导航与控制的关系；航与控制的关系；航与控制的关系；航与控制的关系；飞飞机机机机为为何能何能何能何能飞飞(1)(1)推力来源：推力来源：发动机.阻力来源：阻力来源：空气对机身 的阻力和摩擦力.升力来源：升力来源：伯努利原理.重力来源：重力来源：万有引力.飞飞机机机机为为何能何能何能何能飞飞(2)(2)伯努利原理飞飞机机机机为为何能何能何能何能飞飞(3)(3)n n弓形机翼明弓形机翼明弓形机翼明弓形机翼明显显看出气流在看出气流在看出气流在看出气流在经过经过机翼上面的机翼上面的机翼上面的机翼上面的时时候所候所候所候所过过的路程的路程的路程的路程显显然大于气流在然大于气流在然大于气流在然大于气流在经过经过机翼下面的机翼下面的机翼下面的机翼下面的时时候所候所候所候所过过的路程，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，所以机翼下端的压压力就大于机翼上力就大于机翼上力就大于机翼上力就大于机翼上端，端，端，端，产产生了生了生了生了压压力差，升力就這麼力差，升力就這麼力差，升力就這麼力差，升力就這麼產產生了生了生了生了。制制制制导导、导导航与控制航与控制航与控制航与控制(GNC)(GNC)n n制制制制导导(Guidance)(Guidance)：规规划出一条航行划出一条航行划出一条航行划出一条航行轨轨迹；迹；迹；迹；n n导导航航航航(Navigation)(Navigation)：测测量量量量飞飞行器的行器的行器的行器的实际实际姿姿姿姿态态与位置；与位置；与位置；与位置；n n控制控制控制控制(Control)(Control)：操：操：操：操纵飞纵飞行器沿着行器沿着行器沿着行器沿着规规划好的航行划好的航行划好的航行划好的航行轨轨迹运迹运迹运迹运动动。对应于于标准的反准的反馈控制框控制框图，GNC分分别对应于哪些元素？于哪些元素？历历史史史史发发展展展展1936年，德国开始年，德国开始进行行“制制导火箭火箭”研究工程。研究工程。著名的著名的V1和和V2导弹，是，是现代制代制导武器的鼻祖，地地武器的鼻祖，地地导弹。V1导弹倾斜斜发射，射，飞行完行完预设的距离后，的距离后，转动升降舵，掉升降舵，掉头俯冲攻俯冲攻击目目标。大大约飞行行370km，使用自，使用自动驾驶仪，核心是陀螺。，核心是陀螺。V2导弹投入投入实用，造成了很大心理威用，造成了很大心理威慑。精度：。精度：16km/322km系系统组成：方向陀螺成：方向陀螺进行航向行航向稳定定+时间驱动的俯仰指令机构；的俯仰指令机构；轴向向积分加速度分加速度计，当速度达到，当速度达到要求要求时，关，关闭发动机。使用了最早的陀螺与加速度机。使用了最早的陀螺与加速度计与与现今高精度巡航今高精度巡航导弹的差的差别：小：小闭环与大与大闭环飞飞行力学中的基本概念行力学中的基本概念行力学中的基本概念行力学中的基本概念结结束束束束第三部分第三部分第三部分第三部分飞飞行力学的分析行力学的分析行力学的分析行力学的分析飞飞行器的力学分析行器的力学分析行器的力学分析行器的力学分析 飞飞行器的力学特性是其作行器的力学特性是其作行器的力学特性是其作行器的力学特性是其作为为一个被控一个被控一个被控一个被控对对象的特性，是研究象的特性，是研究象的特性，是研究象的特性，是研究飞飞行器制行器制行器制行器制导导与控制的基与控制的基与控制的基与控制的基础础.作作作作为为一个系一个系一个系一个系统统工程工程工程工程师师或者控制工程或者控制工程或者控制工程或者控制工程师师，只有，只有，只有，只有对对于于于于对对象本身特性有深入的了解，才可能象本身特性有深入的了解，才可能象本身特性有深入的了解，才可能象本身特性有深入的了解，才可能针对针对其具体其具体其具体其具体问题问题有有有有的放矢。