飞行动力学与控制大作业
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《飞行力学与控制》
飞行动力学与控制大作业报告
院（系）航空科学与工程学院
专业名称飞行器设计
学号
学生姓名
目录
一．飞机本体动态特性计算分析 (2)
1.1飞机本体模型数据 (2)
1.2模态分析 (2)
1.3传递函数 (3)
1.4升降舵阶跃输入响应 (3)
1.5频率特性分析 (5)
1.6短周期飞行品质分析 (6)
二．改善飞行品质的控制器设计 (7)
2.1SAS控制率设计 (7)
2.1.1控制器参数选择 (8)
2.1.2数值仿真验证 (12)
2.2CAS控制率设计 (13)
三．基于现代控制理论的飞行控制设计方法 (16)
3.1特征结构配置问题描述 (16)
3.1.1特征结构的可配置性 (16)
3.1.2系统模型 (16)
3.2系统的特征结构配置设计 (17)
3.2.1设计过程 (17)
3.2.2具体的设计数据 (17)
3.2.3结果与分析 (18)
四．附录 (20)
一． 飞机本体动态特性计算分析
1.1
飞机本体模型数据
本文选取F16飞机进行动态特性分析及控制器设计，飞机的纵向状态方程形式如下：
.
x =Ax +Bu y =Cx
(1.1)
状态变量为：[]T
u q αθ=x
控制变量为：e δ=u
基准状态选择为120,2000V m s H m ==的定直平飞。选取状态向量
()T
u q αθ
=x ,控制量为升降舵偏角，则在此基准状态下线化全量方程所得
到的矩阵数据如下：
-0.0312 -1.1095 -9.8066 -0.5083-0.0013 -0.6543 0 0.9185 0 0 0 1.00000 -0.3828 0 -0.6901⎡⎤⎢⎥
⎢
⎥=⎢⎥⎢⎥
⎣⎦Α (1.2)
[]-0.0167
-0.0014
-0.0956T
=B
(1.3)
[]1.000057.295857.295857.2958diag =C
(1.4)
1.2
模态分析
矩阵A 的特征值算出为：
1,23,4-0.6778 + 0.5926i
-0.0100 + 0.0769i
λλ==
对应的特征向量如下：
0.9874 0.9874 -1.0000 -1.0000 0.1137 - 0.0053i 0.1137 + 0.0053i 0.0011 - 0.0000i 0.0011 + 0.0000i 0.0521 - 0.0629i 0.0521 + 0.0629i 0.002=V 1 + 0.0078i 0.0021 - 0.0078i 0.0019 + 0.0735i 0.0019 - 0.0735i -0.0006 + 0.0001i -0.0006 - 0.0001i ⎡⎤
⎢⎥
⎢
⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦
由系统特征值可知，系统具有两对共轭复根，也即具有两种运动模态：长周
期模态与短周期模态，其对应的模态频率及阻尼比如下：
表一 飞机长短周期模态特征
可以看出，在此飞行状态下，飞机纵向具有明显的长周期模态，但不具备明显的短周期的模态特征，模态频率过低，需要使用纵向增稳系统，改善阻尼比和自然频率。
1.3
传递函数
飞机迎角与俯仰角速度对应于升降舵输入下的传递函数如下：
()32432
0.08021 5.0880.16150.06983
1.3760.84360.024320.00488s s s s s s s G s α----++=++ (1.5)
()324325.477 3.7240.10349.536016
1.3760.84360.024320.00488
q G s s s s e s s s s ----++=-++
(1.6)
1.4 升降舵阶跃输入响应
由上述传递函数可得迎角与俯仰角速度在升降舵单位阶跃输入下的响应分别如下：
迎角对升降舵输入的阶跃响应
t(s) (seconds)
α(d e g )
图1 升降舵单位阶跃输入迎角时域响应
上面阶跃响应的性能指标为：稳态值为- 14.3090，调节时间为332.0859s,超调量是37.6120%，上升时间是40.9400s 。
俯仰角速率对升降舵的单位阶跃响应
t(s) (seconds)
q (d e g /s )
图2 升降舵单位阶跃输入俯仰角速度时域响应
上面阶跃响应的性能指标为：稳态值为0，调节时间为558.8424s,超调量是2.9663/0，上升时间是42.4104s 。
1.5 频率特性分析
迎角与俯仰角速度对应的传递函数的Bode 图如下：
-100-50
50
M a g n i t u d e (d B
)10
10
10
10
10
10
P h a s e (d e g )
Bode Diagram
Frequency (rad/s)
图3 迎角对升降舵响应传递函数Bode 图
M a g n i t u d e (d B )10
10
10
10
10
10
P h a s e (d e g )
Bode Diagram
Frequency (rad/s)
图4 俯仰角速度对升降舵响应传递函数Bode 图