飞行器导航、制导与控制-11飞行器控制律设计
飞行器导航与控制系统设计及优化
飞行器导航与控制系统设计及优化导航与控制是飞行器飞行过程中至关重要的部分，它们直接关系到飞行器的安全性和性能。
本文将探讨飞行器导航与控制系统的设计原理及优化方法，力求提供详尽的理论与实践指导。
首先，飞行器导航系统的设计应综合考虑导航精度、系统复杂度、可靠性和成本等因素。
导航系统一般包括惯性导航系统、卫星导航系统和地面导航系统等。
惯性导航系统通过测量加速度和角速度来估计飞机的位置和姿态，具有高精度的优点，但受到漂移误差的影响。
卫星导航系统包括全球定位系统（GPS）和伽利略系统等，通过接收卫星信号来确定飞行器的位置和速度，具有全天候、全球范围的定位能力，但受到信号遮挡和干扰的影响。
地面导航系统通常用于辅助飞行器的导航，提供地面天线信号和地面导航设施，可以提供较高的精度和覆盖范围。
飞行器导航系统的优化方法主要包括传感器融合技术、滤波算法和优化控制策略等。
传感器融合技术将多个传感器的测量值进行融合，通过优化算法得到更准确的飞行器状态估计结果。
常用的传感器融合方法有卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器和粒子滤波器等。
卡尔曼滤波器通过线性状态空间模型来进行优化，适用于线性系统；扩展卡尔曼滤波器和粒子滤波器则适用于非线性系统。
滤波算法对于飞行器导航系统的性能起到重要作用，能够减小噪声干扰，提高系统的鲁棒性和稳定性。
其次，飞行器控制系统的设计目标是实现精确、稳定的飞行控制，确保飞行器在预定的航迹上飞行，并能在外界扰动下保持平稳。
常见的飞行器控制系统包括自动驾驶仪、姿态控制系统和高级控制系统等。
自动驾驶仪是飞行器控制系统的核心，通过传感器测量和定位信息，实现对飞行器舵面的控制，以保持所需的飞行状态。
姿态控制系统主要负责控制飞行器的航向、俯仰和横滚等姿态参数，以实现稳定飞行。
高级控制系统根据飞行任务的要求，采用优化控制算法对飞行器进行飞行性能优化，例如最优轨迹规划、姿态控制和航迹跟踪等。
飞行器控制系统的优化方法主要包括模型预测控制、自适应控制和鲁棒控制等。
《飞行力学数值仿真》笔记
《飞行力学数值仿真》读书笔记目录一、内容描述 (2)二、书籍概述 (3)三、主要章节内容解析 (4)3.1 飞行力学基础知识 (5)3.2 数值仿真技术介绍 (7)3.3 仿真软件应用实例 (8)3.4 飞行仿真实验设计 (9)四、重点知识点详解 (11)4.1 飞行力学的基本原理 (13)4.2 数值仿真技术的核心算法 (14)4.3 仿真软件的操作与运用 (16)4.4 飞行仿真实验的数据处理与分析 (17)五、实例分析与应用探讨 (18)5.1 实例背景介绍 (20)5.2 实例仿真过程演示 (21)5.3 实例结果分析与讨论 (22)5.4 应用前景展望及挑战 (24)六、心得体会与展望 (25)6.1 学习过程中的收获与感悟 (25)6.2 对飞行力学数值仿真领域的认识与理解 (27)6.3 未来研究方向与展望 (28)一、内容描述《飞行力学数值仿真》是一本关于飞行力学及数值仿真技术的专业书籍。
这本书的内容丰富，为读者提供了一个全面且深入的视角来理解和应用飞行力学数值仿真。
主要介绍了飞行力学的基础知识，包括空气动力学、飞行器的动力学模型以及飞行稳定性等内容。
这些基础知识的介绍为后续数值仿真的实施提供了理论支撑。
第二章至第四章，着重讲述了数值仿真的基本原理和方法。
包括仿真模型的建立、仿真软件的使用以及仿真结果的验证等。
这些章节详细介绍了各种仿真工具和技术，如有限元分析、计算流体动力学等，并阐述了它们在飞行力学中的应用。
第五章和第六章，主要讨论了飞行力学数值仿真的实际应用案例。
这些案例涵盖了不同类型的飞行器，包括固定翼飞机、直升机等，涉及到了飞行器的设计、性能评估以及飞行控制等方面。
这些实际案例的解析，使读者能更好地理解飞行力学数值仿真的实际应用价值。
对全书的内容进行了总结，并展望了飞行力学数值仿真未来的发展趋势。
随着计算机技术的不断进步，数值仿真在飞行力学中的应用将会越来越广泛，这也为飞行器设计和性能优化提供了更广阔的空间。
飞行器的控制与导航系统设计
飞行器的控制与导航系统设计一、引言随着现代技术的发展和现代化交通工具的应用，飞行器在人类社会的生产和生活中发挥着重要的作用。
而飞行器的控制与导航系统是保障飞行器正常飞行和完成飞行任务的关键技术之一。
本文将重点介绍飞行器控制与导航系统的设计。
二、飞行器控制系统1. 飞行器控制系统的结构组成飞行器控制系统是由飞行器控制电路、控制计算机、控制器、传感器组成的一套完整的飞行器控制系统，其主要功能是实时的监测飞行器的各项性能参数并对其进行控制。
2. 飞行器控制系统的工作原理飞行器控制系统基于飞行器的动力学模型，综合传感器测量的各项参数数据进行实时控制，采用PID或者LQR等控制算法来控制各个执行机构（如马达、舵机等）的输出，以实现对飞行器的控制。
3. 飞行器控制系统的应用飞行器控制系统主要应用于各种军用、民用飞行器以及各种模拟器中，如战斗机、民用航空器、全景模拟器等。
三、飞行器导航系统1. 飞行器导航系统的概述飞行器导航系统是利用各种传感器和导航设备，在飞行器运动系统中实现飞行器对其位置、速度和方向的准确掌控。