的放矢。的放矢。的放矢。飞飞行器力学范畴行器力学范畴行器力学范畴行器力学范畴n n飞飞机机机机飞飞行力学；行力学；行力学；行力学；n n直升机直升机直升机直升机飞飞行力学；行力学；行力学；行力学；n n导弹飞导弹飞行力学；行力学；行力学；行力学；n n空空空空间飞间飞行器行器行器行器飞飞行力学；行力学；行力学；行力学；一个可能的一个可能的一个可能的一个可能的认识误认识误区区区区许许多人多人多人多人认为认为，航空或者航天的，航空或者航天的，航空或者航天的，航空或者航天的动动力学特性很复力学特性很复力学特性很复力学特性很复杂杂。其。其。其。其实实不然，作不然，作不然，作不然，作为为运运运运动动控制中主要分支，控制中主要分支，控制中主要分支，控制中主要分支，飞飞行器行器行器行器动动力学基本上都可以使用牛力学基本上都可以使用牛力学基本上都可以使用牛力学基本上都可以使用牛顿顿定律很清晰的定律很清晰的定律很清晰的定律很清晰的进进行机理建模，而不象一些化工行机理建模，而不象一些化工行机理建模，而不象一些化工行机理建模，而不象一些化工过过程那程那程那程那样样机机机机理黑箱，只能理黑箱，只能理黑箱，只能理黑箱，只能进进行近似建模或者数行近似建模或者数行近似建模或者数行近似建模或者数值值逼近。逼近。逼近。逼近。回回回回忆忆牛牛牛牛顿顿力学力学力学力学n n平平平平动动的方程；的方程；的方程；的方程；n n转动转动的方程；的方程；的方程；的方程；作作作作为刚为刚体的体的体的体的飞飞行器行器行器行器质心的移心的移动：力的影响：包括空气：力的影响：包括空气动力，力，发动机的推力和机的推力和 重力。重力。绕质心的心的转动：相：相对于于质心的力矩心的力矩,，包括空气，包括空气动力矩，力矩，推力矩。推力矩。两个重要坐两个重要坐两个重要坐两个重要坐标标系系系系n n研究研究研究研究气气气气动动力力力力时时，以，以，以，以速度坐速度坐速度坐速度坐标标系系系系为为基准基准基准基准(O(O取在取在取在取在飞飞行器的行器的行器的行器的质质心上，心上，心上，心上，Ox3Ox3轴轴与速度矢量重合，与速度矢量重合，与速度矢量重合，与速度矢量重合，Oy3Oy3轴轴位于机体位于机体位于机体位于机体纵纵向向向向对对称平面内称平面内称平面内称平面内Ox3Ox3轴轴垂直，指向上垂直，指向上垂直，指向上垂直，指向上为为正正正正)；n n研究研究研究研究气气气气动动力矩力矩力矩力矩时时，以，以，以，以机体坐机体坐机体坐机体坐标标系系系系为为基准基准基准基准(Ox1(Ox1轴轴与机体与机体与机体与机体纵轴纵轴重合，重合，重合，重合，Oy1Oy1轴轴位于机体位于机体位于机体位于机体纵纵向向向向对对称平称平称平称平面内面内面内面内Ox1Ox1轴轴垂直，指向上垂直，指向上垂直，指向上垂直，指向上为为正正正正)；n n气气气气动动力与力矩的大小和方向，力与力矩的大小和方向，力与力矩的大小和方向，力与力矩的大小和方向，则则和上述和上述和上述和上述两个坐两个坐两个坐两个坐标标系之系之系之系之间间的的的的旋旋旋旋转转角度角度角度角度相关。相关。相关。相关。两个重要的坐两个重要的坐两个重要的坐两个重要的坐标标系系系系图图迎角：迎角：迎角：迎角：飞飞行力学中最基本的概念行力学中最基本的概念行力学中最基本的概念行力学中最基本的概念n n迎角：又叫气流角，包括攻角和迎角：又叫气流角，包括攻角和迎角：又叫气流角，包括攻角和迎角：又叫气流角，包括攻角和侧侧滑角。滑角。滑角。滑角。