近空间飞行器面向控制的动力学建模
飞行器起落架系统的动力学建模与控制
飞行器起落架系统的动力学建模与控制飞行器起落架是飞机的重要组成部分，它在飞机的起飞、降落以及地面行驶等环节起到关键的作用。
起落架系统的设计和控制对飞行安全至关重要。
本文将探讨飞行器起落架系统的动力学建模与控制方法。
一、起落架系统的构成和功能起落架系统一般由起落架框架、悬挂系统、轮胎组件、刹车系统以及液压和电气系统等组成。
它的主要功能包括支撑飞机在地面行驶时的重量、吸收起飞和降落时的冲击力以及提供刹车和悬挂等功能。
起落架系统的设计应考虑到飞机的重量、速度、着陆方式等因素，以确保其安全可靠。
二、起落架系统的动力学建模起落架系统的动力学模型一般包括悬挂系统、刹车系统以及轮胎与地面之间的力学关系等。
悬挂系统的动力学模型可以采用弹簧和阻尼模型来描述，刹车系统的动力学可以采用非线性摩擦模型来表征。
在进行动力学建模时，需要考虑到各个组件之间的相互作用和物理特性。
例如，起落架框架的弯曲刚度会对整个系统的动力学行为产生影响；轮胎与地面之间的接触力也会受到地面摩擦系数、胎压、载荷等因素的影响。
因此，建立起落架系统的动力学模型是一个复杂而关键的任务。
三、起落架系统的控制方法飞行器起落架系统的控制旨在保证起落架系统的稳定运行和安全操作。
传统的起落架系统控制方法主要基于PID控制算法，通过调节阻尼和刹车力来实现。
然而，这种方法在处理非线性和时变特性时存在一定的局限性。
近年来，基于模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）的起落架系统控制方法获得了广泛应用。
MPC通过建立系统的动力学模型，预测系统的未来行为，并根据优化目标进行控制。
这种方法可以更好地处理系统的非线性和时变特性，提高控制的效果和鲁棒性。
另外，人工智能技术在起落架系统控制中也有着重要的应用。
基于深度学习的控制方法可以从大量的数据中学习系统的动力学模型和控制策略，以实现更准确和智能化的控制。
四、起落架系统的故障诊断和健康管理起落架系统的故障诊断和健康管理是飞行器起落架系统重要的研究领域。
飞行器动力学建模与控制
飞行器动力学建模与控制飞行器作为现代高科技的代表，运用着许多科学原理和技术手段，除了设备精良外，飞行器的动力学建模与控制也是一个重要的因素。
本文将介绍飞行器的动力学建模与控制原理，以期能够让读者了解到飞行器的控制原理和设计思路。
一、飞行器动力学建模1.1 飞行器的构成和类型飞行器能够在空中飞行，主要是因为它能够自由控制方向、速度和高度。
飞行器主要由机翼、发动机、螺旋桨、驾驶舱、燃料系统、控制面和附属设备等组成。
与它的构成相应的是一系列的飞行器类型。
这些类型根据体积、重量、性能、使用领域等方面进行分类。
1.2 动力学模型概述飞行器的动力学模型主要包括广义动力学标准模型和飞行机体模型。
广义动力学标准模型将飞行器分成若干个系统、子系统和量级，然后运用欧拉方程推导得到各个子系统的微分方程；飞行机体模型主要基于牛顿第二定律及其衍生公式，将飞行器分为受力部分，然后统计各部分的作用力，推导出系统的动力学模型。
二、飞行器控制原理2.1 控制器的种类和特点从控制器的种类来看，飞行器的控制器可以分为简单控制器、高级控制器和自适应控制器。
从控制器的特点来看，可以细分为开环控制器和闭环控制器。
开环控制器一般不涉及反馈控制环节，常用于控制器的简单控制；闭环控制器则一般包含反馈控制环节，可以在具有鲁棒特性的前提下实现精细控制。
2.2 飞行器控制技术的应用飞行器控制技术主要包括传统控制技术和现代控制技术两个方面。
传统控制技术主要包括PID控制器、比例开关控制器和模糊控制器等，它们被广泛应用于飞行器的实际控制中。
而现代控制技术则包括神经网络控制器、分布式控制器和自适应控制器等，常用于精细控制和难度较高的控制任务中。
三、结论与展望本文主要介绍了飞行器动力学建模和控制原理，包括1.1介绍了飞行器的构成和类型，1.2概述了动力学模型，2.1讨论了控制的种类和特点，2.2列举了控制技术的应用。
从具体的实践角度来看，目前飞行器动力学建模和控制已经取得了很大的成功，为人类探索空间和实现各种飞行任务提供了坚实的技术支撑。
四轴飞行器动力学分析与建模
四轴飞行器动力学分析与建模四轴飞行器主要由机架、动力系统、控制系统和传感器系统组成。
机架是整个飞行器的骨架，负责承载各个部件。
动力系统由四个电动马达和四个螺旋桨组成，电动马达通过转动螺旋桨产生升力和推力。
控制系统负责控制飞行器的飞行姿态以及飞行方向。
传感器系统用于获取飞行器的姿态和位置信息。
首先是力学分析。
在飞行过程中，四个螺旋桨产生的升力和推力需要平衡飞行器的重力。
根据牛顿第二定律，可以建立四轴飞行器的运动方程。
假设四轴飞行器在三维空间中的位置为(x, y, z)，速度为(vx, vy, vz)，质量为m。
则四轴飞行器所受到的合力可以表示为：F = mg - Tm是飞行器的质量，g是重力加速度，T是螺旋桨产生的合力。
根据牛顿第二定律，可以得到四轴飞行器的加速度方程为：a = (mg - T) / m其次是电机模型。
电机模型主要描述电动马达的输出特性。
通常情况下，电动马达的输出转矩与输入电流之间存在一定的关系。
可以使用简化的转矩模型来描述电动马达的输出。
假设电动马达的转矩为Tm，电流为I，转矩模型可以表示为：Tm=k1*I其中k1为电动马达的参数。
接下来是姿态稳定。
四轴飞行器的姿态稳定是实现飞行器平稳飞行的重要问题。
姿态稳定的关键在于对飞行器角度的控制。
通过使用陀螺仪、加速度计和磁力计等传感器获取飞行器的姿态信息，并通过控制系统对飞行器的姿态进行控制。
姿态稳定算法可以根据飞行器的姿态误差来计算所需的控制指令，进而控制飞行器的电动马达来实现姿态的调整。
最后是运动控制。
运动控制主要涉及到飞行器的位置和速度控制。
通常情况下，可以使用位置式控制和速度式控制来实现飞行器的运动控制。
在位置式控制中，通过计算飞行器的位置误差来产生相应的控制指令，控制飞行器的电动马达来实现位置的调整。
在速度式控制中，通过计算飞行器的速度误差来产生相应的控制指令，控制飞行器的电动马达来实现速度的调整。
综上所述，四轴飞行器的动力学分析与建模主要涉及到力学分析、电机模型、姿态稳定和运动控制等方面。
