飞行器姿态控制开题报告ppt课件
合集下载
相关主题
- 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)。
大气层内飞行器姿态控制规律 设计与仿真
导师
航天学院控制科学与工程系 自动化专业
106******** 张**
飞行器姿态控制开题报告ppt
1.研究背景
• 经过一个世纪的发展，各种飞行器如雨后春笋般出现，从飞机、导弹到火箭、卫星，从宇 宙飞船、航天飞机、空间站到月球探测器、火星探测器。这些飞行器能在空中按预定的轨 迹运动总离不开它的姿态控制系统， 飞行器在空间的运动是十分复杂的。同样，在飞行器 研究领域，世界范围内的所有飞行器的研究人员共同追求着飞行器的四个控制目标：第一， 增加飞行器的可控性；第二，使航天器控制更容易达到航空器控制的水平；第三，提供更 易使用于飞行器控制的算法；第四，增加飞行器的安全性。这些目标的实现同样也离不开 它的姿态控制系统。可见飞行器姿态控制在飞行器系统中的重要作用。
式中Jx,Jy,Jz分别为拦截器相对于弹体坐标系3 个轴的转动惯量, ωx， ωy
， ωz 分别为弹体坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度在弹体坐标系 3
个轴上的分量; Mx， My， Mz 分别为作用在拦截器弹体坐标系3 个轴上
的控制力矩; γ， ψ， 分别是滚转角、 偏航角和俯仰角。
飞行器姿态控制开题报告ppt
飞行器姿态控制开题报告ppt
2.国内外在该方向的研究现状
目前，国内外实际应用在飞行器上的姿态控制技术大多为PID控制， 部分飞行器也使用了描述函数法、最优控制技术等控制方法。虽然当 前在飞行器姿态控制中，新的控制方法的应用较少，但是由于应用任 务的需求，对飞行器的性能和精度要求不断提高，有关新的控制方法 在飞行器姿态控制的应用一直受到人们的关注。下面就列举几种国内 外讨论比较多的控制方法。变结构控制、鲁棒控制方法、自适应控制 方法、最优控制方法和智能控制方法。
• 2. 设计姿态控制规律，可用输入信息包括：弹体 三个姿态角、姿态角速度；输出信息为：姿态控 制发动机的开关信息。
• 3. 编写计算机仿真程序进行仿真验证。
飞行器姿态控制开题报告ppt
6.目前完成的主要工作
坐标系定义： 地面坐标系Axyz是与地球表面固连的坐标系。坐标系原点A通
常选取在导弹发射点上（严格的说，应取在发射瞬间是导弹的质心 上）；Ax轴指向可以是任意的，对于地面目标而言，Ax轴通常是弹 道面与水平面交线，指向目标为正；Ay轴沿垂线向上，Az轴与其他 两轴垂直并构成右手坐标系。地面坐标系相对地球是静止的，他随 地球自转为旋转。研究时可将其视为惯性坐标系。
弹体坐标系ox1y1z1的原点O取在导弹的质心上（此处把质心 当作惯性中心）；ox1轴与弹体纵轴重合，指向头部为正；oy1轴位 于弹体纵向对称面内于ox1轴垂直，指向上为正；oz1轴垂直于ox1y1 平面，方向按右手直角坐标系确定。弹体坐标系与弹体固连，是一 种动坐标系。
飞行器姿态控制开题报告ppt
飞行器姿态控制开题报告ppt
3.研究对象 ：大气层内的飞行器
主要研究大气层外拦截器的姿态控制
1 ＃,3 ＃为滚转发动机；2 ＃和5 ＃为俯仰发动机；3 ＃ 和6 ＃为偏航发动机。Ox1y1z1为弹体坐标系
飞行器姿态控制开题报告ppt
本文研究的大气层内飞行器姿态控制执行机构是 安装在飞行器尾部的6个自控发动机，通过对飞行 器的姿态控制规律进行设计，控制姿态发动机的 开关工作状态，使飞行器姿态在系统允许的误差 范围内，从而达到飞行器姿态控制的目的。
飞行器姿态控制开题报告ppt
• 姿态控制律的设计:在本文中应用的姿态控制方法为PD控制。PID控制 器是包含了比例，积分，微分控制于一体的经典控制方法。比例环节 用于提高系统的响应时间，减小系统的稳态误差；积分环节用于提高 系统型别，消除稳态误差，由于积分环节的加入，将会使控制系统的 频带变窄，从而影响系统的快速性。微分环节为系统提供阻尼，加强 系统的稳定性，同时使频带变宽，本质上相当于超前环节，加快系统 的响应速度。综上可知，对于对精度及快速性要求较高的姿态控制系 统，属于运动控制系统，适合于采用PD控制，此时既可以很好的满足 性能要求。
