飞行器系统辨识课程
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第1章 绪 论
1.1 系统辨识与建模
数学模型: 微分方程、差分方程、状态方程等
理论建模：白箱问题
建模方法
实验建模：黑箱问题
系统辨识
飞行器建模问题？ 灰箱问题
模型的理论推导 + 模型中参数的辨识
飞行器 系统辨识
2012/4/28
3
第1章 绪 论
1.2 系统辨识的基本思想
e(k )
被控对象
u(k)
y(k) 待辨识系统
¾第一种： 选 xg , yg , zGg , u, v, w, φ,θ ,ψ ,
(1) 牛顿第二定律： m ⋅ dVK dt = ΣF
p, q, r
气动力
动压 qˆ = 1 ρV 2
2012/4/28
2
气动力 参数
16
第2章 飞行器动力学系统模型
∑ (2) 力矩平衡公式： dH dt = M
2012/4/28
x
ya
y
2012/4/28
z a
za z
μ
z
y
V
¾ 气流姿态角,包括迎角α ,
侧滑角 β 和航迹倾斜角 μ .
气流坐标轴与机 体坐标轴的关系
x
V
xa
13
第2章 飞行器动力学系统模型
（4）航迹坐标轴系： Oxk yk zk
¾ 航迹角度,包括航迹
方位角 χ 和航迹角 γ .
航迹坐标轴与地 面坐标轴的关系
（2）机体坐标轴系： Oxyz
¾ 速度矢量可在此坐标系下描述,
三坐标值为 u, v和 w.
机体与地面轴的关系
¾ 欧拉角,包括俯仰角 θ ，
偏航角ψ 和滚转角 φ .
¾ 机体系相对地面系的转动 角速度在机体轴上的分量, 记作 p, q, r .
12
第2章 飞行器动力学系统模型
（3）气流坐标轴系：Oxa ya za
z(k ) 数据
数学模型
J
辨识算法
ym (k)
e(k )
模型类
准则
2012/4/28
4
第1章绪论
系统辨识三大要素：
¾ 数据、模型类、辨识准则
离线辨识
¾ 运行结束获得全部数据后, 再进行模型辨识计算。
在线辨识
¾ 获得部分数据后, 进行模型辨识计算，再获得部分数 据，再进行辨识计算以修正之前辨识的结果。
¾ 定义坐标系，然后定义描述位置、速度和姿态的物 理量。
（1）地面坐标轴系：Og xg yg zg （2）机体坐标轴系： Oxyz （3）气流坐标轴系： Oxa ya za （4）航迹坐标轴系： Oxk yk zk
2012/4/28
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2012/4/28
（1）地面坐标轴系：Og xg yg zg
¾ 位置矢量通常在此坐标系下描述, 三坐标值为 xg , yg 和 zg .
（4）姿态运动方程组
¾ 参考书：张明廉《飞行控制系统》，1994年版 吴森堂《飞行控制系统》，2005年版 鲁道夫《飞行控制》，1999年版
2012/4/28
19
x g
y g z g
2012/4/28
气动力 参数
含气动力 矩参数
20
第2章 飞行器动力学系统模型
气动力
气动力 参数
气动 力矩
气动力 矩参数
气动力 矩参数
17
第2章 飞行器动力学系统模型
G （3）位移运动方程组 dS dt = VK
⎡ ⎢ ⎢
xg y g
⎤ ⎥ ⎥
=
⎡ ⎢ ⎢
uKg vKg
⎤ ⎥ ⎥
=
Tgb
⎡u ⎢⎢v
⎤ ⎥ ⎥
⎢⎣ zg ⎥⎦ ⎢⎣wKg ⎥⎦
⎢⎣w⎥⎦
xg
y g
zg
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第2章 飞行器动力学系统模型
2012/4/28
22
第2章 飞行器动力学系统模型
飞行器动力学系统模型 近空间高超声速飞行器
动力学系统模型
国际会议口头报告
2012/4/28
23
第2章 飞行器动力学系统模型
近空间高超声速飞行器
X-43A
2012/4/28
24
第2章 飞行器动力学系统模型
2012/4/28
控制研究使用的机型
25
第2章 飞行器动力学系统模型
¾第二种：选xg , yg , zg , V , χ,γ , α , β , μ, p, q, r
xg = V cosγ cos χ yg = V cosγ sin χ zg = −Vsinγ
V = 1 M ⋅ (−D − Mg sin γ + T cos β cosα )
χ