运动控制中的动力学建模与仿真研究
运动控制中的动力学建模与仿真研究一、引言运动控制在现代工程领域扮演着重要的角色。
无论是机器人控制、汽车自动驾驶还是航天飞行器的导航，都需要对系统的动力学进行建模和仿真研究。
动力学建模是追踪系统运动、优化控制策略以及进行运动规划的关键一步。
本文将探讨运动控制中的动力学建模与仿真研究。
二、传统动力学建模方法传统的动力学建模方法基于牛顿力学原理，并采用微分方程描述物体的运动。
通过分析系统的受力、扭矩和外部作用等因素，建立运动方程并求解，以获得物体在不同时间点上的运动状态。
这一方法可以准确地描述物体在系统内部和外部作用力的影响下的运动情况。
然而，由于涉及到大量的微分方程，传统动力学建模方法具有复杂性和计算量大的特点。
三、基于仿真的动力学建模方法随着计算机科学和数值方法的发展，基于仿真的动力学建模方法成为研究的热点。
这种方法利用计算机软件来模拟动力学系统的运动，通过数值计算得到系统在不同时间点上的状态。
仿真技术具有简便、灵活和高效的特点，能够快速和准确地模拟系统的动态行为。
四、多体动力学仿真多体动力学仿真是运动控制中的重要技术之一。
它可以模拟多个物体之间的力学相互作用，并准确地反映系统的运动特性。
多体动力学仿真常应用于机器人控制、车辆动力学和飞行器飞行控制等领域。
通过建立精确的模型和仿真环境，研究人员可以探索不同控制算法、路径规划和优化策略，以提高系统的性能和稳定性。
五、控制系统建模方法除了动力学建模，控制系统建模也是运动控制中的重要一环。
控制系统建模关注的是将输入信号转化为输出信号，并研究系统对输入信号的响应。
常见的控制系统建模方法包括传递函数法、状态空间法和最小二乘法等。
这些方法可以精确地描述控制系统的动态行为，为系统设计和优化提供理论依据。
六、动力学仿真与实际应用动力学仿真在实际应用中具有广泛的应用价值。
在机器人领域，动力学模型可以帮助研究人员分析机器人的稳定性、机械臂的运动和力学特性等。
在车辆动力学研究中，仿真可以帮助模拟车辆在不同路况下的行驶情况，优化车辆的悬挂系统和驱动力分配策略。
航天控制中的数学模型与建模技术研究
航天控制中的数学模型与建模技术研究随着人类社会的不断发展和进步，航空航天技术的发展也越来越迅速。
而在飞行控制这一领域，数学模型与建模技术是不可或缺的重要环节。
数学模型可以通过物理、化学、工程和经济等学科理论和原理，对问题进行抽象和简化，作为研究过程的工具和途径。
在航天领域，数学模型可以帮助人们理解和描述航天器的运动和姿态变化，以及预测其行为和性能等。
而建模技术则是指将实际问题转化为数学模型的过程，即建立数学模型。
航天控制中的数学模型通常包括基于质量、力学和运动方程的姿态控制模型，以及基于信号处理和计算机控制系统的轨道控制模型。
其中，姿态控制是航天控制中最重要的环节之一，因为航天器姿态的调整和控制是保证其安全、有效地完成各项任务的前提。
而姿态控制的过程，主要涉及到航天器的角速率、角位移、旋转矩阵等参数。
在姿态控制模型中，数学模型的主要目的是为了描述航天器的动力学特性。
因此，在进行数学建模时，需要考虑诸如重力、惯性、气动力等因素，并衡量它们之间的相互作用。
此外，数学模型的成功与否还取决于模型的准确性、可靠性和精度等。
在建立模型的过程中，需要大量的实验数据和理论知识作为基础，以实现模型精度的提高。
除了姿态控制之外，轨道控制模型也是航天控制中的重要环节。
在实际操作中，轨道控制是保证航天器正确进入和退出轨道的关键。
而轨道控制涉及到多种因素，如空气动力学、引力和惯性力等。
在数学建模时，必须考虑这些因素对轨道控制的影响，并确保通过计算机程序和控制算法控制航天器的位置和速度等参数。
由于航天控制涉及到多种因素和环节，因此数学建模的过程变得非常复杂。
除了需要收集和分析大量的实验数据和理论知识之外，还需要建立适当的数学模型来描述和预测航天器的运动和行为。
同时，建模过程还需要考虑如何应用计算机和控制算法来进行有效的控制。
为了实现更精确、可靠和高效的航天控制，必须不断探索和完善数学模型和建模技术。
在未来，基于深度学习和人工智能等新技术的发展，航空航天的数学建模和控制技术将进一步提高。
飞行器姿态动力学建模方法比较综述
飞行器姿态动力学建模方法比较综述飞行器姿态动力学建模是飞行器设计和控制的重要工作之一。
姿态动力学模型描述了飞行器在空中运动过程中的导航、姿态变化和动力学响应。
准确建模飞行器的姿态动力学对于飞行控制系统的设计、性能评估和飞行安全至关重要。
在飞行器姿态动力学建模中，主要涉及到飞行器的姿态表示、运动方程和控制输入等方面。
根据姿态表示的方法可以将姿态动力学模型分为欧拉角、四元数和旋转矩阵等不同的表示形式。
同时，在建模过程中也需要考虑到飞行器的非线性特性，以及可能存在的不确定性和扰动。
常见的飞行器姿态动力学建模方法包括欧拉角方法、四元数方法、旋转矩阵方法和仿射变换方法等。
每种方法都有其特点和适用范围。
下面将对这些方法进行综述和比较。
1. 欧拉角方法欧拉角方法是最常见和直观的姿态表示方法之一。
它将飞行器的姿态分解为绕三个相互垂直的轴（通常是roll、pitch和yaw轴）的旋转角度。
然而，由于欧拉角存在奇异点和万向锁等问题，这种方法在某些情况下不够精确和稳定。
2. 四元数方法四元数方法通过四元数数值来表示飞行器的姿态，它具有无奇异性和唯一性的特点，能够准确描述飞行器的旋转。
四元数方法相对于欧拉角方法在计算上更加高效和精确，因此在飞行控制中得到广泛应用。
3. 旋转矩阵方法旋转矩阵方法使用一个3x3的矩阵来表示姿态，该矩阵描述了飞行器的旋转变换。
旋转矩阵方法在计算上相对复杂，但可以提供更多的姿态信息，适用于需要高精度姿态表示的任务。
4. 仿射变换方法仿射变换方法是一种灵活的建模方法，可以通过旋转、平移和缩放等变换来描述飞行器的姿态。
这种方法可以较好地处理复杂姿态动力学建模问题，但也需要更多的计算资源和数学基础。
综合比较这些方法可以发现，四元数方法是最受欢迎和实用的飞行器姿态动力学建模方法之一。
四元数方法相比于其他表示方法具有更高的计算效率和数值稳定性，并且可以避免奇异性和万向锁问题。
因此，在飞行器姿态动力学建模中，四元数方法可以作为首选方法使用。
飞行器动力学与控制的建模与仿真