迎角在迎角在飞行力学，也就是作行力学，也就是作为控制控制对象的象的飞行器的特性建模中，具有基行器的特性建模中，具有基础和核心的作用。正如和核心的作用。正如同没有反同没有反馈就没有控制一就没有控制一样，没有迎角就没有，没有迎角就没有飞行力学，也就无从行力学，也就无从谈上上飞行器的行器的设计。速度坐速度坐速度坐速度坐标标系与系与系与系与弹弹体坐体坐体坐体坐标标系之系之系之系之间间的相的相的相的相对对方位可由两个角度确定：方位可由两个角度确定：方位可由两个角度确定：方位可由两个角度确定：(1)(1)垂直分量是攻角垂直分量是攻角垂直分量是攻角垂直分量是攻角(2)(2)水平分量是水平分量是水平分量是水平分量是侧侧滑角滑角滑角滑角 机翼的特性参数机翼的特性参数机翼的特性参数机翼的特性参数翼面翼面积S弹翼平面的投影面翼平面的投影面积，常作，常作为特征面特征面积；三大作用力三大作用力三大作用力三大作用力n n阻力阻力阻力阻力X(D)X(D)(反向于反向于反向于反向于Ox3Ox3，减速，减速，减速，减速)n n升力升力升力升力Y(L)Y(L)(正向于正向于正向于正向于Oy3Oy3，引起高度，引起高度，引起高度，引起高度变变化化化化)n n侧侧力力力力Z Z (正向于正向于正向于正向于Oz3Oz3，引起，引起，引起，引起侧侧向位置向位置向位置向位置变变化化化化)n nX X引起速度大小引起速度大小引起速度大小引起速度大小变变化，化，化，化，Y Y和和和和Z Z引起速度方向引起速度方向引起速度方向引起速度方向变变化，是法向力化，是法向力化，是法向力化，是法向力动压q=1/2V2一般来一般来说，各个力系数是，各个力系数是Ma数的函数数的函数对于一般的于一般的GNC问题，主要就，主要就是通是通过气气动力力变化改化改变Y和和Z从从而而调节飞行行轨迹，而迹，而调节速度速度大小主要是大小主要是发动机推力的功能。机推力的功能。X=cx*q*SY=cy*q*SZ=cz*q*S升力系数的工程升力系数的工程升力系数的工程升力系数的工程简简易易易易计计算公式算公式算公式算公式一般来一般来说，以上各个偏，以上各个偏导系数都是系数都是Ma数的函数数的函数面面对称称:轴对称称:攻角攻角提供的升力分量占到提供的升力分量占到绝大部分，超大部分，超过90%，因此只有改，因此只有改变才能真正影响升力的才能真正影响升力的变化化进而而改改变飞行器的高度；升降舵行器的高度；升降舵z的改的改变不是用来直接影响升力的，而是通不是用来直接影响升力的，而是通过调节间接影响升力的接影响升力的(飞行控制改行控制改变轨迹的机理，需要深刻把握，并在未来的迹的机理，需要深刻把握，并在未来的飞行控制行控制设计中体会中体会)。阻力系数的特点阻力系数的特点阻力系数的特点阻力系数的特点n n迎角越大，阻力系数越大迎角越大，阻力系数越大迎角越大，阻力系数越大迎角越大，阻力系数越大飞飞行行行行轨轨迹控制的机理：力到力矩迹控制的机理：力到力矩迹控制的机理：力到力矩迹控制的机理：力到力矩n n从前面的分析中，可以知道舵是从前面的分析中，可以知道舵是从前面的分析中，可以知道舵是从前面的分析中，可以知道舵是间间接改接改接改接改变变升力的。舵直接改升力的。舵直接改升力的。舵直接改升力的。舵直接改变变的是力矩的平衡关系，的是力矩的平衡关系，的是力矩的平衡关系，的是力矩的平衡关系，导导致致致致飞飞行器姿行器姿行器姿行器姿态发态发生改生改生改生改变变，而速度，而速度，而速度，而速度轴轴的改的改的改的改变变由于滞后的影响，机体由于滞后的影响，机体由于滞后的影响，机体由于滞后的影响，机体轴轴与速度与速度与速度与速度轴轴之之之之间间的差角的差角的差角的差角发发生改生改生改生改变变，也就是迎角也就是迎角也就是迎角也就是迎角发发生生生生变变化，从而化，从而化，从而化，从而产产生了气生了气生了气生了气动动力的力的力的力的变变化。