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[资源] 2011Automatic.Control.of.Atmospheric.and.Space.Flight.Vehicles

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Aims and Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Plant Model .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Properties of a System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.1 Stability in the Sense of Lyapunov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.2 Controllability and Observability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Automatic Controllers .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.1 Terminal and Tracking Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.2 Control System Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.6 Linear Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6.1 Solution of Linear State Equations .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.6.2 Linear Time-Invariant Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.6.3 Linear Stability Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.6.4 Controllability of Linear Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.6.5 Observability of Linear Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.7 Aerospace Vehicle Guidance and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.8 Summary .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2 Flight Dynamic Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.1 Aims and Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2 Rigid Body Dynamics .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3 Attitude Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3.1 Euler Angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.2 Quaternion .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4 Flight Dynamics .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.4.1 Translational Kinematics in Planet-Fixed Frame .. . . . . . . . . . . . 65
2.4.2 Attitude Flight Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.5 Flight Dynamics System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
xi
xii Contents
2.6 Space Flight Dynamics .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.6.1 Orbital Mechanics .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.6.2 Spacecraft Attitude Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.7 Atmospheric Flight Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.7.1 Wind Axes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.7.2 Aerodynamic Forces and Moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.8 Flight Sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.8.1 Gyrodynamics .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.8.2 Inertial Measurement Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.9 Summary .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3 Control Design Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.1 Aims and Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.2 Transfer Function and Singularity Inputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.2.1 Impulse Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.2.2 Step Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.2.3 Frequency Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.3 Single Variable Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.3.1 Steady-State Error .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.3.2 Proportional-Integral-Derivative Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.3.3 Feedforward/Feedback Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.3.4 Robustness Analysis from Frequency Response. . . . . . . . . . . . . . 137
3.4 Multivariable Control Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.4.1 Regulator Design by Eigenstructure Assignment. . . . . . . . . . . . . 139
3.4.2 Linear, Quadratic Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.4.3 Linear Observers and Output Feedback Compensators . . . . . . 145
3.4.4 Linear, Quadratic, Gaussian (LQG) Compensator.. . . . . . . . . . . 150
3.5 Digital Control System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
3.6 Summary .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4 Automatic Control of Aircraft .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.1 Aims and Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.2 Aircraft Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.2.1 Rotational Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.2.2 Translational Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.2.3 Rotational Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.3 Longitudinal Stability and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.3.1 Longitudinal Stability Derivatives.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.3.2 LongitudinalModes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.3.3 Longitudinal Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
4.4 Automatic Longitudinal Control .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
4.5 Single-Input Longitudinal Control Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
4.5.1 Pitch Control by Elevator Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
4.5.2 Airspeed Control by Throttle Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Contents xiii
4.6 Longitudinal Control by Elevator and Throttle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
4.7 Lateral-Directional Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
4.7.1 Pure Rolling Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
4.7.2 Roll Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
4.7.3 Lateral-DirectionalModes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
4.7.4 Dutch-Roll (or Yaw) Damper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
4.7.5 Heading Autopilot.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
4.8 Summary .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
5 Automatic Control of Rockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
5.1 Aims and Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
5.2 Introduction .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
5.2.1 Thrust Vectoring for Attitude Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
5.3 Attitude Control Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
5.3.1 Equilibrium Conditions and Small Perturbations .. . . . . . . . . . . . 270
5.3.2 Stability About Pitch Equilibrium .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
5.4 Roll Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
5.5 Pitch-Yaw Control .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
5.6 Summary .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
6 Automatic Control of Spacecraft .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
6.1 Aims and Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
6.2 Introduction .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
6.3 Planar Orbit Control with Vectored Rocket Thrust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
6.3.1 Orbit Control with Radial Rocket Thrust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
6.3.2 Nonlinear De-orbiting Control System
for a Circular Orbit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
6.4 Orbital Plane Control with Vectored Rocket Thrust . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
6.4.1 Constant Acceleration, Switching Control
of Orbital Plane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
6.4.2 Feedback Regulated Thrust, Orbital Plane Control. . . . . . . . . . . 329
6.5 Attitude Control by Torque Impulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
6.6 Attitude Control of Spacecraft by Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
6.6.1 Rotors with Fixed Axes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
6.6.2 Rotors with Variable Axes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
6.7 Attitude Control of Spacecraft Under Solar Radiation Torque .. . . . . . 345
6.8 Attitude Control of Spacecraft Under Gravity-Gradient Torque . . . . . 347
6.8.1 Active Libration Damping of Gravity-Gradient Spacecraft .. 350
6.9 Summary .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
A Linear Optimal Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
A.1 Derivation of Matrix Riccati Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
A.2 Linear Time-Invariant System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
xiv Contents
Answers to Selected Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

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2015-01-29 18:56:21, 3.58 M