第3课-飞行器数学模型及其自然特性

飞行控制系统，第三课(20160323)fk.906(feikong )，复习第二课的内容，复习自动飞行控制系统，自动飞行控制系统的电路，第二课的内容，第二章飞机的数学模型及其自然特性，飞行控制系统的核心问题是控制系统和飞机组成的封闭电路的静态、动态特性本章总结介绍了飞机总量的六自由度方程和线性化方程，并将其分解为纵向运动方程和横向运动方程。 最后分别分析讨论了纵向运动、横向运动特性。 目前为了明确飞机和控制器的作用关系，有必要介绍飞机的运动参数和操纵系统等。 2.1坐标系，运动参数和操纵机构，2.1.1坐标系为准确描述飞机运动，建立飞机模型，应选择合适的坐标系，目前国内普遍使用的坐标系有两种：苏联和欧美坐标系，我们选择的吴森堂教材采用欧美坐标系。 飞机的对称面是xoz平面。 三轴方向符合右手定律，研究飞机地面位置地面坐标系研究飞机旋转(或状态变化)机体坐标系研究飞机轨迹运动速度坐标系建立侧向运动方程式采用稳定坐标系，此外航迹坐标系、2.1.1坐标系、假定条件：(为简化分析) 利用将忽略地球曲率的地面坐标系视为惯性坐标系的牛顿定律，将对称平面、2.1.1坐标系、1 )地面坐标系(轴系) Sg-ogxgygzg、地面坐标系固定在被视为平面的地球表面上。 原点Og :地面上的某个点，例如飞机的起飞点纵轴OgXg :在地面平面内指飞行方向，坐标OgXg表示行程。 横轴OgYg :地面内也与纵轴垂直，右为正，坐标OgYg表示横向偏移。 立轴OgZg :垂直地面指地底，坐标OgZg表示飞行高度，图2-1地面坐标系，2 )机体轴系(体轴系) Sb-oxyz，原点o :在飞机的重心坐标系固定在飞机上。 纵轴ox :在飞机的对称平面内，与飞机的设计轴线平行，指向前方(机头)。 横轴oy :垂直飞机的对称平面朝右。 立轴oz :在飞机的对称平面内，垂直于ox轴指向机体的下方。 此外，取图2-2(a )机体坐标系、图2-2(b )机体坐标系、3 )气流坐标系(windcoordinateframe )速度坐标系、原点Oa :飞机的重心，坐标系固定在飞机上。 纵轴OXa :与飞机速度的方向一致，不一定在飞机的对称平面内。 立轴OZa :在飞机对称平面内，且与OXa轴垂直地指向机腹横轴oya :与xaa za平面垂直地指向右方向.图2-3气流坐标系(速度坐标系)、4 )稳定坐标系(stabiltycoordinateframe )、原点os :取决于飞机的重心，坐标系固定在飞机上。 纵轴oxs :与稳定状态(基准运动的重心)的速度矢量一致(称为与机体坐标ox等速飞行时的迎角或基准运动的迎角)立轴ozs :在对称平面内垂直于oxs，朝向机腹正。 横轴oys :与机体轴oy重叠，右翼为正。图2-4稳定坐标系、5 )航迹坐标系(pathcoordinateframe )、原点Ok :取飞机的重心，坐标系与飞机相连。 纵轴OXk :与飞机速度方向一致的立轴OZk :位于包含飞行速度v的垂直面内，垂直于OXk轴指向下方；横轴oyk :垂直于xok ZK平面朝右。 2.1.2飞机运动参数，1 )姿态角：(机体轴系与地面轴系的关系)欧拉角:飞机机体轴ox与地面所成的角度。 以水平面上方为正。 陀螺仪测量轴水平轴oyg侧倾角:机体轴oz与包含机体轴ox的铅垂面所成的角度。 飞机向右倾斜的时候是正的。 测量轴纵轴ox偏航角:飞机机体轴ox在地面上的投影与轴系的oxg之间的角度，机头右偏航为正。