自动驾驶仪程序报告.doc

.弹箭飞行控制原理实验报告 姓 名: 学 号: 专 业：武器系统与发射工程 一、实验目的1. 深入理解弹箭飞行控制自动驾驶仪的功能； 2. 掌握弹箭线性化传递函数的一般计算方法； 3. 掌握各种典型自动驾驶仪结构，具有一定地自动驾驶仪参数设计与分析能力； 4. 增强对制导弹箭飞行控制系统的认识、理解、工程设计能力，锻炼通过实验验证分析控制系统动态品质的动手能力。二、实验内容和项目1. 实验内容1）制导弹箭自动驾驶仪功能及工作过程演示实验结合课堂教学内容和弹箭自动驾驶仪模拟系统，观摩自动驾驶仪的功能和工作过程，理解其在实际飞行控制系统中的作用。2）弹箭线性化传递函数的计算实验根据课堂教学要求和制导弹箭飞行弹道方案，计算各个特征点上的动力学系数，进而获得弹体传递函数系数。在进行实验课时，学生可以将自己的计算结果与软件中内置的弹体传函参数进行比较，检查自己的计算结果。3) 弹箭典型控制系统的设计及性能分析实验根据课堂教学和弹体传递函数计算结果，在实验课中，通过操作“弹箭飞行控制与软件设计系统”，在自动驾驶仪结构图上，按照从内环到外环的顺序，逐步进行时域分析和频域分析，了解各个参数的影响和作用，并确定控制系统的控制参数。然后进行六自由度弹道仿真验证控制参数的正确性。2. 实验要求1）独立完成实验，撰写试验报告；2）提交实验相关程序。三、实验人员和实验时间设计人员： 夏斌 设计时间： 6.20 四、实验设备弹箭飞行控制设计系统五、实验步骤及过程1. 根据初始弹道条件和弹道方案，计算方案弹道和导引弹道；2. 分别根据设计要求，选择下滑段、等高巡航段、末制导段典型特征点，计算动力学系数和传递函数；3. 设计俯仰、滚转和偏航通道的控制器参数，并进行时域和频域的动态品质分析；4. 进行六自由度弹道仿真验证，并绘制弹道参数曲线。六自由度弹道输出参、数为：时间、x、y、z、V、弹道倾角、弹道偏角、质量m、马赫数Ma、俯仰角、偏航角、滚转角、攻角、侧滑角、速度倾斜角，俯仰指令（分段改变），偏航指令（分段改变），阶段标志（1、初始阶段；2、中制导；3、末制导）；5. 撰写实验报告。六、 实验结果与分析1、 建立弹道模型 建立弹道模型，起始点坐标为（x0,y0）=（0,7100m），初速V0=260m/s，目标位置(xt,yt)=（12000m，0）。1）初始发射段方程组：初始发射段采用俯仰角控制方案，方案俯仰角2）巡航段方程组：巡航段采用高度控制方案，方案高度，俯仰角3）末端攻击段方程组： 末端攻击段采用比例导引，导引律为 2、 特征点的动力学系数和传递函数按正常式布局导弹，1） 列写a22等动力学系数表达式 2） 列写：3） 写出传递函数表达式俯仰通道传递函数为其中：a1=-a22;a2=-a24;a3=-a25;a4=a34;a5=a35;参数特征点a1a2a3a4a5第一转折点-0.0051-699.4136-540.93012.48760.4131-1.51080.03780.04710.5119第二转折点-0.0049-805.5900-615.31982.80950.4722-1.67370.03520.04960.4563动压最大点-0.0113-1547.6-1220.46.2421-0.2262-3.83550.02540.07950.2056动压最小点-0.0047-589.6635-469.93412.26790.3981-1.49870.03800.04700.5167攻角最大点-0.0051-699.4138-540.92972.48760.4131-1.49870.03800.04700.5167过载最大点-0.0051-699.4136-540.93012.48760.4131-1.51080.03780.04710.51193、 俯仰通道控制器参数设计并进行时域和频域的动态品质分析姿态控制回路选取需用过载最大点作为特征点进行参数设计。参数a1参数a2参数a3参数a4舵机比例参数舵机时间参数-0.0051-699.4136-540.93012.487611在设计中只是从整个的传递函数着手，系统的开环传递函数:设计结果：内回路Kwz频域设计时域设计0.080幅值裕度(db)相角裕度()穿越频率(Hz)超调量(%)上升时间 (s)调节时间 (s)Inf91.355.84630.0050.240外回路控制参数频域设计时域设计KpKi赋值裕度(db)相角裕度()穿越频率(Hz)超调量(%)上升时间(s)调节时间(s)25180Inf78.624.590.2501.800设计结果分析：1）俯仰回路姿态控制内回路频域响应Bode图2）俯仰回路姿态控制内回路时域阶跃响应图3）俯仰回路姿态控制外回路频域响应Bode图4）俯仰回路姿态控制外回路时域阶跃响应图4、 进行六自由度弹道仿真验证，并绘制弹道参数曲线弹道曲线：设计的理论参数曲线：（1）y-x曲线（2）、y-t曲线（3）、攻角Apat曲线（4）、Vt曲线（5）、弹道倾角-t曲线（6）、俯仰舵偏角z-t曲线七、 实验结论1、各回路的作用：内环回路为阻尼回路，作用是提高增稳回路的稳定性，保证整个飞行过程中有较好的动态性能，使弹体更好的跟随动态制导指令的变化。