飞行器动力学与控制的建模与仿真第一章：引言飞行器是人类探索天空和实现航空运输的主要工具之一。
从飞翔能力弱的风筝，到机体巨大、载客能力强、飞行速度快的民用飞机，再到航天器等高科技飞行器，飞行器的形态和性能得到了极大的发展。
飞行器的安全性和稳定性是飞行器发展和应用的基础，因此对飞行器动力学与控制的建模和仿真具有重要的理论和实际意义。
本文将从建模和仿真的角度探讨飞行器动力学和控制领域的相关问题。
首先介绍飞行器的基础动力学原理，然后根据不同类型的飞行器进行建模和仿真。
接着从控制的角度分析飞行器的稳定性和控制方法。
最后总结本文的主要内容。
第二章：飞行器动力学建模与仿真2.1 飞行器的基础动力学原理飞行器的运动状态可以通过速度、加速度、位置和角度等参数来描述。
飞行器主要受到重力、气动力和推力等力的作用，因此其动力学建模需要考虑这些因素。
在一定范围内，飞行器的运动状态可以由牛顿运动定律来描述。
在三维空间中，飞行器任意时刻的位置可以用向量表示，速度和加速度也是空间向量。
这些向量满足向量加法和向量乘法的基本规律。
在三维空间中，它们可以分别表示为：位置向量：r=[x y z]T速度向量：v=[u v w]T加速度向量：a=[ax ay az]T2.2 垂直起降飞行器建模与仿真垂直起降飞行器的建模和仿真是当前研究的热点之一。
垂直起降飞行器通常是指可以在空中垂直升降和水平飞行的飞行器。
例如，直升机、V-22倾转旋翼机和飞行汽车等。
垂直起降飞行器的建模需要考虑其旋翼的气动力学特性、机体运动特性和受力情况等。
旋翼的气动力学特性反映了旋翼在空气中产生扭矩和升力的机理，也是垂直起降飞行器运动状态的关键因素。
通常使用叶元法等方法对其进行建模和仿真。
2.3 固定翼飞行器建模与仿真固定翼飞行器是一类受到空气动力学力作用的航空器。
通常使用空气动力学的分析方法对其进行建模。
空气动力学分析包括气动力系数和空气动力特性等。
气动力系数是描述飞机与空气流动相互作用的基本参数，空气动力特性则包括升力、阻力、舵面效应等。
数学建模和控制理论在飞行器中的应用
数学建模和控制理论在飞行器中的应用随着现代科技的发展，飞行器已经成为现代航空技术中不可或缺的一环。
然而，在飞行器的设计和制造过程中，需要考虑到众多的因素，其中就包括数学建模和控制理论的应用。
缺少这些重要的技术，不仅可能会对飞行器的工作效率产生不利影响，而且还会对飞行器的安全性和可靠性造成潜在的威胁。
因此，本文将探讨数学建模和控制理论在飞行器中的应用。
一、数学建模在飞行器中的应用数学建模是指运用数学方法和理论，将实际问题转化为数学问题，以便分析问题或解决问题的过程。
在飞行器的设计和制造中，数学建模也是非常重要的一环。
主要表现在以下几个方面：1. 空气动力学建模空气动力学建模是指通过一些数学模型，对空气动力学原理进行建模，并用于飞行器的气体动力学、控制及设计等方面。
空气动力学建模中，常用的基本数学模型主要包括：爆炸机理模型、流体稳态方程组、雷诺平均 Navier- Stokes 方程组等。
同时，还要考虑到其他因素的影响，例如温度、空气密度、风向等。
通过这些模型，能够更加精确地预测飞行器的飞行速度和受到的力矢量，提高了飞行器的计算精度和辨识能力。
2. CAD 三维建模CAD 三维建模是指通过计算机辅助设计系统，对飞行器进行三维建模。
这种三维建模技术可以准确地实现企图了解和进行深入研究的复杂系统的大量几何学信息，包括固体零件、表面、空间的轮廓线、形状、空间尺寸、质量和位置等。
同时，计算机辅助设计系统在进行仿真设计时还能够输入实验数据，从而得到更加精度的设计方案，以满足飞行器的真实需求。
3. 数学模型仿真数学模型仿真是指在数学模型的基础上，利用计算机仿真技术将模型逼真地重现出来。
数学模型仿真主要包括数字仿真、物理仿真、行为仿真等。
数学模型仿真能够帮助工程师更好地研究并完善设计方案，从而尽可能减少实际制造中的成本和风险。
同时，数学模型仿真还能够帮助飞行器的操作员了解飞行器的工作原理和运作过程，提高工作效率和安全性。
航天器动力学与控制技术的研究与应用
航天器动力学与控制技术的研究与应用航天器动力学与控制技术是航空航天领域中非常重要的一个分支，它可以使航天器准确控制动作、稳定运行和预测运动轨迹，为实现精确的轨道控制和导航提供了坚实的技术基础。
本文将从三个方面进行探讨，分别是航天器动力学建模、动力学控制及航天器姿态控制。
一、航天器动力学建模航天器的动力学行为是指航天器在运动过程中所表现出来的各种物理现象。
在进行航天器动力学研究之前，需要先对其进行合理的建模。
航天器可以看作是一个复杂的非线性系统。
因此，在对其进行建模时需要考虑多个因素，如姿态、方向、速度等。
航天器的建模与设计需要主要考虑地球重力以及其它外部干扰等因素。
通过对这些因素进行综合考虑，可以建立起一套完整的航天器动力学模型以及控制方案。
二、动力学控制动力学控制是指利用控制理论为航天器制定控制算法的一门技术。
动力学控制的主要任务是为航天器动态行为中的各种问题提供合适的控制策略。
动力学控制的技术手段主要包括PID控制、模型预测控制、自适应控制等。
其中，PID控制是一种广泛应用于动力学控制中的算法。
它通过比较实际状态和目标状态的偏差，调整控制量，使得航天器动态行为保持稳定。
自适应控制相比PID控制具有更好的自适应性能，可以适应不同的环境变化。
模型预测控制则采用了复杂的动力学模型来进行控制，使得航天器的控制策略更加准确和可靠。
三、航天器姿态控制航天器姿态控制是指对其方向、角度、陀螺仪等信息的实时监测和调整。
航天器姿态控制通常包括三个部分：姿态检测、姿态算法和姿态控制。
其中，姿态检测是指监测航天器当前的方向、角度、陀螺仪数据等信息。
姿态算法是根据航天器的姿态信息，计算出航天器当前的姿态角度。
姿态控制是根据计算出来的姿态角度，通过控制器进行反馈调节，以保证航天器的姿态保持稳定。
航天器姿态控制是航天器动力学和控制技术的重要组成部分，它对保证航天器的安全、稳定运行和准确控制具有至关重要的作用。
结语：航天器动力学与控制技术的研究与应用，不仅是航天器设计中必须掌握的技术，也是保证航天器精确轨迹控制和姿态控制的关键技术之一。
飞行器动力系统的建模与控制策略设计
飞行器动力系统的建模与控制策略设计飞行器动力系统的建模与控制策略设计是现代航空领域中的重要研究方向之一。