化。化。化。三大力矩三大力矩三大力矩三大力矩n n俯仰力矩俯仰力矩俯仰力矩俯仰力矩MzMzn n偏航力矩偏航力矩偏航力矩偏航力矩MyMyn n滚动滚动力矩力矩力矩力矩MxMx力的作用点，力的作用点，压心心(主要受主要受Ma数影响数影响)，十分重要，十分重要注意注意观察几个控制舵的位置察几个控制舵的位置俯仰力矩工程俯仰力矩工程俯仰力矩工程俯仰力矩工程简简易易易易计计算公式算公式算公式算公式小攻角和舵偏角情况下小攻角和舵偏角情况下:最关最关键的主要的主要3项(第第2到到4项)：恢复力矩、操：恢复力矩、操纵力矩、阻尼力矩力矩、阻尼力矩上述三上述三项是控制是控制设计中的主要考中的主要考虑因素，而恢复与操因素，而恢复与操纵力矩量力矩量值又又远比阻尼力矩大。恢复力矩比阻尼力矩大。恢复力矩总是自是自然的去平衡操然的去平衡操纵力矩，使得二者之和基本力矩，使得二者之和基本为0，顾名思名思义。改。改变操操纵力矩，就必然改力矩，就必然改变了攻角，从而了攻角，从而影响了升力大小影响了升力大小(这点在未来点在未来设计中可以通中可以通过输出曲出曲线对比的形式深化理解比的形式深化理解)。侧侧向力矩工程向力矩工程向力矩工程向力矩工程简简易易易易计计算公式算公式算公式算公式偏航偏航滚动与与纵向的相向的相对独立不同，偏航与独立不同，偏航与滚动具有很具有很强的耦合性，只要出的耦合性，只要出现侧滑角，滑角，这两个方向都会受到影两个方向都会受到影响。响。铰链铰链力矩力矩力矩力矩n n操操操操纵纵面上的空气面上的空气面上的空气面上的空气动动力，力，力，力，对对于操于操于操于操纵纵面面面面转轴转轴上的力矩，一般会降低控制面效率。从直上的力矩，一般会降低控制面效率。从直上的力矩，一般会降低控制面效率。从直上的力矩，一般会降低控制面效率。从直观观上理解就上理解就上理解就上理解就是，由于是，由于是，由于是，由于飞飞行器高速行器高速行器高速行器高速飞飞行行行行带带来的相来的相来的相来的相对对气流气流气流气流对对于操于操于操于操纵纵面面面面带带来的阻力影响，而在静止条件下不存来的阻力影响，而在静止条件下不存来的阻力影响，而在静止条件下不存来的阻力影响，而在静止条件下不存在，操在，操在，操在，操纵纵面相当于面相当于面相当于面相当于顶风顶风前行。前行。前行。前行。这这个在控制的工程个在控制的工程个在控制的工程个在控制的工程设计时设计时十分重要，否十分重要，否十分重要，否十分重要，否则则可能出可能出可能出可能出现现操操操操纵纵面面面面驱动驱动力矩小于力矩小于力矩小于力矩小于铰链铰链力矩的情形，力矩的情形，力矩的情形，力矩的情形，执执行机构失效。行机构失效。行机构失效。行机构失效。飞飞行器的推力行器的推力行器的推力行器的推力n n推力推力推力推力P(T)P(T)，根据方向是否通，根据方向是否通，根据方向是否通，根据方向是否通过质过质心，判断其是否心，判断其是否心，判断其是否心，判断其是否产产生力矩。生力矩。生力矩。生力矩。飞飞行器的重力行器的重力行器的重力行器的重力n nG=mgG=mg飞飞行力学的分析行力学的分析结结束束束束第四部分第四部分第四部分第四部分飞飞行器行器行器行器动动力学与运力学与运力学与运力学与运动动学方程学方程学方程学方程组组的建立的建立的建立的建立基基基基础础：牛：牛：牛：牛顿顿力学力学力学力学坐坐坐坐标标系的系的系的系的选择选择n n选选取坐取坐取坐取坐标标系的原系的原系的原系的原则应该则应该是：既能正确地描述是：既能正确地描述是：既能正确地描述是：既能正确地描述飞飞行器的运行器的运行器的运行器的运动动，又要使描述运，又要使描述运，又要使描述运，又要使描述运动动的方程形式的方程形式的方程形式的方程形式简单简单清晰。