测量轴垂直轴ozg，图2-5飞机姿势角，2 )航迹角(flight-pathangles )速度轴与轴系之间的角度航迹倾斜角:空速矢量v与地面之间的角度，飞机向上飞行为正。 航迹滚动角:速度轴oza与包含速度轴oxa的铅垂面所成的角度以飞机的右倾为正。 尾迹方位角：空速矢量v在地面内的投影与地轴ogxg所成的角度。 把投影到ogxg右边的东西作为正面。 2.1.2飞机运动参数，图1-6速度坐标系和地面坐标系，3 )气流角：(速度轴体轴) (aerodynamicangles )迎角也是攻角:空速矢量v在飞机对称平面内投影机体的纵轴ox和角度。 将v的投影设为轴ox的下方为正。 侧滑角:空速矢量v与飞机对称平面所成的角。 将v位于对称面的右侧作为正。 2.1.2飞机的运动参数，图1-7气流坐标系和机体坐标系，2.1.2飞机的运动参数，4 )机体坐标系的角速度分量(角速度-从属)机体坐标轴的三个角速度分量是旋转角速度相对于机体坐标系的轴向机体坐标系的各轴的投影。 侧倾角速度p :与机体轴OX一致俯仰角速度q :与机体轴OY重叠的一致横摆角速度r :与机体轴OZ一致的、2.1.2飞机的运动参数、5 )机体坐标系的速度成分机体坐标轴的三个速度成分是飞行速度v向机体坐标系的各轴的投影。 u :与机体轴OX一致的v :与机体轴OY重叠的一致w :与机体轴OZ一致的、2.1.2飞机的运动参数；6)6)以自由度、纵向、横向运动的区分以对称平面为基准，2.1.2飞机的运动参数为了容易记述飞机的空间运动状态，必须选择适当的坐标系。 如果选择机体坐标系建立飞机运动方程式，机体坐标系便于描述飞机的空间旋转运动，但空气动力必须在由气流(速度)坐标系确定后转换为机体坐标系。 重力需要从地面坐标系转换为机体坐标系。 只能将作用于不同坐标系的力统一到选定坐标系。 因此，坐标系间的变换是确立飞机运动方程式不可或缺的重要环节。坐标系间关系：2.1.2飞机的运动参数、地面坐标系与机体坐标系的关系图、从地面坐标系Sg变换为机体坐标系Sb的顺序为2.1.2飞机的运动参数、从地面坐标系Sg变换为机体坐标系Sb的顺序为2.1.2飞机的运动参数、 2.1.2飞机运动参数、2.1.2飞机的运动参数、机体坐标系和气流坐标系的变换1 )使迎角从机体坐标系Sb旋转到稳定坐标系Ss2)进而使滑动角从稳定坐标系ss旋转到气流坐标系Sa的本P12 (先再)、2.1.2飞机的运动参数、 2.1.3操纵机构，控制量： 3个姿势角、高度、速度及侧偏差由升降舵、挡板、方向舵、加速杆控制，驾驶员由操纵杆、踏板和操纵杆操纵舵面，2.1.3操纵机构，操纵机构和运动参数之间的调整关系：2.1.3操纵基准运动(无干扰运动):表示各运动参数完全按照规定的规则变化。 干扰运动：受干扰影响偏离基准运动的运动1 )稳定的运动稳定性：干扰停止后，飞机可以从干扰运动返回基准运动。 静稳定性：干扰停止的第一个瞬间，运动参数发生变化的趋势，由于解的动稳定性复杂，因此提出了静稳定性。 2.1.4稳定性和操纵性概念，2 )操纵性飞机是相应的运动，回答驾驶员操纵各操纵机构的能力操纵性是如何操纵、操纵容易、操纵力和操纵响应慢，一般飞机是否容易使用。 操纵性和稳定性关系到飞机的结构参数、气动特性(控制系统)，既有两者之间矛盾的一面，也有统一的一面。操纵性指标是cap (controlanticipationparameter )、2.1.4稳定性和操纵性的概念，3 )机动性是指飞机在一定时间内改变速度的大小、方向和空间位置的能力。 在这些三重性中，如果过分强调单重性，会影响其他的