《飞行力学与控制》飞行动力学与控制大作业报告院（系）航空科学与工程学院专业名称飞行器设计学号学生姓名目录一．飞机本体动态特性计算分析21.1飞机本体模型数据21.2模态分析21.3传递函数31.4升降舵阶跃输入响应31.5频率特性分析51.6短周期飞行品质分析6二．改善飞行品质的控制器设计72.1SAS控制率设计72.1.1控制器参数选择82.1.2数值仿真验证122.2CAS控制率设计13三．基于现代控制理论的飞行控制设计方法163.1特征结构配置问题描述163.1.1特征结构的可配置性163.1.2系统模型163.2系统的特征结构配置设计173.2.1设计过程173.2.2具体的设计数据173.2.3结果与分析18四．附录20(1.-0.0312-1.1095-9.8066-0.5083-0.0013-0.654300.91850001.00000-0.38280-0.6901=[--0.00140-0.0956]T(1.2(1.C=diag[1.000057.295857.295857.2958](1.九=-0.6778+0.5926i1,2对应的特征向量如下：0.98740.1137-0.0053i0.0521-0.0629i0.0019+0.0735i九二-0.0100+0.0769i-1.000-1.0000.98740.1137+0.0053i0.0011-0.0000i0.0011+0.0000i0.0521+0.0629i0.0021+0.0078i0.0021-0.0078i0.0019-0.0735i-0.0006+0.0001i-0.0006-0.0001i长．飞机本体动态特性计算分析1.1飞机本体模型数据本文选取F16飞机进行动态特性分析及控制器设计，飞机的纵向状态方程形式如下：x=Ax+Buy=Cx状态变量为：x=[ua9q]T控制变量为：u=6e基准状态选择为V二120ms,H二2000m的定直平飞。选取状态向量x=(ua9q、，控制量为升降舵偏角，则在此基准状态下线化全量方程所得到的矩阵数据如下：1.2模态分析矩阵A的特征值算出为:由系统特征值可知，系统具有两对共轭复根，也即具有两种运动模态:B模态长周特征值自然频率阻尼短周九二-0.0100+0.0769i0.07763,4—九=-0.6778+0.5926i0.90031,2—0.1280.752(1.(1.期模态与短周期模态，其对应的模态频率及阻尼比如下：表一飞机长短周期模态特征可以看出，在此飞行状态下，飞机纵向具有明显的长周期模态，但不具备明显的短周期的模态特征，模态频率过低，需要使用纵向增稳系统，改善阻尼比和自然频率。1.3传递函数飞机迎角与俯仰角速度对应于升降舵输入下的传递函数如下：—0.08021s3-5.088s2-0.1615s-0.06983s4+1.376s3+0.8436s2+0.02432s+0.00488-5.477s3-3.724s2-0.1034s-9.536e-016s4+1.376s3+0.8436s2+0.02432s+0.004881.4升降舵阶跃输入响应由上述传递函数可得迎角与俯仰角速度在升降舵单位阶跃输入下的响应分别如下：aq迎角对升降舵输入的阶跃响应图1升降舵单位阶跃输入迎角时域响应上面阶跃响应的性能指标为：稳态值为-14.3090，调节时间为332.0859s,超调量是37.6120%,上升时间是40.9400s。俯仰角速率对升降舵的单位阶跃响应图2升降舵单位阶跃输入俯仰角速度时域响应上面阶跃响应的性能指标为：稳态值为0，调节时间为558.8424s，超调量是2.9663/0，上升时间是42.4104s。4020图4俯仰角速度对升降舵响应传递函数Bode1.5频率特性分析迎角与俯仰角速度对应的传递函数的Bode图如下:图3迎角对升降舵响应传递函数BodeBodeDiagram--Frequency(rad/s)1.6短周期飞行品质分析飞机在当前状态下不具备短周期模态特征，短周期模态响应过大且频率过低，操纵特性不符合飞行品质的要求，因此需要添加SAS控制器来改善短周期模态阻尼，提高短周期模态频率，使操纵品质满足要求。二．改善飞行品质的控制器设计2.1SAS控制率设计增稳装置是在阻尼器的基础上发展而来的。阻尼器的作用主要是增加飞机的俯仰阻尼，从而在一定程度上改善了飞机的短周期反应特性，但它不能改变飞机的纵向静稳定性，这时不能仅仅依靠阻尼器，必须借助于纵向增稳系统（SAS）。纵向增稳装置除了俯仰角速度反馈回路之外，还有对迎角或法向过载的反馈回路，因而不仅能增加飞机俯仰阻尼，而且还能增加飞机的纵向静稳定性，提高飞机的短周期振荡频率，可以在更广阔的飞行范围内改善飞机的飞行品质。下图为纵向增稳装置的工作原理图。其中迎角变化是通过迎角传感器感受，其信号输入经放大器放大后，再经舵机及助力器，推动舵面朝着减小迎角变化的方向偏转。图5纵向增稳系统原理框图在本文中，对上述结构图做出如下简化：图6纵向增稳系统简化图G(s)=das...