外环回路是稳增回路，作用是增加回路的稳定性，改善导弹的动态性能。 2、姿态控制回路参数设计步骤：1）计算：内回路的传递函数为：W=KWZKM(T1S+1)TM2S2+2TMM+KWZKMT1S+KWZKM+1根据期望的阻尼系数为0.707来计算相应的控制参数KWZ，表达式如下：KWZ=(-BK+AK22+AK2-BKAK2+AK44)/KM其中的AK=2TMM/T1,BK=2TMM/T1通过公式求解出KWZ为-0.0802）求在设计时，应将所在的支路断开，此时的开环传递函数为W=KPKMKWZ(T1S+1)S(TM2S2+2TMM+KWZKMT1S+KWZKM+1)所在的回路为增稳回路，增稳回路的带宽WH与导弹固有频率为：WHK1WN,将W换算成频域形式，令|W|=1，计算出为25。3）求KiKi所在的回路为制导回路，此时系统的开环传递函数为W=KiKPKMKWZ(T1S+1)S2(TM2S2+2TMM+KWZKMT1S+KWZKM+1)制导回路带宽为K1WnK2WT，将W转换成频域形式，此时令|W|=1，计算出Ki为180.九、问题分析及解决方法（1）程序首先开始是根据弹道方程，通过龙格库塔法计算出弹道方程，上个学期使用c语言编写程序，这个学期改用MATLAB编写，在编写的过程中在程序的调用，飞行各个过程的划分中遇到了一些问题，通过了向之前用过MATLAB的同学请教最后计算出飞行轨迹。（2）接下来是进行弹道特征点的选择，我没有编写专门的程序进行编写，而是通过查看弹道轨迹数据手动选择，将选出的特征点的V,H,M输进程序计算KM T1 TM M。（3）接下来是进行KWZ KP KI的选择。在没有控制的情况下，系统非常不稳定在程序刚开始编制的时候，我先是使用了多次尝试的方法，画出KWZ KP KI在不同情况下的各种时域响应图然后根据图像选择最后的情况，之后上课的PPT上讲了详细的KWZ KP KI的计算方法，我又重新计算了结果得到了更好的制导结果。十、附件程序说明（1）MATLAB文件包含6个M函数，分别为主程序mainzhuhanshu.m，微分方程函数dxl，特征点计算好h1.m,h2.m,h3.m,控制参数计算函数r1.m.（2）程序图像文件包含轨迹图像和时域图，伯德图。clc;clear;close all;R0=1.225*(1.0-2.0323*10(-5)*7100)4.83;%S=0.456;q0=0.5*R0*260*260;tspan=0:0.05:60;nspan=260 0 0 7100 225 0 q0 0 0;t,y=ode45(dxl,tspan,nspan);figure(1),plot(t,y(:,1),r-,LineWidth,2),grid on;%title(V-T),xlabel(t/s);ylabel(v/(m/s)figure(2),plot(y(:,3),y(:,4),r-,LineWidth,2),grid on;%title(Y-X),xlabel(x/m);ylabel(y/m);figure(3),plot(t,y(:,2),r-,LineWidth,2),grid on;%title(-T),xlabel(t/s);ylabel(theta/rad)figure(4),plot(t,y(:,4),r-,LineWidth,2),grid on;%title(Y-T),xlabel(t/s);ylabel(y/m);figure(5),plot(t,y(:,6),r-,LineWidth,2),grid on;%title(-T),xlabel(t/s);ylabel(alpha/);figure(6),plot(t,y(:,7),r-,LineWidth,2),grid on;%title(q-T),xlabel(t/s);ylabel(q/pa);figure(7),plot(t,y(:,8),r-,LineWidth,2),grid on;%title(N-T),xlabel(t/s);ylabel(n/(m/s2);figure(8),plot(t,y(:,9),r-,LineWidth,2),grid