随着航空技术的不断发展，越来越多的关注被放在了如何提高飞行器的性能和效率上。
动力系统作为飞行器的重要组成部分，对于飞行器的性能起着至关重要的作用。
在这篇文章中，我们将讨论飞行器动力系统的建模方法以及相关的控制策略设计。
首先，为了设计一个可靠高效的飞行器动力系统，我们需要对其进行建模。
建模的目的是描述飞行器动力系统的行为特性，为后续的控制策略设计提供依据。
建模的方法通常可以分为基于物理原理和基于数据统计的方法。
基于物理原理的建模方法主要是从系统的物理特性出发，通过建立动力学方程来描述系统的行为。
这种方法需要深入了解飞行器动力系统的组成和运行原理，以及所涉及的物理现象。
通过运用力学、热力学和流体力学等基础理论，可以建立飞行器动力系统的数学模型。
例如，对于内燃机动力系统，可以通过建立燃烧过程和传热过程的数学模型来描述其性能。
同时，还可以考虑飞行器动力系统的各种过程之间的相互作用，如机械能转换、能量传输和排放等。
基于物理原理的建模方法可以提供对系统内部运行机制的深刻理解，但对于复杂的动力系统来说，建模过程可能非常繁琐和耗时。
基于数据统计的建模方法则是通过分析实际飞行器动力系统所产生的实验数据来确定系统的数学模型。
这种方法通过对系统输入和输出数据进行统计和分析，例如时域分析和频谱分析，可以揭示系统内部的运行规律。
基于数据统计的建模方法相对于基于物理原理的方法更为简便，且不需要对系统进行深入了解。
然而，它们的准确性往往依赖于所采集的数据质量和数量。
在完成飞行器动力系统的建模之后，我们需要设计相应的控制策略来优化系统的性能。
飞行器动力系统的控制策略通常包括稳定控制和优化控制。
稳定控制是保证飞行器动力系统稳定运行的基本要求。
在设计稳定控制器时，我们需要考虑系统的各种工况和不确定性因素。
一种常用的控制策略是PID控制器，它通过调整比例、积分和微分参数来产生适当的控制输出。
航天器轨道设计的动力学模型建立
航天器轨道设计的动力学模型建立航天器轨道设计是航天工程中至关重要的一环。
通过合理的轨道设计，可以实现航天器的稳定运行、精确控制和高效利用。
而建立航天器轨道设计的动力学模型，则是实现这一目标的基础。
一、轨道设计的重要性航天器轨道设计的重要性不言而喻。
合理的轨道设计能够确保航天器在太空中的稳定运行，避免与其他航天器的碰撞，提高任务的成功率。
此外，轨道设计还能够影响航天器的能源利用效率，通过合理的轨道选择，航天器可以更好地利用地球引力和其他天体的引力，实现能源的节约和再利用。
二、动力学模型的基本原理建立航天器轨道设计的动力学模型，需要考虑多种因素，包括引力、惯性、空气阻力等。
其中，引力是最主要的因素之一。
根据牛顿力学定律，航天器在太空中受到太阳和其他天体的引力作用，这些引力将决定航天器的运动轨迹。
同时，航天器自身的质量和速度也会对轨道设计产生影响。
三、动力学模型的建立方法建立航天器轨道设计的动力学模型可以通过多种方法实现。
其中，最常用的方法是数值模拟法和解析法。
数值模拟法是一种基于计算机仿真的方法。
通过将航天器的运动方程转化为数值计算问题，可以得到航天器在不同时间点上的位置和速度。
这种方法的优势在于可以考虑多种复杂因素，并且可以得到非常精确的结果。
但是，数值模拟法需要大量的计算资源和时间，对计算机的性能要求较高。
解析法是一种基于数学公式的方法。
通过对航天器的运动方程进行求解，可以得到航天器的轨道方程。
这种方法的优势在于计算速度快，计算结果准确。
但是，解析法通常只适用于简单的轨道设计问题，对于复杂的情况，可能无法得到解析解。
四、动力学模型的应用案例航天器轨道设计的动力学模型在实际工程中有着广泛的应用。
例如，国际空间站的轨道设计就是通过建立动力学模型来实现的。
通过考虑地球引力、太阳引力和其他天体的引力等因素，科学家们成功地将国际空间站安置在了一个稳定的轨道上，确保了航天员的安全和任务的顺利进行。
此外，动力学模型还可以应用于卫星轨道设计、行星探测器的轨道设计等领域。
飞行器运动控制系统设计与仿真
飞行器运动控制系统设计与仿真近年来，随着技术的不断创新，飞行器的使用越来越广泛，而飞行器的运动控制系统则是保证安全和稳定的核心所在。
在飞行器运动控制系统的设计和仿真中，主要涉及到三个方面的内容：动力学模型、控制算法和仿真环境。
一、动力学模型动力学模型是指对飞行器在运动过程中各种力的作用下所受到的力学约束进行建模。
在实际使用中，飞行器受到的外部干扰较多，而且存在非线性的情况，因此在建立动力学模型时需要考虑这些因素。
针对不同类型的飞行器，需要建立不同的动力学模型。
一般来说，动力学模型可以分为几种：单体飞行器动力学模型、多体飞行器动力学模型、神经网络飞行器动力学模型等。
其中，多体飞行器动力学模型是指将飞行器看作多个质点组成的系统，在具体模型设计时需要考虑到不同质点之间的相互作用。
二、控制算法控制算法是指针对飞行器的运动姿态和位置进行调整的算法。
对于不同类型的飞行器，控制算法也是不同的。
例如，针对无人机的控制算法可以分为经典PID算法、模糊控制算法、自适应控制算法等。
在进行控制算法设计时，需要考虑到系统稳定性、抗干扰能力、控制精度等因素。
同时，针对不同的控制需求和现实应用场景，控制算法的设计也必须非常灵活和全面。
需要不断研究新的算法，并根据实际情况对现有算法进行不断改进和调优。
三、仿真环境仿真环境是指模拟真实情况下飞行器动力学模型和控制算法进行测试的环境。
在仿真环境中，可以模拟飞行器在不同环境下的运动状态，并通过不同控制算法进行控制测试。
一般来说，仿真环境包含了三个方面：底层仿真平台、仿真建模工具和仿真过程分析工具。
其中，底层仿真平台可以根据不同的需求选择不同的模拟环境。
例如，使用Matlab等软件平台可以构建飞行器动力学模型和控制系统模型，并进行仿真测试。
而使用专业的仿真环境，则可以更加快速和规范地进行仿真测试。
结语综上所述，飞行器运动控制系统设计与仿真不仅需要建立合适的动力学模型和控制算法，同时还需要依赖仿真环境进行模拟测试。
飞行器动力学建模与仿真
精选课件
10
基础知识要求
牛顿力学基础； 高等数学初步； 数值计算方法； 自动控制原理； 现代控制理论部分知识； Matlab与C语言；
精选课件
11
涉及到的主要知识点