飞行器姿态控制开题报告ppt
4.研究的目的和意义
• 为了实现大气层内飞行器的姿态稳定控制，需要 对飞行器的姿态控制方法进行分析和研究。
控制目的是使拦截器姿态角满足系统允许的误差要求
飞行器姿态控制开题报告ppt
5.研究内容
• 1．建立大气层内飞行器绕质心动力学方程、绕质 心运动学方程、姿态发动机推力方程。
J z J y z y M x
Jy
y t
Jx
J z Βιβλιοθήκη Baidu z
M
y
J z
z t
J y J x y x M z
t
x ta n
y c o s z s in
y c o s z s i n
t
cos
t
x s in z c o s
• 姿态控制发动机的推力模型：设理论上拦截器弹体坐标系中安装在尾 部的六个姿态控制发动机所需提供的滚转、偏航、俯仰推力分别为 Txc,Tyc和 Tzc，实际Txc,Tyc和Tzc中,为了避免发动机频繁地开关机,可选 取一组开关机门限Ton和 Toff
Ton n1Tmax
Toff n2Tmax
式中n1和n2为比例系数,且n1,n2∈（0, 1 ）,可以在兼顾姿态控制发动 机开关机次数和控制精度的基础上选择合适的值。
速度坐标系ox3y3z3的原点O取在导弹的质心上；ox3轴与导弹 质心的速度矢量V重合；oy3轴位于弹体对称面内于ox3轴垂直，指 向上为正；oz3轴垂直于oz3y3平面，其方向按右手直角坐标系确定。 此坐标系与弹体固连，也是一种动坐标系。
绕质心转动的动力学和运动学简化模型为：
J x
x t
• PD控制模型为：
G
kp
kd
t0s t1s 1
飞行器姿态控制开题报告ppt
7.技术要求
• 要求设计的姿态控制规律能够在允许时间内使飞 行器姿态角误差满足系统精度要求，即
0.1 。
初始状态： x=z=0m,y=20km,Vx=1300m/s,Vy=900m/s,Vz=0m/s,m=85kg( 飞行器总质量)，Jx=o.43kg.m2,Jy=Jz=2.58kg.m2(忽略质量变化
导师
航天学院控制科学与工程系 自动化专业
106******** 张**
飞行器姿态控制开题报告ppt
1.研究背景
• 经过一个世纪的发展，各种飞行器如雨后春笋般出现，从飞机、导弹到火箭、卫星，从宇 宙飞船、航天飞机、空间站到月球探测器、火星探测器。这些飞行器能在空中按预定的轨 迹运动总离不开它的姿态控制系统， 飞行器在空间的运动是十分复杂的。同样，在飞行器 研究领域，世界范围内的所有飞行器的研究人员共同追求着飞行器的四个控制目标：第一， 增加飞行器的可控性；第二，使航天器控制更容易达到航空器控制的水平；第三，提供更 易使用于飞行器控制的算法；第四，增加飞行器的安全性。这些目标的实现同样也离不开 它的姿态控制系统。可见飞行器姿态控制在飞行器系统中的重要作用。
式中Jx,Jy,Jz分别为拦截器相对于弹体坐标系3 个轴的转动惯量, ωx， ωy
， ωz 分别为弹体坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度在弹体坐标系 3
个轴上的分量; Mx， My， Mz 分别为作用在拦截器弹体坐标系3 个轴上
的控制力矩; γ， ψ， 分别是滚转角、 偏航角和俯仰角。
飞行器姿态控制开题报告ppt
飞行器姿态控制开题报告ppt
2.国内外在该方向的研究现状
目前，国内外实际应用在飞行器上的姿态控制技术大多为PID控制， 部分飞行器也使用了描述函数法、最优控制技术等控制方法。虽然当 前在飞行器姿态控制中，新的控制方法的应用较少，但是由于应用任 务的需求，对飞行器的性能和精度要求不断提高，有关新的控制方法 在飞行器姿态控制的应用一直受到人们的关注。下面就列举几种国内 外讨论比较多的控制方法。变结构控制、鲁棒控制方法、自适应控制 方法、最优控制方法和智能控制方法。
• 2. 设计姿态控制规律，可用输入信息包括：弹体 三个姿态角、姿态角速度；输出信息为：姿态控 制发动机的开关信息。