on;%title(-T),xlabel(t/s);ylabel(dz/);%clc;clear;close all;S=0.456;%p=3000;m=225; L=2.358; Jz=60.85; Jy=60.85;Jx=3.45;%Vnmax=283.68;Hnmax=6986.8;qnmax=23026;mnmax=220.8; %manmax=Vnmax/(20.046*(288.34-5.86*0.001*Hnmax)0.5); MA=0.6,0.8,0.9,1.0,1.2;%MACX0=-0.2000,-0.2210,-0.2315,-0.2420,-0.2500;CXAA=-0.0005,-0.0005,-0.0005,-0.0005,-0.0005;CYA=0.2505,0.253,0.254,0.255,0.256;CYDZ=0.04,0.047,0.043,0.045,0.045;MZA=-0.0290,-0.0298,-0.0300,-0.0302,-0.0302;MZDZ=-0.0220,-0.0240,-0.0232,-0.0230,-0.0234;MZWZ=-0.002,-0.0015,-0.0015,-0.0012,-0.0016;MXWX=-0.0002,-0.00045,-0.0005,-0.00052,-0.00052;MXDZ=-0.0028,-0.0027,-0.0028,-0.0028,-0.0028;%gnmax=9.806*(1.0-2*Hnmax/6371000);%R=1.225*(1.0-2.0323*10(-5).*Hnmax)4.83;%cx0=spline(MA,CX0,manmax);cxaa=spline(MA,CXAA,manmax);cya=spline(MA,CYA,manmax);cydz=spline(MA,CYDZ,manmax);mza=spline(MA,MZA,manmax);mzdz=spline(MA,MZDZ,manmax);%mzwz=spline(MA,MZWZ,manmax);mxwx=spline(MA,MXWX,manmax);mxdz=spline(MA,MXDZ,manmax);a22=mzwz*qnmax*S*L*L/(Jz*Vnmax);a24=57.3*mza*qnmax*S*L/Jz;a25=57.3*mzdz*qnmax*S*L/Jz;a34=(57.3*cya*qnmax*S+p)/(mnmax*Vnmax);a35=57.3*cydz*qnmax*S/(mnmax*Vnmax);%Kmm=(-a25*a34+a35*a24)/(a22*a34+a24); %KmTmm=1/(-a24-a22*a34)0.5 ; %Tm Emm=(-a22+a34)/(-a24-a22*a34)0.5/2; %m T1m=a25/(a25*a34-a35*a24); %T1% P1m=-A33+A34-A22-A11;% P2m=A31*A14-A31*A13+A22*A33-A22*A34-A24+A33*A11-A34*A11+A22*A11;% P3m=-A21*A14-A31*A22*A14+A22*A31*A13+A24*A33-A22*A33*A11+A22*A34*A11+A24*A11;% P4m=A21*A33*A14-A13*A21*A34+A24*A31*A13-A24*A33*A11;% num=Kmm*T1m;den=Tmm2,2*Tmm*Emm,1; %clc;clear;close all;S=0.456;%p=3000;m=225; L=2.358; Jz=60.85; Jy=60.85;Jx=3.45;%Vnmax=260;Hnmax=7100;qnmax=19507;mnmax=225; %manmax=Vnmax/(20.046*(288.34-5.86*0.001*Hnmax)0.5); MA=0.6,0.8,0.9,1.0,1.2;%MACX0=-0.2000,-0.2210,-0.2315,-0.2420,-0.2500;CXAA=-0.0005,-0.0005,-0.0005,-0.0005,-0.0005;CYA=0.2505,0.253,0.254,0.255,0.256;CYDZ=0.04,0.047,0.043,0.045,0.045;MZA=-0.0290,-0.0298,-0.0300,-0.0302,-0.0302;MZDZ=-0.0220,-0.0240,-0.0232,-0.0230,-0.0234;MZWZ=-0.002,-0.0015,-0.0015,-0.0012,-0.0016;MXWX=-0.0002,-0.00045,-0.0005,-0.00052,-0.00052;MXDZ=-0.0028,-0.0027,-0.0028,-0.0028,-0.0028;%gnmax=9.806*(1.0-2*Hnmax/6371000);%R=1.225*(1.0-2.0323*10(-5).