关于受力分析的基本直觉和一些基本概念(得到的 设计结果都从最直观的地方思考下是否合理)；
泰勒展开(抓住主要矛盾的最基本手段)； 数值求解微分方程组(描述一个对象)； 根轨迹、稳定裕度(工程师的吃饭家伙)与描述函
精选课件
29
制导、导航与控制(GNC)
制导(Guidance)：规划出一条航行轨迹； 导航(Navigation)：测量飞行器的实际姿态
与位置； 控制(Control)：操纵飞行器沿着规划好的
航行轨迹运动。
对应于标准的反馈控制框图，GNC分别对应于哪些元素？
精选课件
30
历史发展
1936年，德国开始进行“制导火箭”研究工程。 著名的V1和V2导弹，是现代制导武器的鼻祖，地地导弹。
在我国以飞行器为研制主体的航空航天在我国以飞行器为研制主体的航空航天领域是目前国内少有的独立进行完全控制领域是目前国内少有的独立进行完全控制系统设计的单位经过多年的不断完善系统设计的单位经过多年的不断完善这一条流水线上培养的控制工程师经过了这一条流水线上培养的控制工程师经过了系统而严格的训练不仅在控制领域具有系统而严格的训练不仅在控制领域具有丰富的经验而且控制工程师也是培养总丰富的经验而且控制工程师也是培养总设计师最多的分系统专业因为这个专业设计师最多的分系统专业因为这个专业需要全面系统的分析和理解问题
数等频域知识；
*状态观测器的设计； *数值逼近与非线性规划的思想； Matlab中主要基本控制分析函数的使用； 熟练使用C或者C++语言；
航天器动力学建模和控制技术研究
航天器动力学建模和控制技术研究航天器是在地球轨道上或其他行星表面上运行的人造飞行器。
在传送人类和货物到太空以及其他特殊任务方面，航天器是必不可少的工具。
为确保航天器可以顺利完成任务，并确保它的安全，需要进行严格的控制和管理。
在这方面，航天器动力学建模和控制技术的研究至关重要。
1. 航天器动力学建模航天器动力学建模是指建立航天器运动规律及其影响因素的数学模型。
通过航天器动力学建模，可以较准确地预测宇宙环境和航天器自身状态，并为控制设计提供理论基础。
航天器动力学建模包括以下两个方面：1.1 运动方程航天器运动方程主要包括牛顿第二定律、欧拉力学和航天器的几何关系等。
在这些方程中，需要涉及到航天器所受的各种力和力矩，如地球重力、空气阻力、太阳引力等，同时还需要考虑转动、推进、制动等运动模式。
基于这些方程建立的数学模型，可以预测航天器的状态和行为。
1.2 系统动力学模型航天器是一个多输入多输出的复杂系统，因此需要建立系统动力学模型，包括系统的结构和控制规律。
在这个过程中，需要考虑航天器控制系统中控制器和执行器，系统传感器的控制策略，以及控制算法等。
2. 航天器控制技术航天器控制技术是指利用现代控制理论和技术对航天器进行控制和管理，以实现预定目标并确保在安全的范围内完成任务。
航天器控制技术包括以下几个方面：2.1 轨道控制对于地球轨道上的航天器，需要通过轨道控制技术来保持和改变轨道参数。
轨道控制技术包括推力控制、转向控制和姿态控制等。
通过合理的控制调整各参数的大小，可以使航天器在空间中作出规避、追赶、偏转等动作，实现预定的任务需求。
2.2 姿态控制姿态控制是指通过推力、反作用轮和控制翼等装有反馈调节系统的装置，对航天器的姿态角进行控制。
在正常飞行中，可以通过姿态控制技术，使航天器保持稳定飞行，防止不必要的损失。
2.3 进出轨控制进出轨控制是指控制航天器的速度和机动特性，使其顺利进入或离开轨道。
在进入轨道的过程中，需要呈现出一种适应外界环境的姿态角，并保持稳定，以减少对航天器的损伤和故障。
飞行器动力学建模及仿真研究
飞行器动力学建模及仿真研究第一部分：引言飞行器动力学建模及仿真研究，是一个经过多年发展的学科，在航空、航天等各个领域都得到了广泛的应用。
本文将介绍飞行器动力学的基本概念和模型，并介绍如何使用仿真技术研究飞行器动力学。
第二部分：飞行器动力学基本概念飞行器动力学是研究飞行器在空气中运动规律和稳定性的学科。
飞行器动力学主要包括力学、偏微分方程、控制论、计算机科学等方面，因此需要涉及很多复杂的数学知识。
为了方便研究，一般使用三自由度模型（俯仰、偏航、滚转）或六自由度模型（三个方向的平动和三个方向的旋转）来描述飞行器的运动状态。
1、直升机直升机能够实现垂直起降和空中悬停，但它的特殊结构和复杂动力学使得它在空气中的运动规律更加复杂。
直升机的动力学主要包括旋翼理论、轴动力平衡、车体运动稳定等方面。
2、飞行器飞行器（包括飞机和导弹）的动力学主要涉及飞行器的气动性能、动力装置、重心位置、控制系统等方面。
为了控制飞行器的运动状态，需要对其进行动态建模，并在仿真中进行测试。
第三部分：飞行器动力学建模为了进行仿真研究，需要对飞行器进行动力学建模。
动力学建模是指通过数学方程和计算机模型来描述飞行器运动状态和运动规律的过程。
正确的动力学建模可以帮助研究人员更好地理解飞行器的运动规律，为控制系统设计提供参考。
1、直升机模型直升机的动力学模型有风洞模型和非定常气动模型两种。
风洞模型主要用于研究直升机的稳定性和控制问题，而非定常气动模型则更加贴近实际情况，可用于直升机飞行状态的仿真和模拟研究。
2、飞行器模型飞行器的动力学模型有基于欧拉角的模型和基于四元数的模型两种。
欧拉角模型可以更好地理解飞行器的姿态调节和控制，而四元数模型则更加精确和高效，可以减少计算负担。
第四部分：仿真技术在飞行器动力学中的应用仿真是一种模仿复杂系统行为的工具，可以模拟飞行器在真实环境中的运动规律和稳定性。
针对不同的问题，可以使用不同的仿真方法，如基于统计、神经网络等方法。
飞行器动力学建模与仿真讲解
回忆牛顿力学
平动的方程； 转动的方程；
作为刚体的飞行器
质心的移动：力的影响：包括空气动力，发动机的推力和
重力。
绕质心的转动：相对于质心的力矩,，包括空气动力矩， 推力矩。
两个重要坐标系
研究气动力时，以速度坐标系为基准(O取在飞行 器的质心上，Ox3轴与速度矢量重合，Oy3轴位于 机体纵向对称平面内Ox3轴垂直，指向上为正)； 研究气动力矩时，以机体坐标系为基准(Ox1轴与 机体纵轴重合，Oy1轴位于机体纵向对称平面内 Ox1轴垂直，指向上为正) ；
俯仰力矩Mz 偏航力矩My 滚动力矩Mx
注意观察几个控制舵的位置
力的作用点，压心(主要受Ma数 影响)，十分重要
俯仰力矩工程简易计算公式
