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1、飞行器控制实验指导书控制科学与工程教学实验中心2005年3月目 录一、实验目的和意义二、实验的基本要求三、Matlab语言基础四、实验项目(一) 实验一 飞行器纵向稳定系统综合设计(二) 实验二 飞行器侧向稳定器观测器的设计(三) 实验三 飞行器爬升率与空速的保持与指令控制(四) 实验四 飞行器3维飞行动画仿真实验一、实验目的和意义作为航天学院的学生，掌握飞行器控制方面的知识是必要的。仅仅通过课堂教学，学生很难切实地掌握飞行器控制的知识，很难熟练地应用飞行器控制的方法。为了使学生更深刻地理解飞行器控制方面的知识，开设本实验是必要的。通过飞行器控制实验，可以使学生更直观地理解课堂上学到的理论，使
2、学生能真正做到理论与实际相结合，会应用课堂上所学到的理论来进行飞行器控制系统的设计，同时，使学生掌握用Matlab来进行飞行器控制系统分析与设计的方法。二、实验的基本要求1 要求学生能较熟练地使用控制系统分析设计软件（Matlab）来进行系统分析与设计。2 要求学生能熟练地使用Matlab软件进行编程，并在该软件环境下进行调试。3 要求学生掌握模态控制理论（模态可控、模态可观结构分析；模态控制器设计，模态观测器设计），并编制相应的matlab函数。4 要求学生能使用所编制的程序进行飞行器控制系统的分析与综合。三、Matlab语言基础(一) matlab软件的编程环境1 找到MatlabMatl
3、ab软件应用程序的图标为，matlab软件被正确安装后，可以将该图标拖曳到桌面上或快捷工具栏中以方便使用。2 启动Matlab点击Matlab图标会弹出如下窗口(二) 飞行器控制实验中要用到的matlab语句1 赋值语句：A=0 1 0;0 0 1;-6 -11 -6 2 矩阵的维数：行,列=size(A)3 矩阵的秩：n=rank(A)4 矩阵的逆：B=inv(A)5 求特征值和特征向量：V,eva=eig(A) V为AT的广义模态矩阵，eva=diag(l1,ln)6 矩阵的转置：A因为是实数阵所以转置可以用A，A是A的共扼转置而U,V等复数阵的转置要用conj(V);7 子阵的抽取：A(
4、i:j,m:n); A(:,1);A(i,j)8 矩阵四则运算：（维数要一致）表达式与标量数值运算同9 循环语句：for i=1:1:n+1程序行end10 条件判断：if(a=b)程序行end11 结果显示控制：语句后面加“;”则不显示结果。12 将某个变量从工作区中清除clear ParaEva;13 m函数：function AC,KVT=SImodectrl(A,B,eva0,eva1)函数体end function 要求m文件的文件名与函数名一致。14 绘制某个量的关于时间的曲线：plot(t,x(1,:) 逗号分割两个向量（行或列均可），左边为横坐标，右边为纵坐标grid 加栅格a
5、xis(x0 x1 y0 y1) 确定坐标系大小figure(i) 定义新图，设定当前图以上语句及其它感兴趣的函数、语法的详细使用说明可以参阅MATLAB的帮助。四、实验报告飞行器控制实验报告(实验报告模版在ftp:/219.217.250.117/incoming中下载)班级： 学号： 姓名： 时间：2011年 12月 12日控制科学与工程教学实验中心2006年12月(一) 实验一 飞行器纵向稳定系统综合设计1实验要求：(1) 掌握单输入多模态控制的设计步骤，及各参数的确定；(2) 会用单输入多模态控制方法设计飞行器的稳态控制器；(3) 会用Matlab工具2. 实验过程：(从Matlab的
6、工作区中将输入和计算过程复制粘贴过来，可以改变一下字体大小和格式)l 表2-1纵向短周期模态的模态控制(1)飞机原始数学模型状态变量：输入变量：A: A=-0.602,1;-15.988,-0.5A = -0.6020 1.0000 -15.9880 -0.5000B: B=-0.0848;-9.439B = -0.0848 -9.4390(2)A的特征值和特征向量特征向量矩阵(在Matlab直接计算出来的U的结果上乘以自己的学号(两位)L:U:V: U,L=eig(A)U = 0.0031 - 0.2426i 0.0031 + 0.2426i 0.9701 0.9701 L = -0.551