飞行器导航技术是飞行器控制系统的重要组成部分，其主要作用是确定飞行器当前位置、朝向和速度，为飞行器提供安全、高效的导航功能。
2. 飞行器导航系统的结构组成飞行器导航系统主要包括惯性导航系统、卫星导航系统、雷达高度测定系统、航标导航系统等，其中惯性导航系统是飞行器导航系统的核心。
3. 飞行器导航系统的工作原理飞行器导航系统的工作原理是基于惯性导航原理，通过惯性导航系统测量飞行器的各项运动参数，计算出飞行器的航班信息并编程到控制计算机中，通过与卫星导航系统、雷达预警系统以及航标导航系统等叠加校正，实现飞行器完善的导航功能。
4. 飞行器导航系统的应用飞行器导航系统广泛应用于各类飞行器和导航设备中，如民用航班、军用轰炸机、直升机、战斗机等。
四、飞行器控制与导航系统设计1. 飞行器控制与导航系统设计的基本原理飞行器控制与导航系统设计的基本原理是从飞行器的工作环境和功能需求出发，确定控制与导航系统的相关指标与系统结构，遵循尽可能简单、精确、可靠的三原则进行系统设计。
飞行器控制与导航系统设计与优化
飞行器控制与导航系统设计与优化飞行器控制与导航系统是支撑民航航空事业运行的重要技术之一。
现代飞行器控制与导航系统，其设计与优化都需要借鉴先进的科学技术、工程手段及管理理念。
具体而言，设计过程主要包括三个方面：需求分析与规划、系统概念与方案、系统建模与评估。
一、需求分析与规划在需求分析与规划阶段，主要是搜集和分析市场、用户、技术和管理方向等信息，最终确定可行的需求及其实现路径。
重点是把航空业运营的基本需求泛化为系统的功能需求、性能需求、可靠性需求和安全需求，并且进行明确的相关技术规范标准的制定，以保证系统的稳定性、可靠性和安全性。
同时，对于不同级别和不同细节程度的需求，采取适度的原则，在稳妥的基础上，避免过度和不必要的要求，提高方案的实用性和可行性。
二、系统概念与方案在系统概念与方案阶段，主要是围绕需求，梳理出具体功能模块、设计架构和组成部件等，实现系统模型的初步建立，并且对系统的技术、风险、成本、投入产出等进行预测和评估。
本阶段主要考虑创新性、可实现性、成本和风险等方面的问题。
在飞行器控制与导航系统的设计中，还需要考虑飞行器的空气动力学特性、任务需求和导航性能需求等因素，并在此基础上，精细地设计每个单元模块和功能模块，确保系统的一致性和稳定性。
三、系统建模与评估在系统建模与评估阶段，主要是通过系统建模和仿真的方法，验证方案的可行性和优化空间，以完善方案设计。
关键在于建模的精度和细节度，并以仿真的方法进行性能指标的评估，如系统的速度、精度、可靠性、稳定性等，以及飞行器在不同情况下的动态稳定性和空气力学导航性能等。
在评估的基础上，进一步优化方案设计，使得系统达到可用度与效能度的平衡。
飞行器控制与导航系统一旦落地，进行操作、点检和维护等环节的管理手段也非常重要。
要依据切实可行的实际工作，制定好技术规范标准、工作程序和操作规程等，建立科学的飞行器维护体系和数据管理系统等，以保证系统的良好运行，同时也提供可靠、准确的数据和信息，为系统的进一步优化和改进提供可靠的依据和技术支持。
“导航原理”实验教学课程思政探索与实践
2024.1黑龙江教育·理论与实践一、引言科技发展急需人才，人才培养取决于教育。
当前，随着我国社会改革的不断深化，社会思潮多样并存，各种思想交相融合，多元文化冲突更加频繁。
而学生正处于知识体系、思维方式和价值观念的形成时期，极易受到各种现象、观点、言论的影响。
极端个人主义、拜金主义、享乐主义等不良思潮给学生带来了消极影响，导致部分学生理想信念迷失、道德行为欠缺[1]。
如何培养富有社会责任感的创新人才，是近年来高等教育特别关注和不断探讨的课题。
专业课程教学融入思政元素，正是解决上述问题的一种尝试，也是加强和改进学生素质教育的一种探索[2]。
这种方式符合高等教育与时俱进的发展需要，不仅能够克服人才培养中的种种弊端，也极大地推动了高等教育的改革和创新，具有十分重要的意义[3]。
然而，课程思政在我国高校实施的时间并不长，还有待进一步健全和完善，尚需在理论上深入研究，在实践中总结经验。
文章结合“导航原理”实验教学的特点，将课程思政融入实验教学中，探索与实践该种教学方式对当代学生素质教育的提升效果。
二、“导航原理”实验教学特点“导航原理”作为高等工科院校控制科学与工程学科或航空宇航科学与技术学科的一门专业课程，是学习后续专业课程，如“飞行器控制与制导”“航天器控制”“无人机控制”“最优导航与滤波”等的基础。
“导航原理”实验教学不仅要帮助学生建立起惯性空间的概念，使学生加深对惯性器件结构特点、工作原理和基本特性的了解，实现对理论知识的验证，更重要的是通过实验使学生领悟惯性导航原理的应用规律，提高学生的动手能力、工程实践能力、设计能力和创新能力。
惯性导航系统是导弹和火箭的“眼睛”和“大脑”，提高惯性导航系统的精度是精确打击的关键。
惯性导航器件和系统的设计与制造需要精益求精的工匠精神和创新精神。
“导航原理”实验教学以培育学生科研实践能力和创新精神为目标，融合了国家战略、人才培养内涵式建设、学生个性化发展等多方面的内容[4]，具有深厚的课程思政资源和基础。
飞行器自动导航与控制技术研究
飞行器自动导航与控制技术研究第一章引言飞行器自动导航与控制技术是现代航空领域中的重要研究方向之一。
随着科技的发展和人们对航空交通需求的增加，自动导航与控制技术在提高飞行器飞行安全性、实现飞行性能优化和提高飞行效率方面起到了至关重要的作用。