小攻角和舵偏角情况下:
最关键的主要3项(第2到4项)：恢复力矩、操纵力矩、阻尼力矩
上述三项是控制设计中的主要考虑因素，而恢复与操纵力矩量值又远比阻尼力矩大。 恢复力矩总是自然的去平衡操纵力矩，使得二者之和基本为0，顾名思义。改变操纵 力矩，就必然改变了攻角，从而影响了升力大小(这点在未来设计中可以通过输出曲 线对比的形式深化理解)。
V1导弹倾斜发射，飞行完预设的距离后，转动升降舵，掉头俯冲攻击目标。 大约飞行370km，使用自动驾驶仪，核心是陀螺。 V2导弹投入实用，造成了很大心理威慑。精度：16km/322km 系统组成：方向陀螺进行航向稳定+时间驱动的俯仰指令机构；轴向积分加速度 计，当速度达到要求时，关闭发动机。使用了最早的陀螺与加速度计
课程介绍
结束
第二部分
飞行力学中的基本概念
基本概念
飞行器的受力； 升力如何产生； 制导、导航与控制的关系；
飞行器动力学模型的建立方法
飞行器动力学模型的建立方法每一种机器都有其独特的运动规律和特性，飞行器也不例外。
飞行器可以是飞机、直升机、无人机等。
其运动学和动力学特性的研究是在设计和操作过程中至关重要的。
在飞行器的设计和优化中，动力学模型建立是至关重要的一步。
动力学模型是对飞行器运动行为的描述，通过对该模型进行研究和模拟，可以帮助设定性能指标，预测飞行器的动态行为，以及进行控制系统设计。
本文将介绍飞行器动力学模型的建立方法。
首先介绍动力学模型的分类，然后讨论如何建立动力学模型……一、动力学模型的分类在飞行器的运动学和动力学模型建立过程中，常见的分类体系主要包括几何模型、数学模型和物理模型。
1. 几何模型几何模型主要关注飞行器的几何特性，包括外形、尺寸、各部件之间的相对位置和形状等。
适用于对实物进行直接建模，可以进行形状优化、气动和流场分析、重量评估等工作。
2. 数学模型数学模型描述飞行器的运动特性和相应的控制机制。
数学模型通过研究系统中的动力学和控制特性来设计控制器、优化控制策略。
常见的数学模型主要包括线性和非线性模型。
3. 物理模型物理模型是基于控制理论和实际物理力学原理构建的一类动力学模型。
通过物理模型可以研究飞行器的运动轨迹，包括姿态、位置和速度等。
物理模型更常被用于优化空气动力学和气动布局的设计，以及评估特定飞行器的性能。
二、建立动力学模型动力学模型是对飞行器运动行为的描述。
其建模主要分为三部分：动力学建模、控制器设计和实现。
1. 动力学建模动力学建模是飞行器动力学模型建立的第一步，其目的是描述飞行器的动力学特性。
运动学中常用的建模方法是拉格朗日力学和哈密顿力学。
其中，拉格朗日方法将系统的能量作为研究对象，而哈密顿方法更多关注系统的相空间状态。
因此，哈密顿方法适用于高维多输入多输出系统的建模，而拉格朗日方法则适用于较为简单的系统建模。
2. 控制器设计控制器设计是确保飞行器能够以期望的方式运动的关键。
通过建立控制系统，可以改变飞行器运动的轨迹、姿态和动力特性。
基于神经网络的飞行器动力学建模与控制设计
基于神经网络的飞行器动力学建模与控制设计飞行器动力学建模与控制设计是飞行器控制领域的核心研究方向之一。
随着神经网络技术的不断发展，将神经网络应用于飞行器动力学建模与控制设计已经成为一种新的研究方向。
本文将详细介绍基于神经网络的飞行器动力学建模与控制设计的理论基础、实现步骤和应用案例。
一、理论基础1. 飞行器动力学模型飞行器动力学模型是对飞行器运动规律的数学描述，通常包括力学方程、气动力方程和控制方程。
基于神经网络的飞行器动力学模型可以通过学习输入-输出数据来建立，克服传统方法需要建立复杂的物理模型和实验数据采集的限制。
2. 神经网络基本原理神经网络是一种模拟人脑神经系统工作原理的计算模型，由大量的人工神经元互联而成。
神经网络通过学习输入与输出之间的映射关系来实现模式识别、函数逼近和控制决策等任务。
常用的神经网络包括前馈神经网络、递归神经网络和深度神经网络等。
二、实现步骤1. 数据采集与预处理首先，需要收集与飞行器动力学相关的输入和输出数据。
输入数据通常包括飞行器的姿态、飞行状态和控制指令等，输出数据则是飞行器的运动特性如位置、速度和加速度等。
采集到的数据需要进行预处理，包括去除噪声、归一化和特征提取等。
2. 神经网络架构设计根据飞行器建模与控制的特点，设计合适的神经网络架构。
可以根据问题的复杂度选择适合的神经网络模型，如单层前馈神经网络、多层感知机或循环神经网络等。
同时，需要确定神经网络的输入、输出和隐藏层的节点数。
3. 网络训练与优化使用采集到的数据集对神经网络进行训练，并优化网络的参数和结构。
训练过程中，可以使用常见的优化算法如梯度下降算法、遗传算法或模拟退火算法等。
同时，可以采用交叉验证和正则化技术来防止过拟合问题。
4. 动力学模型建立与控制设计基于已经训练好的神经网络模型，可以将其应用于飞行器动力学模型的建立和控制设计中。
通过对输入数据进行神经网络的前向传播，即可得到相应的输出结果。
进一步，可以将神经网络模型嵌入到飞行器控制系统中，实现对飞行器的自动控制。
飞行器空气动力学的模拟模型
飞行器空气动力学的模拟模型随着科技的不断发展，人类能够制造越来越高效的飞行器。
但飞行器的设计，除了需要考虑航空工程学之外，还需要考虑空气动力学。
空气动力学涉及到各种飞行器的设计和控制问题，例如翼型、机身形状、引擎布局、控制系统等。
为了更好地理解和分析空气动力学问题，飞行器空气动力学模拟模型成为了一种常用的工具。
一、飞行器空气动力学模拟模型飞行器空气动力学模拟模型是将空气动力学理论和数学方法应用于飞行器的模拟环境中。
它是一种基于计算机模拟的技术，可以模拟飞行器的空气动力学性能。
模拟模型通常利用数值方法求解流体力学方程组，以获得飞行器受风阻、升力、侧推力等影响的详细信息。
通过模拟结果，可以获取飞行器受力性能、气动稳定性、飞行控制等相关数据，并用于飞行器设计、测试和优化。
每个飞行器的空气动力学性能都不同，所以要设计一个合适的模拟模型，需要考虑飞行器的外形、重量、速度等参数。
同时，不同的模拟模型也有不同的工作方式和精确度。
常用的飞行器空气动力学模拟模型有：可基于质点的飞行器动力学模拟模型、完整的飞行器动力学模拟模型、表面有限体积高阶方法（FVHO）模拟模型等。