7、0 + 3.9982i 0 0 -0.5510 - 3.9982i U=U*28U = 0.0866 - 6.7928i 0.0866 + 6.7928i 27.1634 27.1634 V=conj(inv(U)V = 0 + 0.0736i 0 - 0.0736i 0.0184 - 0.0002i 0.0184 + 0.0002i(3)配置要求(AC的特征值)LC: LC=-2.1+2.142i;-2.1-2.142iLC = -2.1000 + 2.1420i -2.1000 - 2.1420i(4)模态可控阵P: P=inv(U)*BP = -0.1737 - 0.0040i -0.1
8、737 + 0.0040i(5)比例控制器增益K: K1=(LC(1)-L(1,1)*(LC(2)-L(1,1)/P(1)/(L(2,2)-L(1,1)K1 = 9.0606 + 6.2665i K2=(LC(1)-L(2,2)*(LC(2)-L(2,2)/P(2)/(L(1,1)-L(2,2)K2 = 9.0606 - 6.2665i K=K1 K2K = 9.0606 + 6.2665i 9.0606 - 6.2665i(6)状态反馈增益阵G: G=K1*conj(V(:,1)+K2*conj(V(:,2)G = -0.9225 0.3365(7)闭环系统矩阵及其特征值AC: AC=A+B
9、*GAC = -0.5238 0.9715 -7.2804 -3.6762LC: LC=eig(AC)LC = -2.1000 + 2.1420i -2.1000 - 2.1420i(8) 开环系统响应曲线(攻角初值为2.5)：(9) 闭环系统响应曲线(攻角初值为2.5)：(10) 闭环时的输入曲线：l 表2-2纵向短周期和俯仰角模态的模态控制(1)飞机原始数学模型状态变量：输入变量：A: A=0,0,1;0,-0.602,1;0,-15.988,-0.5A = 0 0 1.0000 0 -0.6020 1.0000 0 -15.9880 -0.5000B: B=0;-0.0848;-9.43
10、9B = 0 -0.0848 -9.4390(2)A的特征值和特征向量特征向量矩阵(在Matlab直接计算出来的U的结果上乘以自己的学号(两位)L:U:V: U,L=eig(A)U = 1.0000 -0.0319 - 0.2315i -0.0319 + 0.2315i 0 0.0030 - 0.2359i 0.0030 + 0.2359i 0 0.9433 0.9433 L = 0 0 0 0 -0.5510 + 3.9982i 0 0 0 -0.5510 - 3.9982i U=U*28U = 28.0000 -0.8934 - 6.4827i -0.8934 + 6.4827i 0 0.
11、0842 - 6.6047i 0.0842 + 6.6047i 0 26.4111 26.4111 V=conj(inv(U)V = 0.0357 0 0 -0.0351 0 + 0.0757i 0 - 0.0757i 0.0013 + 0.0000i 0.0189 - 0.0002i 0.0189 + 0.0002i(3)配置要求(AC的特征值)LC: LC=-0.2;-2.1+2.142i;-2.1-2.142iLC = -0.2000 -2.1000 + 2.1420i -2.1000 - 2.1420i(4)模态可控阵P: P=inv(U)*BP = -0.0095 - 0.0000i
12、 -0.1787 - 0.0041i -0.1787 + 0.0041i(5)比例控制器增益K: K1=(LC(1)-L(1,1)*(LC(2)-L(1,1)*(LC(3)-L(1,1)/P(1)/(L(2,2)-L(1,1)/(L(3,3)-L(1,1)K1 = 11.6468 - 0.0000i K2=(LC(1)-L(2,2)*(LC(2)-L(2,2)*(LC(3)-L(2,2)/P(2)/(L(1,1)-L(2,2)/(L(3,3)-L(2,2)K2 = 9.0491 + 5.6192i K3=(LC(1)-L(3,3)*(LC(2)-L(3,3)*(LC(3)-L(3,3)/P(3)/(L(1,1)-L(3,3)/(L(2