wk.baidu.com
=
1
MV cosγ
第二章
8
第2章 飞行器动力学系统模型
飞行器动力学系统模型 理论建模 近空间高超声速飞行器
动力学系统模型
国际会议口头报告
2012/4/28
9
第2章 飞行器动力学系统模型
一、飞行器的运动特点：
位置 速度
姿态
姿态角 角速率
2012/4/28
用舵面和发动 机来改变它们
10
第2章 飞行器动力学系统模型
二、怎样定量描述位置、速度和姿态呢？
第一种：选 xg , yg , zg , u, v, w, φ,θ ,ψ ,
2012/4/28
p, q, r
第二种
21
第2章 飞行器动力学系统模型 ¾第二种：选xg , yg , zg , V , χ,γ , α , β , μ, p, q, r
飞行器超机动，航天飞机再入……
吸气式高超声速飞行器的姿态控制
¾ 分布参数系统：数学模型是偏微分方程
描述飞行器热传导过程的状态参数（温度等）函数是偏
微分方程组，因此气动热参数辨识是分布参数系统辨识。
2012/4/28
7
第1章绪论
1.6 飞行器系统辨识
气动力参数辨识 气动热参数辨识
重点
什么是飞行器气动力参数
气动力参数表现在飞行器的理论模型当中。
2012/4/28
2012/4/28
5
第1章绪论
1.3 系统辨识的 主要内容
2012/4/28
6
第1章绪论
1.4 系统辨识的主要功用
¾ 建模与仿真、性能预测、故障诊断、自适应控制
1.5 动力学系统辨识 ¾ 集中参数系统：数学模型是常微分方程
飞行器刚体运动方程是常微分方程组,属集中参数系统, 因此刚体运动的气动力参数辨识是集中参数系统辨识。
2012/4/28
14
第2章 飞行器动力学系统模型
三、分析动力学规律
2012/4/28
¾ 理论建模：
牛顿第G 二定律： m ⋅ dVK dt = ΣF
力矩平衡公式：
dH dt = ∑ M
动力学方程
位移G运动方程组 dS dt = VK
姿态角运动方程组 运动学方程
15
第2章 飞行器动力学系统模型
四、根据选择的物理量建立动力学模型
[Y
+
Mg sin
μ
cos γ
−T
cosα
sin β ]
γ = 1 [L − Mg cos μ cosγ + T sin α ]
MV
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第2章 飞行器动力学系统模型
α = q − ( pcosα + r sinα ) tan β + 1 (−L + Mg cosγ cosμ −T sinα )
1.1 系统辨识与建模
数学模型: 微分方程、差分方程、状态方程等
理论建模：白箱问题
建模方法
实验建模：黑箱问题
系统辨识
飞行器建模问题？ 灰箱问题
模型的理论推导 + 模型中参数的辨识
飞行器 系统辨识
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第1章 绪 论
1.2 系统辨识的基本思想
e(k )
被控对象
u(k)
y(k) 待辨识系统
¾第一种： 选 xg , yg , zGg , u, v, w, φ,θ ,ψ ,
(1) 牛顿第二定律： m ⋅ dVK dt = ΣF
p, q, r
气动力
动压 qˆ = 1 ρV 2
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气动力 参数
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第2章 飞行器动力学系统模型
∑ (2) 力矩平衡公式： dH dt = M
2012/4/28
x
ya
y
2012/4/28
z a
za z
μ
z
y
V
¾ 气流姿态角,包括迎角α ,
侧滑角 β 和航迹倾斜角 μ .
气流坐标轴与机 体坐标轴的关系
x
V
xa
13
第2章 飞行器动力学系统模型
（4）航迹坐标轴系： Oxk yk zk
¾ 航迹角度,包括航迹
方位角 χ 和航迹角 γ .
航迹坐标轴与地 面坐标轴的关系
（2）机体坐标轴系： Oxyz
¾ 速度矢量可在此坐标系下描述,
三坐标值为 u, v和 w.
机体与地面轴的关系
¾ 欧拉角,包括俯仰角 θ ，
偏航角ψ 和滚转角 φ .
¾ 机体系相对地面系的转动 角速度在机体轴上的分量, 记作 p, q, r .