清晰。清晰。清晰。n n确定确定确定确定质质心的位置坐心的位置坐心的位置坐心的位置坐标标和和和和飞飞行器在空行器在空行器在空行器在空间间的姿的姿的姿的姿态态等，建立等，建立等，建立等，建立地面坐地面坐地面坐地面坐标标系系系系(惯惯性坐性坐性坐性坐标标系系系系)；n n研究研究研究研究飞飞行器行器行器行器质质心运心运心运心运动动的的的的动动力学力学力学力学标标量方程，建立量方程，建立量方程，建立量方程，建立弹弹道坐道坐道坐道坐标标系系系系；地面坐地面坐地面坐地面坐标标系系系系A A取在取在取在取在发发射点上，射点上，射点上，射点上，AxAx轴轴指向目指向目指向目指向目标标，AyAy轴轴沿垂沿垂沿垂沿垂线线向上向上向上向上弹弹道道道道(轨轨迹迹迹迹)坐坐坐坐标标系系系系OO取在取在取在取在飞飞行器行器行器行器质质心上，心上，心上，心上，Ox2Ox2轴轴与速度方向与速度方向与速度方向与速度方向V V重合，重合，重合，重合，Oy2Oy2轴轴位于包含速度矢量位于包含速度矢量位于包含速度矢量位于包含速度矢量V V的的的的铅铅垂平面内垂直垂平面内垂直垂平面内垂直垂平面内垂直于于于于Ox2Ox2，指向上，指向上，指向上，指向上为为正正正正几个坐几个坐几个坐几个坐标标系的特点系的特点系的特点系的特点n n机体坐机体坐机体坐机体坐标标系相系相系相系相对对机体是不机体是不机体是不机体是不动动的，而速度坐的，而速度坐的，而速度坐的，而速度坐标标系和系和系和系和弹弹道坐道坐道坐道坐标标系相系相系相系相对对机体是机体是机体是机体是转动转动的。的。的。的。n n不同坐不同坐不同坐不同坐标标系之系之系之系之间间的相互旋的相互旋的相互旋的相互旋转转换转转换，可以得到不同物理意，可以得到不同物理意，可以得到不同物理意，可以得到不同物理意义义的角度的角度的角度的角度变变量量量量(从一个坐从一个坐从一个坐从一个坐标标系得到另一系得到另一系得到另一系得到另一个坐个坐个坐个坐标标系采用系采用系采用系采用连续连续旋旋旋旋转转的方法：每次的方法：每次的方法：每次的方法：每次绕绕一个一个一个一个轴轴旋旋旋旋转转)。n n旋旋旋旋转转后坐后坐后坐后坐标标系的系的系的系的转换转换公式可以直接由立体解析几何推得，是公式可以直接由立体解析几何推得，是公式可以直接由立体解析几何推得，是公式可以直接由立体解析几何推得，是3 3个初等旋个初等旋个初等旋个初等旋转转矩矩矩矩阵阵的乘的乘的乘的乘积积，被称，被称，被称，被称为为方向余弦矩方向余弦矩方向余弦矩方向余弦矩阵阵，各个元素都是旋，各个元素都是旋，各个元素都是旋，各个元素都是旋转转角度的正弦或者余弦，矩角度的正弦或者余弦，矩角度的正弦或者余弦，矩角度的正弦或者余弦，矩阵阵是正交的。是正交的。是正交的。是正交的。地面坐地面坐地面坐地面坐标标系与机体坐系与机体坐系与机体坐系与机体坐标标系系系系转换转换欧拉角欧拉角方向余弦矩方向余弦矩阵东东北天坐北天坐北天坐北天坐标标系与系与系与系与经纬经纬度关系度关系度关系度关系n n东东北天坐北天坐北天坐北天坐标标系是一种特殊的大地平面坐系是一种特殊的大地平面坐系是一种特殊的大地平面坐系是一种特殊的大地平面坐标标系，三个系，三个系，三个系，三个轴轴分分分分别别指向指向指向指向东东、北、天，适用于航程、北、天，适用于航程、北、天，适用于航程、北、天，适用于航程较较短短短短的的的的飞飞行器；行器；行器；行器；n