本章将简要介绍飞行器自动导航与控制技术的背景和意义，并阐述本文的研究目的和结构安排。
第二章飞行器自动导航技术2.1 航向导航技术2.1.1 惯导系统2.1.2 全球导航卫星系统2.2 距离导航技术2.2.1 频率测距系统2.2.2 脉冲测距系统2.3 高度导航技术2.3.1 气压高度测量2.3.2 航空雷达高度测量第三章飞行器自动控制技术3.1 飞行动力学基础3.1.1 机械运动方程3.1.2 翼面力和发动机推力对飞行器运动的影响 3.2 自动驾驶仪3.2.1 纵向自动驾驶仪3.2.2 横向自动驾驶仪3.3 飞行器控制系统设计3.3.1 控制器设计原理3.3.2 控制律设计方法3.3.3 控制系统优化算法第四章飞行器自动导航与控制的应用4.1 飞行器导航与控制在商业航空中的应用4.1.1 自动驾驶系统在商业飞机中的应用4.1.2 无人机导航与控制在航拍领域的应用4.2 飞行器导航与控制在科研与军事领域的应用 4.2.1 高精度制导与控制系统的研究4.2.2 无人机在军事侦察中的应用第五章飞行器自动导航与控制技术的挑战与展望5.1 技术难点5.1.1 高精度导航系统的设计与实现5.1.2 复杂环境下的飞行控制5.2 技术展望5.2.1 智能化导航与控制系统的发展5.2.2 人工智能在飞行器导航控制中的应用第六章结论本文对飞行器自动导航与控制技术进行了综述，并介绍了相关的研究进展和应用。
飞行器自动导航与控制技术的不断发展为航空交通的安全、高效运行提供了重要技术支持。
然而，该领域仍面临着许多挑战，需要进一步进行研究与探索，以实现更高水平的智能化和自动化飞行。
相信随着未来科技的进步，飞行器自动导航与控制技术将会有更加广阔的发展前景。
华中科技大学自动化学院研究生培养方案 (1)
自动化学院博士研究生培养方案一．系统分析与集成专业（专业代码：071102 授理学学位）“系统分析与集成”博士学位授予权学科是一个理学博士点，强调理工结合，主要横跨学科为数学、物理、生物与工程。
该博士学位授权点是华中科技大学与中国科学院武汉物理与数学研究所联合申报的，由双方联合建立的系统科学研究所管理。
本培养方案由华中科技大学自动化学院、水电与数字化工程学院和中国科学院武汉物理与数学研究所联合制定。
1、培养目标1）．热爱祖国，拥护中国共产党的领导，遵纪守法，具有良好的职业道德和道德品质，具有较强的事业心和严谨求实的科学学风。
2）．在系统科学学科上掌握坚实宽广的基础理论和系统深入的专门知识，了解系统分析与集成在某一个或某几个领域学科中的应用背景；具有独立从事科学研究工作的能力；在科学或专门技术上做出有创造性的工作。
3）．至少熟练掌握一门外国语，熟练阅读和理解相关专业的外文文献，并具有用外语撰写学术论文以及进行学术交流的能力。
4）. 身心健康。
2、研究方向1）．复杂系统理论方法及应用2）．系统建模、仿真与优化3）．水资源系统分析与数字流域4）．综合集成技术与方法5）．生物信息、控制与计算二．控制科学与工程学科（学科代码：0811 授工学学位）为加强博士研究生的管理和提高博士研究生的培养质量，本学科自1997年9月起按一级学科培养博士研究生，经过培养实践，特修订本方案。
1、培养目标1）．热爱祖国，遵纪守法，品德良好，学风严谨，有较强的事业心和献身精神。
2）．具有控制科学与工程学坚实宽广的基础理论和系统深入的专门知识，具有独立从事科学研究工作的能力，在科学和专业技术上做出创造性的成果。
3）．至少熟练掌握一门外国语，熟练阅读和理解相关专业的外文文献，并具有用外语撰写学术论文以及进行学术交流的能力4）. 身心健康。
2、主要研究方向1）．智能控制与机器人技术； 2）．复杂系统的理论与应用； 3)．电力电子与运动控制； 4）．计算机集成控制与网络技术； 5)．检测技术与自动化装置； 6）．决策分析与决策支持； 7)．生物信息、控制与计算； 8）．公共安全与应急决策系统； 9)．物流系统工程； 10）．模式识别与智能系统； 11)．飞行器导航制导 12). 多谱成像与遥感图像处理三、学习年限与学分本学科、专业博士生的学习年限一般为3-5年。
飞行器制导与控制技术研究
飞行器制导与控制技术研究现在的飞行器制导与控制技术已经得到了很大的进步，比如现代飞机现在拥有自动驾驶、自动导航、自动气压调节等高科技技术。
这些技术的研究以及实现，极大的提高了航空工程的效率，保证了飞行器的安全性。
一、制导技术制导是飞行器行进过程中确保它运动的方向、速度和位置等状态的技术方法。
制导系统包括导航系统、控制系统和瞄准系统等，这些系统工作是通过传感器和执行系统对各个方面的信息进行处理和控制。
导航系统是指飞行器用来定位、推算位置和距离的设备。
目前在飞机上主要使用的是GPS定位、无线电定位和惯性导航。
其中，GPS定位优势是定位精确，需要的仅仅是一个卫星定位系统即可。
无线电定位其他通信设备到接收站的信号之间的时间差来实现定位。
惯性导航是透过变形、角位移等物理规律来设计传感器，感知飞行器运动状态，以及运动时受到的其他环境和性能变化。
瞄准系统是指飞行器进行打击任务时，采用的瞄准装置，包括头瞄、飞行器下舱装备的瞄准仪器及各类导弹武器系统的各种瞄准系统等。
它们可分为无人机的带电瞄准、热成象瞄准和上越雷达瞄准等。
二、控制技术控制是指飞行器在运动过程中对飞行状态进行监控，并调整飞行器运动状态的技术。
