22、飞行器与火箭自动控制技术解析

飞行器与火箭自动控制技术解析

飞机自动控制

飞机的姿态动力学包含旋转和平移运动。在稳定性和控制分析中，只需研究平衡状态下的小扰动，这会使对称平面内的运动（纵向动力学）和对称平面外的运动（横向 - 方向动力学）解耦。通过对平衡状态进行一阶泰勒级数展开来近似力和力矩，得到称为稳定性和控制导数的线性系数。

• 纵向动力学控制 ：通过发动机油门和升降舵进行控制，两者都配有伺服执行器。油门输入主要影响长周期（浮沉）模式，而短周期模式只能通过升降舵输入有效控制。虽然可以分别对空速和俯仰姿态进行单变量控制，但更稳健的设计是同时应用这两个输入，以实现对浮沉和短周期模式的主动阻尼。高速飞机的稳定性导数会随高度和马赫数发生显著变化，如俯仰和偏航阻尼导数下降。为了在整个飞行包线内保持足够的稳定性裕度，需要根据马赫数和动压改变反馈增益（增益调度），但这会导致整体非线性控制系统，设计时需谨慎。
• 横向 - 方向动力学控制 ：副翼是跟踪滚转角的主要横向控制装置，而方向舵主要用于通过调节侧滑和偏航率进行方向控制。由于滚转、偏航和侧滑运动存在固有耦合，副翼和方向舵可单独作为控制横向 - 方向动力学的单一输入。纯滚转和荷兰滚模式可分别通过副翼和方向舵的单反馈回路进行控制，但螺旋模式的控制需要采用副翼和方向舵双输入的多变量设计方法。

以下是一些相关的练习题及分析：
| 练习题编号 | 题目内容 | 分析要点 |
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| 4.1 | 给定飞机的额外参数，确定标准海平面飞行条件下固定控制时纵向模式的无量纲纵向状态动力学矩阵、固有频率和阻尼比，并与