• 3. 编写计算机仿真程序进行仿真验证。
飞行器姿态控制开题报告ppt
6.目前完成的主要工作
坐标系定义： 地面坐标系Axyz是与地球表面固连的坐标系。坐标系原点A通
常选取在导弹发射点上（严格的说，应取在发射瞬间是导弹的质心 上）；Ax轴指向可以是任意的，对于地面目标而言，Ax轴通常是弹 道面与水平面交线，指向目标为正；Ay轴沿垂线向上，Az轴与其他 两轴垂直并构成右手坐标系。地面坐标系相对地球是静止的，他随 地球自转为旋转。研究时可将其视为惯性坐标系。
弹体坐标系ox1y1z1的原点O取在导弹的质心上（此处把质心 当作惯性中心）；ox1轴与弹体纵轴重合，指向头部为正；oy1轴位 于弹体纵向对称面内于ox1轴垂直，指向上为正；oz1轴垂直于ox1y1 平面，方向按右手直角坐标系确定。弹体坐标系与弹体固连，是一 种动坐标系。
飞行器姿态控制开题报告ppt
飞行器姿态控制开题报告ppt
3.研究对象 ：大气层内的飞行器
主要研究大气层外拦截器的姿态控制
1 ＃,3 ＃为滚转发动机；2 ＃和5 ＃为俯仰发动机；3 ＃ 和6 ＃为偏航发动机。Ox1y1z1为弹体坐标系
飞行器姿态控制开题报告ppt
本文研究的大气层内飞行器姿态控制执行机构是 安装在飞行器尾部的6个自控发动机，通过对飞行 器的姿态控制规律进行设计，控制姿态发动机的 开关工作状态，使飞行器姿态在系统允许的误差 范围内，从而达到飞行器姿态控制的目的。
飞行器姿态控制开题报告ppt
• 姿态控制律的设计:在本文中应用的姿态控制方法为PD控制。PID控制 器是包含了比例，积分，微分控制于一体的经典控制方法。比例环节 用于提高系统的响应时间，减小系统的稳态误差；积分环节用于提高 系统型别，消除稳态误差，由于积分环节的加入，将会使控制系统的 频带变窄，从而影响系统的快速性。微分环节为系统提供阻尼，加强 系统的稳定性，同时使频带变宽，本质上相当于超前环节，加快系统 的响应速度。综上可知，对于对精度及快速性要求较高的姿态控制系 统，属于运动控制系统，适合于采用PD控制，此时既可以很好的满足 性能要求。
飞行器姿态控制开题报告ppt
4.研究的目的和意义
• 为了实现大气层内飞行器的姿态稳定控制，需要 对飞行器的姿态控制方法进行分析和研究。
控制目的是使拦截器姿态角满足系统允许的误差要求
飞行器姿态控制开题报告ppt
5.研究内容
• 1．建立大气层内飞行器绕质心动力学方程、绕质 心运动学方程、姿态发动机推力方程。
J z J y z y M x
Jy
y t
Jx
J z Βιβλιοθήκη Baidu z
M
y
J z
z t
J y J x y x M z
t
x ta n
y c o s z s in
y c o s z s i n
t
cos
t
x s in z c o s
• 姿态控制发动机的推力模型：设理论上拦截器弹体坐标系中安装在尾 部的六个姿态控制发动机所需提供的滚转、偏航、俯仰推力分别为 Txc,Tyc和 Tzc，实际Txc,Tyc和Tzc中,为了避免发动机频繁地开关机,可选 取一组开关机门限Ton和 Toff
Ton n1Tmax
Toff n2Tmax
式中n1和n2为比例系数,且n1,n2∈（0, 1 ）,可以在兼顾姿态控制发动 机开关机次数和控制精度的基础上选择合适的值。
速度坐标系ox3y3z3的原点O取在导弹的质心上；ox3轴与导弹 质心的速度矢量V重合；oy3轴位于弹体对称面内于ox3轴垂直，指 向上为正；oz3轴垂直于oz3y3平面，其方向按右手直角坐标系确定。 此坐标系与弹体固连，也是一种动坐标系。
绕质心转动的动力学和运动学简化模型为：
J x
x t
• PD控制模型为：
G
kp
kd
t0s t1s 1
飞行器姿态控制开题报告ppt
7.技术要求
• 要求设计的姿态控制规律能够在允许时间内使飞 行器姿态角误差满足系统精度要求，即
0.1 。
初始状态： x=z=0m,y=20km,Vx=1300m/s,Vy=900m/s,Vz=0m/s,m=85kg( 飞行器总质量)，Jx=o.43kg.m2,Jy=Jz=2.58kg.m2(忽略质量变化