控制技术主要包括飞行器的姿态控制、轨迹控制和动力控制等方面的定位和调整。
姿态控制是指飞行器的姿态状态（旋转角度和方向）变化的控制。
在飞行过程中，许多因素都会影响飞行器的方向和姿态，因此姿态控制是保证飞机在飞行过程中稳定、保持方向变化的关键。
掉头、爬升和下降的姿态变化是通过方向舵、升降舵和副翼等各种控制面的调节来实现的。
轨迹控制是指飞行器飞行路径的控制。
一方面，需要在满足飞行安全的前提下，确保飞机在设定的飞行高度、速度和方向等条件下飞行。
另一方面，需要监控环境变化，如遇到气流阻力、强波和风等情况需要实时调整路径。
动力控制主要是控制发动机出力和飞行车速等方面变化。
它是飞行器稳定飞行的重要保障，需要对飞行状态进行实时监控和调整。
中科院空天院考研科目
中科院空天院考研科目考研是很多同学为了进一步深造选择的途径，而对于有志于从事空天科研工作的学生来说，中科院空天院无疑是他们的首选。
中科院空天院作为我国空天科研领域的重要科研机构，培养了众多优秀的空天科学家和工程师。
那么，中科院空天院的考研科目有哪些呢？本文将为大家进行详细介绍。
一、综合科学与专业课中科院空天院考研科目主要包括综合科学和专业课两部分。
综合科学包括数学、英语和综合能力测试。
数学是考研科目中的重中之重，涵盖内容广泛，包括高等数学、线性代数、概率论与数理统计等。
英语则是考察学生的英语综合运用能力，包括阅读理解、词汇与语法、写作等。
此外，综合能力测试是对学生综合素质的考核，内容包括逻辑推理、综合分析等。
而专业课则是学生所报考的具体领域相关的课程，对于中科院空天院考研，主要包括以下几个专业方向：1.飞行器设计与工程飞行器设计与工程是中科院空天院较为重要的研究方向之一，相关的考研科目主要包括飞机设计与空气动力学、航空航天制造工程等。
其中，飞机设计与空气动力学主要研究飞机设计理论与方法、气动力学与飞行动力学等；航空航天制造工程主要研究航空航天器件的制造与加工技术、航空航天装备的维修与管理等方面的知识。
2.航空航天工程与力学航空航天工程与力学是研究航空航天工程和航空航天力学的学科，相关考研科目包括航空航天力学、航空航天结构力学、航空航天器设计基础等。
航空航天力学主要研究航空航天器的运动规律、结构响应等；航空航天结构力学则主要研究航空航天器结构的力学问题；航空航天器设计基础则涉及航空航天器设计的基本理论和方法。
3.导航、制导与控制导航、制导与控制是研究导航系统、制导系统和控制系统的学科，主要包括导航原理与技术、制导与控制原理等。
导航原理与技术研究航空航天器的导航系统原理和技术；制导与控制原理研究航空航天器制导与控制的基本原理和方法。
4.航空航天系统工程航空航天系统工程是研究航空航天工程领域的系统与管理的学科，相关考研科目主要包括航空航天系统工程导论、航空航天工程管理等。
飞行器制导与控制原理 教学大纲
飞行器制导与控制原理一、课程说明课程编号：420106Z10课程名称(中/英文）：飞行器制导与控制原理/Guidance and Control System of Spacecraft课程类别：专业课学时/学分: 48/3 （其中实验学时：36 ,课内上机学时：12 ）先修课程：自动控制原理，航空航天技术概论，控制系统设计适用专业：航空航天工程，探测制导与控制教材、教学参考书：教材：[1] 曾庆华，无人飞行控制技术与工程，国防工业出版社，北京：2011教学参考书：[1] 孟秀云，导弹制导与控制系统原理，北京理工大学出版社，北京：2003[2] 赛奥里斯，导弹制导与控制系统，国防工业出版社，北京：2010[3] 毕开波，飞行器制导与控制及其MATLAB仿真技术，国防工业出版社，北京：2009二、课程设置的目的意义本课程作为探测、制导与控制专业一门重要的专业必修课程，是随着我国航空航天事业发展以及我校专业设置的需要而设立的。
为配合我院购置的“飞行器制导控制综合实验装置”实验平台，课程采用国防工业大学出版社出版的《无人飞行控制技术与工程》作为教材，并以国外主流教材《导弹制导与控制系统》（2010年由国防工业出版社引进）作为主要参考书目。
本课程以导弹飞行中的制导与控制为主，又结合其他现代飞行器的特点以及国内外制导控制领域的最新进展，对各类飞行器的制导控制特点做了分类介绍，对所涉及的制导方法、控制原理进行了深入分析。
制导与控制系统对于现代飞行器的安全可靠飞行至关重要，通过本课程的学习，将使学生掌握现代飞行器(飞机、导弹等)中的制导与控制系统的组成、原理以及实现方法。
本课程对于培养军民两用型的航空航天专业人才有非常重要的作用。
课程的主要任务是使学生能够深入了解现代飞行器的制导控制系统原理。
由于制导控制技术发展迅速，因此课程教学除了对教材和参考书目中的内容和知识进行讲授之外，还应该将国内外航天技术的先进科研成就以及反映时代特征和发展水平的新技术、新方法引入到课程教学中。
飞行器导航与控制系统设计
飞行器导航与控制系统设计随着航空技术的快速发展，飞行器导航与控制系统的设计变得愈发重要。
这种系统的设计不仅关乎飞行器的安全与稳定性，还直接影响着航行过程中的效率和精准度。
本文将介绍飞行器导航与控制系统的设计要点，包括传感器技术、飞行控制算法以及导航系统的整合。
首先，传感器技术是飞行器导航与控制系统设计的关键。
传感器可以帮助飞行器感知周围环境的状态，提供必要的数据给导航与控制系统。