n经纬经纬度度度度产产生于地球球面坐生于地球球面坐生于地球球面坐生于地球球面坐标标系，能系，能系，能系，能够够更适用于更适用于更适用于更适用于远远航程航程航程航程飞飞行器，充分考行器，充分考行器，充分考行器，充分考虑虑了地球的球面效了地球的球面效了地球的球面效了地球的球面效应应；n n东东北天坐北天坐北天坐北天坐标标系等大地坐系等大地坐系等大地坐系等大地坐标标系与球面坐系与球面坐系与球面坐系与球面坐标标的的的的转换转换主要依据前者主要依据前者主要依据前者主要依据前者x x轴轴的指向角，的指向角，的指向角，的指向角，转换转换公式是当地公式是当地公式是当地公式是当地经纬经纬度的函数，通度的函数，通度的函数，通度的函数，通过过迭代迭代迭代迭代产产生；生；生；生；地面坐地面坐地面坐地面坐标标系与系与系与系与弹弹道坐道坐道坐道坐标标系系系系转换转换几个坐几个坐几个坐几个坐标标系之系之系之系之间间的关系的关系的关系的关系飞飞行器运行器运行器运行器运动动方程方程方程方程组组n n动动力学方程力学方程力学方程力学方程n n运运运运动动学方程学方程学方程学方程n n质质量量量量变变化方程化方程化方程化方程n n几何关系方程几何关系方程几何关系方程几何关系方程n n控制关系方程控制关系方程控制关系方程控制关系方程动动力学方程力学方程力学方程力学方程(Dynamics)(Dynamics)质质心运心运心运心运动动的的的的动动力学方程力学方程力学方程力学方程绕质绕质心心心心转动转动的的的的动动力学方程力学方程力学方程力学方程运运运运动动学方程学方程学方程学方程(Kinematics)(Kinematics)质质心运心运心运心运动动的运的运的运的运动动学方程学方程学方程学方程绕质绕质心心心心转动转动的运的运的运的运动动学方程学方程学方程学方程几何关系方程几何关系方程几何关系方程几何关系方程控制关系方程控制关系方程控制关系方程控制关系方程n n切向控制力改切向控制力改切向控制力改切向控制力改变变速度大小，法向控制力改速度大小，法向控制力改速度大小，法向控制力改速度大小，法向控制力改变变速度方向；速度方向；速度方向；速度方向；n n改改改改变变姿姿姿姿态态，改，改，改，改变变攻角和攻角和攻角和攻角和侧侧滑角，滑角，滑角，滑角，产产生气生气生气生气动动力的力的力的力的变变化；化；化；化；n n空气舵面控制，推力矢量控制空气舵面控制，推力矢量控制空气舵面控制，推力矢量控制空气舵面控制，推力矢量控制(摆动喷摆动喷管或者管或者管或者管或者扰扰流片控制流片控制流片控制流片控制)，反作用力控制，反作用力控制，反作用力控制，反作用力控制(Reaction Control(Reaction Control System)System)舵面控制舵面控制舵面控制舵面控制调节变调节变量量量量n n控制控制控制控制飞飞行器的姿行器的姿行器的姿行器的姿态态或者或者或者或者过载过载加速度加速度加速度加速度n n控制控制控制控制飞飞行器的速度行器的速度行器的速度行器的速度运运运运动动学方程的数学方程的数学方程的数学方程的数值值解法解法解法解法n n欧拉法欧拉法欧拉法欧拉法(Euler)(Euler)n nRunge-KuttaRunge-Kutta法法法法插插值函数程序函数程序飞飞行器行器行器行器动动力学与运力学与运力学与运力学与运动动学方程学方程学方程学方程组组的建立的建立的建立的建立结结束束束束人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。