1、大气层内飞行器姿态控制规律大气层内飞行器姿态控制规律设计与仿真设计与仿真航天学院控制科学与工程系航天学院控制科学与工程系自动化专业自动化专业106* 张张 *导师 1.研究背景研究背景 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，制系统， 飞行器在空间的运动是十分复杂的。同样
2、，在飞行器研究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；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。控
3、制系统。可见飞行器姿态控制在飞行器系统中的重要作用。2.国内外在该方向的研究现状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
4、用一直受到人们的关注。下面就列举几种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。控制方法、最优控制方法和智能控制方法。3.研究对象研究对象 ： 大气层内的飞行器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
5、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。4.研究的目的和意义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。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 5.研究内容研究内容 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。 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。6.目
6、前完成的主要工作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
7、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。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：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 , x， y， z 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
8、上的控制力矩 ; ， ， 分别是滚转角 、 偏航角和俯仰角 。 姿态控制发动机的推力模型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：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和和 Tzc，实际，实际 Txc,Tyc和和 Tzc中中 ,为了避免发动机频繁地开关机为了避免发动机频繁地开关机 ,可选取一组开关机门限可选取一组开关机门限 Ton和和 Toff式中式中 n1和和 n2为比例系数为比例系数 ,且且 n1,n2 （ 0, 1 ） ,可以在兼顾姿态控制发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。动机开关机次数和控制精度的基础上选择合适的值。