其中一个关键的传感器是惯性导航系统（INS），它通过测量加速度计和陀螺仪等传感器的数据来推算飞行器的位置、姿态和速度。
此外，全球定位系统（GPS）也是非常重要的传感器之一，它可以提供准确的地理位置信息。
综合使用多个传感器可以提高导航与控制系统的鲁棒性和精确度。
其次，飞行控制算法是飞行器导航与控制系统设计的另一个关键因素。
飞行控制算法可以帮助飞行器实现精确的姿态控制和稳定的飞行。
常用的控制算法包括PID控制、模糊控制、滑模控制等。
PID控制算法根据飞行器当前状态和期望状态的偏差来计算控制输出，实现快速而稳定的控制。
模糊控制算法考虑到了系统存在的不确定性和非线性特性，可以更好地适应复杂的飞行环境。
滑模控制算法在控制目标达到之前，通过使系统状态从一个模式滑动到另一个模式，来实现精确的控制。
合理选择和设计飞行控制算法是确保导航与控制系统性能的关键。
最后，导航系统的整合是飞行器导航与控制系统设计的重要一环。
导航系统的整合包括多个方面：数据融合、数据传输和数据处理等。
数据融合是指将来自不同传感器的数据融合起来，通过综合多个传感器的测量来提高导航与控制系统性能。
数据传输是指将传感器测量的数据传输到控制系统进行处理。
数据处理包括数据滤波、数据校准和状态估计等步骤，以提高数据的准确性和可靠性。
整合导航系统可以提供更加精确和可靠的信息给飞行控制系统，从而提高飞行器的导航和控制性能。
总结起来，飞行器导航与控制系统的设计需要考虑传感器技术、飞行控制算法和导航系统的整合。
飞行器自适应制导与控制系统设计
飞行器自适应制导与控制系统设计飞行器自适应制导与控制系统设计是现代飞行器技术领域的重要研究方向。
它涉及到飞行器的导航、姿态控制、轨迹跟踪等多个方面。
本文将从概念解析、系统设计和性能优化三个方面进行介绍。
一、概念解析自适应制导与控制是指飞行器在不确定性干扰下，通过自动感知和实时调整，保持飞行器姿态、航向、速度等参数的控制系统。
它能够适应不同飞行任务和环境变化，并具备自我学习和自适应能力。
自适应控制系统的核心思想是通过实时的状态估计和模型辨识，将不确定性因素纳入控制系统，实现模型参量和控制规律的在线调整。
二、系统设计飞行器自适应制导与控制系统设计涉及到多个组件的协调工作，包括传感器、模型辨识、控制器和执行器等。
1. 传感器传感器用于获取飞行器的姿态、速度、位置和环境信息等数据。
常见传感器包括陀螺仪、加速度计、气压计、GPS等。
传感器的精确度和采样频率对系统性能有着重要影响，因此在设计中需要根据任务需求选择合适的传感器。
2. 模型辨识模型辨识是指通过收集和分析飞行器的输入-输出数据，确定飞行器的数学模型。
常用的模型辨识方法包括系统辨识、参数辨识等。
模型辨识的目的是构建一个准确反映飞行器特性的数学模型，用于设计自适应控制器。
3. 控制器控制器是根据模型辨识的结果，设计用于控制飞行器姿态、航向、速度等参数的控制算法。
常见的控制算法包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
自适应控制器的设计需要考虑飞行器的动态特性和环境变化，以实现对不确定性的适应。
4. 执行器执行器是将控制器输出的控制指令转化为飞行器的动力和力矩，使其实现期望的姿态和运动。
常见的执行器包括舵面、推进器、螺旋桨等。
在设计中需要考虑执行器的动态响应和稳定性，以保证控制器输出的准确性。
三、性能优化飞行器自适应制导与控制系统设计中，性能优化与系统稳定性、控制精度和响应速度等因素密切相关。
1. 系统稳定性系统稳定性是指在不确定性干扰下，系统能够保持稳定的动态响应。
一种可重复使用飞行器着陆段制导与控制律一体化耦合设计方法[发明专利]
![一种可重复使用飞行器着陆段制导与控制律一体化耦合设计方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/56fa8deb844769eae109ed14.png)
专利名称：一种可重复使用飞行器着陆段制导与控制律一体化耦合设计方法
专利类型：发明专利
发明人：严晗,何英姿
申请号：CN201510544100.5
申请日：20150828
公开号：CN105159308A
公开日：
20151216
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种可重复使用飞行器着陆段制导与控制律一体化耦合设计方法，首先根据RLV着陆段标称轨迹计算高度偏差及侧向距离偏差。
然后，根据标称轨迹的跟踪偏差，利用李雅普诺夫定理得到期望的航迹倾角和方向角；最后，采用反步设计法提出了可保证制导和控制回路整体上具有稳定性的制导与控制律一体化设计方法，并与输入-状态稳定性(ISS)理论相结合，使标称轨迹的跟踪误差对扰动等不确定性具有ISS稳定性，从而可通过调节控制增益抑制不确定性的影响。
本发明方法能够有效的克服RLV制导系统所受不确定性及通道间的耦合作用，从而提高制导、控制系统的性能，并在整体上保证制导和控制回路的稳定性。
申请人：北京控制工程研究所
地址：100080 北京市海淀区北京2729信箱
国籍：CN
代理机构：中国航天科技专利中心
代理人：安丽
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飞行器导航、制导与控制-11飞行器控制律设计