二、可基于质点的飞行器动力学模拟模型可基于质点的飞行器动力学模拟模型是一种基本的飞行器空气动力学模拟模型。
它通过将飞行器分解成若干个质点，并进行数学运算以获得飞行器的力学性质。
这种模型对于全球飞机建模问题具有很好的执行效率。
在这种模型中，飞行器的轨迹和速度严格依赖于它的初始状态和参数，它们都是预先设定的常数。
然而，可基于质点的模型最大的缺陷是无法模拟飞行器的细节和精确性。
该模型无法导出动态的力,高阶气动效应,因此不适合用于精细的气动设计分析。
同时，仿真准确度会受到飞行状态的影响，误差有时也比较大。
三、完整的飞行器动力学模拟模型完整的飞行器动力学模拟模型是一种包含了飞行器完整几何形状和表面特性的模型。
这种模型可以模拟飞行器在不同速度和风速下的空气动力学性能，并用于飞行器的设计和优化。
飞行器的动力学建模与仿真
飞行器的动力学建模与仿真飞行器的动力学建模与仿真在航空航天领域中起着重要的作用。
通过建立准确的数学模型和进行仿真模拟，我们可以更好地理解飞行器的运行原理、评估设计方案的性能，并优化飞行控制系统。
本文将介绍飞行器动力学建模的基本原理和常用方法，并探讨仿真方法的应用。
一、飞行器动力学建模飞行器动力学是研究飞行器在空中运动规律和受力情况的学科。
建立准确的动力学模型是分析和优化飞行器性能的关键。
飞行器动力学模型通常包括飞行器的几何特性、大气环境、飞行器结构、发动机等因素。
1. 几何特性建模飞行器的几何特性主要包括质心位置、气动特性和运动约束等。
质心位置是飞行器稳定性和操纵性的关键因素，可以根据飞行器的布局和质量分布来计算。
气动特性涉及到飞行器及其组件的空气动力学特性，可以通过实验和计算来获取。
运动约束是根据飞行器的操纵限制和运动学方程建立的。
2. 大气环境建模大气环境对飞行器的运动状态和气动特性具有重要影响。
大气环境建模通常需要考虑的参数包括气温、气压、密度和风速等。
这些参数可以根据实测数据或气象模型来获得。
3. 结构建模飞行器的结构特性对其运动状态和控制性能有着直接影响。
飞行器的结构建模需要考虑结构材料、质量分布、刚性和柔性等因素。
常用的方法包括有限元分析和模态分析等。
4. 发动机建模发动机是飞行器的动力来源，对其性能进行建模是飞行器动力学建模的重要一环。
发动机模型需要考虑燃油消耗、推力输出和发动机特性等。
二、飞行器动力学仿真飞行器的动力学仿真是通过数值计算模拟飞行器的运动过程，以评估和优化飞行器的性能。
飞行器动力学仿真可以分为飞行器整体仿真和子系统仿真两个层次。
飞行器整体仿真是模拟飞行器在飞行过程中的动力学行为。
通过求解飞行器的运动方程和运动学关系，可以得到飞行器的位置、速度、姿态和动力响应等相关参数。
飞行器整体仿真通常使用数值计算方法，如广义坐标法、欧拉法或龙格-库塔法等。
子系统仿真是模拟飞行器不同部件的动力学行为。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
近空间飞行器面向控制的动力学建模 魏庆凯1 黄迅2 北京大学工学院，北京，100871 摘要： 对国内的高超声速飞行器控制研究来说， 目前亟需一个公开的面向控制的动力学模型。
为此本文给出一个针对乘波体概念外形建立动力学模型的方法， 我们基于空气动力学激波理 论计算模型的气动力和气动力矩， 建立近空间飞行器的动力学模型， 并讨论了该建模方法的 利弊与适用性。
1. 简介 近空间飞行器具有了很强的民用和军用应用前景， 各国政府与研究机构也开始更多的投 入到该飞行器的研究中。
美国政府在上世纪 90 年代开始 Hyper-X 计划，研发的 X-43 实验 机在 2004 年首次试飞成功，这更掀起了各国对高超声速飞行器研发的热潮。
高超声速飞行器面临着许多有别于传统飞行器的新问题， 由于高超飞行器的飞行包线变 化剧烈，存在的快时变、强非线性和强耦合的特点，控制系统的设计除了需要考虑飞行过程 中的不确定性等，还需要考虑实时性指标[1]。
因此无论是在控制器设计阶段还是控制器验证 阶段，都迫切需要一个高超飞行器的动力学模型。
欧洲和美国学术界在组织对高超飞行器控制方法研究时， 都给出了各自研究对象的动力 学模型，但具体气动参数没有对外公开，目前所见国外文献中只讨论控制方法设计，及其在 一个工作点附近的工作效果。
国内的相关研究才刚刚起步， 目前突出问题是没有一个公共的 高超飞行器模型供大家研究控制方法和比对控制效果， 当前工作多只能利用国外公开的在一 个工作点附近的纵向模型，相关控制方法在马赫数、高度、温度、气压大范围变化区间内的 有效性存在疑问。
此外，对于飞控系统半实物仿真来说，为了验证控制器和舵机的实时性和 跟踪效果，也迫切需要一个动力学模型做在系统仿真用。
为此， 本工作结合我们在流体动力学和控制两方面的研究经验， 参考国外已有的高超声 [2][3][4][5] 速飞行器模型 建模方法， 正在建立一个含参变量飞行器动力学模型， 希望能在近期为 国内控制界同仁提供一个公共动力学模型研究平台。
本文主要介绍我们的初步工作， 包括建 模思想、方法和相关讨论。
2. 建模基本思想 本文的高超飞行器主要指基于吸气式发动机的， 相关动力学建模的一个难点是发动机的 流量、推力性能等特性参数未知，因此在本工作中我们只考虑发动机不工作的滑翔段建模。
具体来说，考查美国 X-43 的首次试飞细节，整个飞行过程包括火箭助推、分离、发动机工 作、无动力滑翔、着陆。
在各个阶段对应截然不同的动力学模型，并需要有针对性地提出相 应的控制策略。
对火箭助推、 分离阶段的控制关系到所有后续工作成败， 但牵涉到火箭和具体方案选择， 不适宜在现阶段展开研究。
发动机试验阶段，X-43 初始飞行试验中进气道打开，发动机压 缩空气工作了 8 秒，然后进气道关闭进入滑翔段。
对此阶段动力学建模高度依赖发动机推 力模型， 在现阶段发动机技术研究路线尚未冻结情况下开展后续动力学建模和控制研究的时 机显然还未成熟。
此外，在发动机试验阶段不可能进行大机动等，对控制算法的挑战应相对 较小。
而在滑翔段中 X-43 主动进行姿态和轨道的调整，采集建模数据和试验控制器性能。
12 博士生, 力学与空天技术系。
Email：weiqingkai@ 研究员，力学与空天技术系。