*Hnmax)4.83;%cx0=spline(MA,CX0,manmax);cxaa=spline(MA,CXAA,manmax);cya=spline(MA,CYA,manmax);cydz=spline(MA,CYDZ,manmax);mza=spline(MA,MZA,manmax);mzdz=spline(MA,MZDZ,manmax);%mzwz=spline(MA,MZWZ,manmax);mxwx=spline(MA,MXWX,manmax);mxdz=spline(MA,MXDZ,manmax);a22=mzwz*qnmax*S*L*L/(Jz*Vnmax);a24=57.3*mza*qnmax*S*L/Jz;a25=57.3*mzdz*qnmax*S*L/Jz;a34=(57.3*cya*qnmax*S+p)/(mnmax*Vnmax);a35=57.3*cydz*qnmax*S/(mnmax*Vnmax);%Kmm=(-a25*a34+a35*a24)/(a22*a34+a24); %KmTmm=1/(-a24-a22*a34)0.5 ; %Tm Emm=(-a22+a34)/(-a24-a22*a34)0.5/2; %m T1m=a25/(a25*a34-a35*a24); %T1%clc;clear;close all;S=0.456;%p=3000;m=225; L=2.358; Jz=60.85; Jy=60.85;Jx=3.45;%Vnmax=289.39;Hnmax=0;qnmax=51114;mnmax=189.0851; %manmax=Vnmax/(20.046*(288.34-5.86*0.001*Hnmax)0.5); MA=0.6,0.8,0.9,1.0,1.2;%MACX0=-0.2000,-0.2210,-0.2315,-0.2420,-0.2500;CXAA=-0.0005,-0.0005,-0.0005,-0.0005,-0.0005;CYA=0.2505,0.253,0.254,0.255,0.256;CYDZ=0.04,0.047,0.043,0.045,0.045;MZA=-0.0290,-0.0298,-0.0300,-0.0302,-0.0302;MZDZ=-0.0220,-0.0240,-0.0232,-0.0230,-0.0234;MZWZ=-0.002,-0.0015,-0.0015,-0.0012,-0.0016;MXWX=-0.0002,-0.00045,-0.0005,-0.00052,-0.00052;MXDZ=-0.0028,-0.0027,-0.0028,-0.0028,-0.0028;%gnmax=9.806*(1.0-2*Hnmax/6371000);%R=1.225*(1.0-2.0323*10(-5).*Hnmax)4.83;%cx0=spline(MA,CX0,manmax);cxaa=spline(MA,CXAA,manmax);cya=spline(MA,CYA,manmax);cydz=spline(MA,CYDZ,manmax);mza=spline(MA,MZA,manmax);mzdz=spline(MA,MZDZ,manmax);%mzwz=spline(MA,MZWZ,manmax);mxwx=spline(MA,MXWX,manmax);mxdz=spline(MA,MXDZ,manmax);a22=mzwz*qnmax*S*L*L/(Jz*Vnmax);a24=57.3*mza*qnmax*S*L/Jz;a25=57.3*mzdz*qnmax*S*L/Jz;a34=(57.3*cya*qnmax*S+p)/(mnmax*Vnmax);a35=57.3*cydz*qnmax*S/(mnmax*Vnmax);%Kmm=(-a25*a34+a35*a24)/(a22*a34+a24); 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