不需要完全对消系统的非线性，并且可以经常引入额外的 非线性项来改善系统的瞬态性能；
比较适合在线控制，能够达到减少在线计算时间的目的。
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反步控制（2）
两个显著优点： （1）在控制器设计过程中可以处理一大类 非线性、 不确定性的影响，而且稳定性及 误差的收敛性已经得到证明。这里非线性 包括了系统模型的非线性和为满足复杂飞 行控制系统设计要求而引入的控制非线性； （2）采用该方法设计的控制器收敛速度很快， 因此在损伤或者故障状态下非常有效。
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基于模型的飞行器控制律设计
逆模型控制率设计实际上受到很多限制。 但基于模型的设计是任何自动控制系统控制率设
计的基本原则。 这也是自动控制系统设计的第一步必然是求取
（建立）被控制对象的数学模型（动力学模型） 的根本原因。 模糊控制等智能控制算法实质上也离不开被控制 对象的模型，只是模型的形式不一定是传统的数 学公式表达而已。
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神经网络自适应控制（1）
设计原理： （1）人工神经网络具有并行处理、高度容错、非线性运
算等诸多优点，能够高度精确地逼近非线性函数，因此， 其在非线性控制方面所具备的巨大潜力越来越被各相关学 科和领域的研究工作者关注。 （2）自适应控制系统是一种能修正自己的特性以适应对 象、扰动或环境特性变化的控制器，与其他控制方法类似， 它是基于数学模型的一种控制方法，所不同的是它所依据 的关于模型和扰动的先验知识较少，需要在系统运行中不 断提取关于模型的信息，使模型逐步完善，同时相应的控 制律也能随之改善。
必须寻找能够满足越来越复杂的飞行控制系统 要求的现代线性或非线性设计方法。
第1章 绪论(哈工大飞行器控制课件)
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
飞行器设计中的智能控制与导航系统设计
飞行器设计中的智能控制与导航系统设计在当今科技飞速发展的时代，飞行器设计领域正经历着前所未有的变革。
智能控制与导航系统的出现，为飞行器的性能提升和应用拓展带来了新的机遇与挑战。
一、智能控制在飞行器设计中的重要性智能控制是指在控制理论的基础上，结合人工智能、机器学习等技术，使控制系统具备自主学习、自适应和优化的能力。
在飞行器设计中，智能控制具有至关重要的作用。
首先，它能够提高飞行器的飞行稳定性。
飞行器在飞行过程中会受到各种不确定因素的影响，如气流、天气变化等。
智能控制系统可以实时监测这些变化，并迅速调整飞行器的姿态和动力，从而保持稳定的飞行状态。
其次，智能控制有助于实现飞行器的精确控制。
无论是在军事领域的精确打击，还是民用领域的精准导航，精确控制都是至关重要的。
通过智能算法，飞行器可以更精准地执行各种任务，减少误差。
再者，智能控制能够优化飞行器的能源利用效率。
根据飞行任务和环境条件，智能控制系统可以合理调整发动机功率、机翼姿态等，降低能源消耗，延长飞行器的续航时间。
二、智能控制技术在飞行器设计中的应用1、自适应控制自适应控制是智能控制的一种重要形式。
它能够根据飞行器的动态特性和外界环境的变化，自动调整控制参数。
例如，当飞行器的重量发生变化或者遭遇不同强度的气流时，自适应控制系统可以实时调整控制律，确保飞行性能不受影响。
2、模糊控制模糊控制基于模糊逻辑理论，将人类的经验和直觉转化为控制规则。
在飞行器控制中，模糊控制可以处理那些难以用精确数学模型描述的情况。
比如，对于飞行员的操纵意图的理解和响应，模糊控制能够提供更加灵活和人性化的控制策略。
3、神经网络控制神经网络具有强大的学习和预测能力。
在飞行器设计中，可以利用神经网络对大量的飞行数据进行学习，从而预测飞行器的未来状态，并据此进行控制决策。
三、导航系统在飞行器设计中的关键作用导航系统是飞行器的“眼睛”，为其提供准确的位置、速度和姿态信息。
一个先进、可靠的导航系统对于飞行器的安全飞行和任务完成至关重要。
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动态逆的缺点：反馈线性化要求高度准确地建立飞机非线 性力和力矩模型，这在实际应用中十分困难。另一个难题 是气动力参数随高度和马赫数变化，系统的结构也存在着 各种不确定性,需要考虑动态逆设计的鲁棒性问题。
扰解耦、输入输出解耦、反馈线性化等。它的主要研究对 象是仿射非线性系统。微分几何方法在理论上比较容易展 开,但是比较抽象,不便在工程上推广应用。
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非线性反馈线性化控制（2）
动态逆的突出优点：系统模型可以不受仿射非线性形式的 限制，方法直观、简便并易于理解，且动态逆方法不像微 分几何方法那样要把问题转换到几何域。因此,从工程应 用角度讲，动态逆方法更适合用在飞行控制系统的设计上。
配（未建模动态）； 飞行器多控制回路（多输入多输出控制、
多变量控制）相互关联（耦合）严重； 飞行环境变化大，外界干扰严重； 飞行品质要求越来越高。