Email：huangxun@ 我国的高超飞行器也必然采取同样的实验步骤， 即首先在发动机飞行实验阶段整个飞行器的 飞行姿态和飞行环境不做剧烈变化， 并且发动机开机时间短暂， 由燃油消耗引起的质量变化 可忽略不计，此阶段目的是实验发动机工作。
此后在关机发动机后的滑翔阶段高度、密度、 温度、气压变化剧烈，而且需要试验姿态和轨道的机动，并采集大量数据供后续研究分析， 在这个阶段应对控制器设计提出挑战。
因此， 针对无动力滑翔段首先建立面向控制的动力学 模型是当前非常有意义的一项工作。
动力学建模工作依赖于空气动力学的计算和/或实验数据的支持。
目前高超飞行器的实 验和计算相关工作都正在进行中，主要着眼于气动设计优化，由于稀薄大气、高温高速气动 涉及化学反应等因素， 如何提高计算模拟和实验的准确性问题还存在很大挑战。
但对控制来 说，建模误差可以在控制器设计阶段被考虑进来，即使对存在 50%乃至更高误差的模型也 可以设计出具有一定保守性的控制器。
因此， 我们针对无动力返回再入过程， 首先根据气动理论设计一个乘波体构型的飞行器 模型的几何尺寸、质量、质心等参数，再结合激波理论对飞行器周围气体压强等进行计算， 进一步得到模型受力、力矩，从而得到飞行器空气动力学系数，最终转换成飞行器的六自由 度动力学模型，再下一步即可相应开展控制器研究。
本工作将会分阶段进行。
首先针对刚体 模型基于激波理论建立动力学模型，并公布第一版模型数据供国内同仁研究相应的控制算 法。
其次，基于 Lighthill 活塞理论进一步把气动弹性和热弹性因素也考虑进来，发布第二版 模型数据。
最后，收集国内学术界的控制算法，基于我们发展的模型在北京大学建设半实物 仿真系统，研究各类控制算法的具体实现问题。
此外，本文所介绍的方法和开发流程同样适 用于升力体构型。
3. 面向控制建模细节 参考国外已有超高声速飞行器模型[2][3][4][5]， 结合空气动力学和乘波体理论， 设计模型外 形如图 1。
其中 CG 为质心，在质心系中模型前缘的坐标为（x0，y0） f、Le、La 分别为前段、 ，L 发动机段和后段长度。
后续工作中将发展出更一般的程序，使用户可以定制这些参数。
针对 纵向通道， 动力学模型建立主要有以下几个步骤。
横向通道动力学模型建设可采用类似方法和步骤。
（1）根据空气动力学理论（斜激波、膨胀波）得到一定攻角、马赫数下模型周围气体压强 分布； （2）利用 Lighthill 活塞理论已求出的气体压力分布和模型几何形状得到模型所受气动力和 气动力矩； （3）对控制面采用牛顿碰撞理论计算控制面受气动力和气动力矩； （4）用气动力、气动力矩和模型所受其他外力（地球吸引力、离心力等） ，建立六自由度动力学模型。
本文先以比较简便的纵向动力学模型为例进行说明： 图 2 为模型在攻角为 时的周围气体压强分布， 由斜激波理论由已知气流偏转角 代入公式 和 可求得激波角 ，进而由公式得 P 1、M1 ； 得到气体压强分布后，可计算模型所受到气动力和气动力矩： x 向气动力： y 向气动力： 气动力矩（顺时针） ： 在通过分析手段获得各种气动数据后，可以建立如下动力学模型，包括动力学方程、在 舵面控制下的气动力和力矩，大气模型等。
图三给出了一个纵向动力学模型的大致框架，具 体模块细节将后续向国内同仁提供。
图三：北京大学开发的飞行器纵向动力学模型 只得指出的是本研究所采取的方法完全基于理论推导，对模型外形要求为简化的直线 系，所使用的空气动力学理论不考虑表面气体电离和化学反应，飞行器模型简化为刚体。
如 前所述， 只要我们能够给出建模误差就可以设计出保守控制器。
为此在本工作中我们还正在 针对局部工作点开展流体计算， 获得该工作点处较准确地气动参数， 从而对建模误差给出一 个度量。
此外，弹性体影响也将在后续工作中考虑进来。
图四：北京大学开发的实时控制系统。
所有的动力学模型可以结合实时控制工具箱和并行工具箱， 根据计算负载分配到并行计算机上去执行模型计算。
控制器设计可以由实时控制工具箱自动转换成 C 代码并下载到 实时控制器上去执行。
北京大学在这方面开展的初步工作如图四所示。
图 A 为 Matlab 中实 现的控制器，通过网络可以往实时控制器 B 中下载 C 代码并执行程序，实时性和控制效果 可在监视器 C 中动态反映。
下一步我们将基于这些工作发展出更完善的在系统仿真系统。
总的来说，本建模方法具有理论直观、计算快速特点，无论是对设计阶段前期的控制器 研究，中期阶段的控制器实物仿真，还是后期阶段的控制器在线调整都具有重要意义。
相关 工作正在开展中，更多细节将在演讲中提供。
参考文献： [1]吴宏鑫、孟斌；高超声速飞行器控制研究综述；力学进展，第 39 卷，第 6 期，2009 [2] Bolender, M. A. and Doman, D. B., “A Non-Linear Model for the Longitudinal Dynamics of a Hypersonic Airbreathing Vehicle” , the 2005 Guidance, Navigation and Control Conference, AIAA Paper No. 2005-6255, August 2005. [3] Oppenheimer, M. and Doman, D.; “A Flexible Hypersonic Vehicle Model Developed With Piston Theory”, AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit, AIAA Paper No. 2007-6396, August 2005.[4] Parker, J. and Serrani A., “Control‐Oriented Modeling of Air‐Breathing Hypersonic Vehicle”, Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 30 No. 3, 2007, pp.856‐869. [5] Schmidt, D., “Dynamics and Control of Hypersonic Aeropropulsive/ Aeroelastic Vehicles”, AIAA Paper 1992‐4326, 1992 。