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第2章 飞行器动力学系统模型
（3）气流坐标轴系：Oxa ya za
z(k ) 数据
数学模型
J
辨识算法
ym (k)
e(k )
模型类
准则
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第1章绪论
系统辨识三大要素：
¾ 数据、模型类、辨识准则
离线辨识
¾ 运行结束获得全部数据后, 再进行模型辨识计算。
在线辨识
¾ 获得部分数据后, 进行模型辨识计算，再获得部分数 据，再进行辨识计算以修正之前辨识的结果。
¾ 定义坐标系，然后定义描述位置、速度和姿态的物 理量。
（1）地面坐标轴系：Og xg yg zg （2）机体坐标轴系： Oxyz （3）气流坐标轴系： Oxa ya za （4）航迹坐标轴系： Oxk yk zk
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（1）地面坐标轴系：Og xg yg zg
¾ 位置矢量通常在此坐标系下描述, 三坐标值为 xg , yg 和 zg .
（4）姿态运动方程组
¾ 参考书：张明廉《飞行控制系统》，1994年版 吴森堂《飞行控制系统》，2005年版 鲁道夫《飞行控制》，1999年版
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x g
y g z g
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气动力 参数
含气动力 矩参数
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第2章 飞行器动力学系统模型
气动力
气动力 参数
气动 力矩
气动力 矩参数
气动力 矩参数
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第2章 飞行器动力学系统模型
G （3）位移运动方程组 dS dt = VK
⎡ ⎢ ⎢
xg y g
⎤ ⎥ ⎥
=
⎡ ⎢ ⎢
uKg vKg
⎤ ⎥ ⎥
=
Tgb
⎡u ⎢⎢v
⎤ ⎥ ⎥
⎢⎣ zg ⎥⎦ ⎢⎣wKg ⎥⎦
⎢⎣w⎥⎦
xg
y g
zg
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第2章 飞行器动力学系统模型
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第2章 飞行器动力学系统模型
飞行器动力学系统模型 近空间高超声速飞行器
动力学系统模型
国际会议口头报告
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第2章 飞行器动力学系统模型
近空间高超声速飞行器
X-43A
2012/4/28
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第2章 飞行器动力学系统模型
2012/4/28
控制研究使用的机型
25
第2章 飞行器动力学系统模型
¾第二种：选xg , yg , zg , V , χ,γ , α , β , μ, p, q, r
xg = V cosγ cos χ yg = V cosγ sin χ zg = −Vsinγ
V = 1 M ⋅ (−D − Mg sin γ + T cos β cosα )
χ
wk.baidu.com
=
1
MV cosγ
第二章
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第2章 飞行器动力学系统模型
飞行器动力学系统模型 理论建模 近空间高超声速飞行器
动力学系统模型
国际会议口头报告
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第2章 飞行器动力学系统模型
一、飞行器的运动特点：
位置 速度
姿态
姿态角 角速率
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用舵面和发动 机来改变它们
10
第2章 飞行器动力学系统模型
二、怎样定量描述位置、速度和姿态呢？
第一种：选 xg , yg , zg , u, v, w, φ,θ ,ψ ,
2012/4/28
p, q, r
第二种
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第2章 飞行器动力学系统模型 ¾第二种：选xg , yg , zg , V , χ,γ , α , β , μ, p, q, r
飞行器超机动，航天飞机再入……
吸气式高超声速飞行器的姿态控制
¾ 分布参数系统：数学模型是偏微分方程
描述飞行器热传导过程的状态参数（温度等）函数是偏
微分方程组，因此气动热参数辨识是分布参数系统辨识。
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第1章绪论
1.6 飞行器系统辨识
气动力参数辨识 气动热参数辨识
重点
什么是飞行器气动力参数
气动力参数表现在飞行器的理论模型当中。
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第1章绪论
1.3 系统辨识的 主要内容
2012/4/28
6
第1章绪论
1.4 系统辨识的主要功用
¾ 建模与仿真、性能预测、故障诊断、自适应控制
1.5 动力学系统辨识 ¾ 集中参数系统：数学模型是常微分方程
飞行器刚体运动方程是常微分方程组,属集中参数系统, 因此刚体运动的气动力参数辨识是集中参数系统辨识。
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第2章 飞行器动力学系统模型
三、分析动力学规律
2012/4/28
¾ 理论建模：
牛顿第G 二定律： m ⋅ dVK dt = ΣF
力矩平衡公式：
dH dt = ∑ M
动力学方程
位移G运动方程组 dS dt = VK
姿态角运动方程组 运动学方程
15
第2章 飞行器动力学系统模型
四、根据选择的物理量建立动力学模型
[Y
+
Mg sin
μ
cos γ
−T
cosα
sin β ]
γ = 1 [L − Mg cos μ cosγ + T sin α ]
MV
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第2章 飞行器动力学系统模型
α = q − ( pcosα + r sinα ) tan β + 1 (−L + Mg cosγ cosμ −T sinα )