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控制律设计方法综述—控制理论的发展
经典控制理论设计方法 19世纪中叶至20世纪50年代初
现代控制理论设计方法 20世纪50年代末至80年代
先进控制技术设计方法 20世纪90年代至今
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特征结构配置控制（2）
缺点： 更适于用在低阶系统,当系统阶次较高时,越来越
难以作出有根据的零、极点配置选择，尤其是作 为直接性能尺度的阶跃响应对小的零、极点移动 相对不太敏感。此外,随意选择零、极点会造成很 高的控制增益,从而使调节活动超出工程上实际允 许的程度。
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非线性反馈线性化控制（1）
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飞行器控制律的设计依据（2）
飞行器的飞行品质要求（品质规范） 根据飞行规范可得到相应的飞行控制系统性能指
标，包括： 稳定性指标 控制精度指标 响应速度（机动性）指标 抗干扰性指标 能耗指标 可靠性指标 实时性指标 ……
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飞行器控制律设计面临的问题
飞行器的动力学过程严重非线性； 飞行器动力学模型无法与真实过程完全匹
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经典控制理论
适用于单输入、单输出（单变量）系统的简 单控制系统
基于频域模型
将描述动态系统的微分方程模型经过拉普拉斯积分 变换转换为传递函数模型
基于解析和图形方法的简单计算 主要进行稳定性分析 最具代表性的控制算法 —— PID(比例/积
分/微分)控制 在模拟电路自动化装置基础上实现
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基于模型的飞行器控制律设计
逆模型控制率设计实际上受到很多限制。 但基于模型的设计是任何自动控制系统控制率设
计的基本原则。 这也是自动控制系统设计的第一步必然是求取
（建立）被控制对象的数学模型（动力学模型） 的根本原因。 模糊控制等智能控制算法实质上也离不开被控制 对象的模型，只是模型的形式不一定是传统的数 学公式表达而已。
建模困难（模型不确定性）、非线性、大滞后、 缺乏检测手段 ……
对控制系统性能要求的不断提高
自适应、鲁棒性、自组织、容错性 ……
经典控制与现代控制理论的融合 数学工具应用的深化和拓展 与信息科学和其他相关学科的结合
智能控制、模式识别、网络技术 ……
代表性方法：
鲁棒控制、自适应控制、预测控制、模糊控
缺点： 用μ综合鲁棒控制设计的控制器都存在阶数太高的 缺点（用非线性 H∞优化设计亦然）。一般纵向 16阶，横 向 28阶，对于实际的飞行控制系统来说过于复杂，但若对 其进行降阶处理，又使系统的鲁棒性得不到很好的保证。
设计难点：如何在系统鲁棒性和控制器复杂程度之间做出 合理的折衷。
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滑模变结构控制（1）
设计原理：首先将从任一点出发的状态轨线通过控制作用 拉到某一指定的直线，然后沿着直线滑动到原点。
特点： （1）滑动模相轨迹限制在维数低于原系统的子空间内，描 述其运动的微分方程阶数亦相应降低，这在解决复杂的高 阶系统控制问题时，对离线分析和算法的在线实现都是非 常有利的； （2）滑动模的原点与控制量的大小无关，仅由对象特性及 切换流形决定，这样可把系统设计问题精确地分解为两个 互不相关且比较简单的低维问题； （3）在一定条件下，滑动模对于干扰与参数的变化具有不 变性。
优点：基于系统的状态变量模型，比传递函数的 描述包括更多的系统信息，可处理多变量系统和 多性能指标，从而容易得到完善的控制系统性能。
缺点：将飞行控制系统的性能要求转换为设计用 的性能指标、加权系数的选择原则、鲁棒性等问 题,到目前为止还没有得到很好的解决。
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现代飞行控制系统设计方法（2）
20世纪 80年代后半期,美国与德国联合研制的大迎 角超机动验证机 X - 31，其飞控系统控制律的基 本设计方法也是最优控制方法。
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滑模变结构控制（2）
缺点：控制律设计中需要已知系统不确 定性的上界，它一般按系统运行中可能 遇到的“ 最坏情况 ” 选取，一旦上界 确定后，其值就不再变化，所以保守性 很大，容易引起控制量的饱和问题。
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反步控制（1）
设计原理：根据 Lyapunov稳定性定理 ,由前向后递推设 计控制律 ,它的关键是令某些状态为另一些状态的虚拟控 制输入 ,最终找到一个 Lyapunov函数 ,从而推出一个使 整个系统闭环稳定的控制律。
现代控制理论
面向多输入、多输出（多变量）系统 基于状态空间方法
直接用微分方程描述的状态空间模型
解析方法与数值计算相结合 稳定性、可控可观性分析 代表性方法：
卡尔曼滤波、状态观测器、二次型最优控制、 多变量解耦控制等
主要由数字计算机控制系统实现
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先进控制技术
控制系统的复杂程度不断增加
必须寻找能够满足越来越复杂的飞行控制系统 要求的现代线性或非线性设计方法。
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现代飞行控制系统设计方法（1）
由于经典控制设计方法的不足，使得基于状态变 量模型设计的现代控制理论方法在飞控系统的设 计上得到长足的发展。其中，二次型最优控制技 术是现代控制理论线性化设计控制器最为成功的 技术之一。
差，经过控制率（控制算法）运算，产生控 制命令驱动执行机构（发动机、舵面）动作， 最终减小或消除误差，达到期望的飞行状态。 控制律是飞行控制系统的核心构件。 也是设计者较为容易掌控的软构件。
3
飞行器控制律的作用与意义
获得正确控制命令的必要前提。 能够补偿动力学模型的误差。 能够补偿测量环节的误差。 能够调节飞行控制系统品质。
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神经网络自适应控制（1）
设计原理： （1）人工神经网络具有并行处理、高度容错、非线性运
算等诸多优点，能够高度精确地逼近非线性函数，因此， 其在非线性控制方面所具备的巨大潜力越来越被各相关学 科和领域的研究工作者关注。 （2）自适应控制系统是一种能修正自己的特性以适应对 象、扰动或环境特性变化的控制器，与其他控制方法类似， 它是基于数学模型的一种控制方法，所不同的是它所依据 的关于模型和扰动的先验知识较少，需要在系统运行中不 断提取关于模型的信息，使模型逐步完善，同时相应的控 制律也能随之改善。
随不同的 Lyapunov函数构造形式会呈现不同形式的控制 律, 这使控制系统设计者在选择反馈控制的形式时具有更 大的自由度；
不需要完全对消系统的非线性，并且可以经常引入额外的 非线性项来改善系统的瞬态性能；
比较适合在线控制，能够达到减少在线计算时间的目的。
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反步控制（2）
两个显著优点： （1）在控制器设计过程中可以处理一大类 非线性、 不确定性的影响，而且稳定性及 误差的收敛性已经得到证明。这里非线性 包括了系统模型的非线性和为满足复杂飞 行控制系统设计要求而引入的控制非线性； （2）采用该方法设计的控制器收敛速度很快， 因此在损伤或者故障状态下非常有效。
但基于线性系统模型设计控制系统不能保证飞机 的大迎角飞行性能，因为此时飞机的气动力表现 出强烈的非线性和非定常性，飞机运动强烈耦合, 传统的小扰动线性化处理技术已无法适用，因而 发展出了多种非线性控制律设计方法。
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先进飞行控制系统设计方法
常用设计方法： (1) 特征结构配置控制 (2)非线性反馈线性化控制 (3)鲁棒控制—非线性H∞优化与μ综合 (4)滑模变结构控制 (5)反步控制 (6)神经网络自适应控制
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飞行器控制律经典设计方法（2）
存在的问题：随着控制系统的性能要求越来越 复杂,用经典设计方法设计控制律就变得非常困 难,设计进度缓慢,甚至变得不可实现。
主要原因：经典方法难以处理、协调系统的多 变量输入输出特性;现代战斗机都要求具有大机 动飞行性能,但飞机非线性特性无法用经典线性 化方法处理。
飞行器控制律设计
李平、方舟
08.10.16
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什么是飞行器的控制律
飞行控制器
期望
位置
偏差
姿态
信号 动态飞行
+
模型与控 制算法
-
实测 位置 姿态
控制
气动力 与推力
信号 舵面与
发动机
导航与姿态 传感器
环境与 负载扰 动
飞行器
位置与 姿态
飞行器导航、制导与控制系统构成 2
什么是飞行器控制律
飞行器控制律一般也称为飞行控制算法。 飞行控制原理：根据飞行器的姿态、位置误
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鲁棒控制—非线性H∞优化
非线性H∞优化控制考虑SISO线性反馈系统灵敏度 函数的无穷范数极小化问题, 将干扰问题转化为求 解闭环系统问题。
H∞范数不仅对于与模型不确定性有关的各种问题 非常有效， 而且能用幅频特性加以解释。
缺点：用H∞优化理论设计的控制器虽然将鲁棒性 直接反映在系统的设计指标中，不确定性反映在 相应的加权函数上，但其“最坏情况”下的控制却 会导致不必要的较大保守性。
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特征结构配置控制（1）
是经典控制极点配置方法的一种扩展,能够在考虑 系统零、 极点要求的同时，满足在多变量之间解 耦、系统鲁棒性等方面的要求。