《飞行器控制系统原理》课程简介
2014年06月03日 15:50   审核人:

一、课程基本信息

1、 课程代码:

2、 课程名称(中文):飞行器控制系统原理 (英文):Principle of Flight Vehicle Control

3、 学时/学分:64学时/ 学分

4、 先修课程:高等数学、大学物理、复变函数与积分变换、自动控制原理、

理论力学、飞行力学

5、 面向对象:航天类专业高年级本科生

6、 开课院(系):航天学院

7、 教材、教学参考书:

《航天器控制原理》、周军主编、西北工业大学出版社、2001.10。

《近地航天器轨道基础》、郗晓宁等编著、国防科技大学出版社、2002.12。

《Space Vehicle Dynamics and Control》, Bongwie, AIAA Education series, 2008

《导弹控制原理》(新)、杨军主编(尚未出版)。

《导弹控制原理》、杨军主编、国防工业出版社、2010.1。

《现代导弹制导控制系统设计》杨军主编、航空工业出版社、2005.7。

《导弹制导技术》、娄寿春 主编、宇航出版社、1989。

《Guided Weapon Control Systems》, P. Garnell, Beijing Institute of Technology

二、课程的性质和任务

“飞行器控制系统原理”是西北工业大学航天学院开设的一门航天类专业技术基础课,是面向航天类专业高年级本科生的一门必修专业技术基础课,为培养航天工程领域高质量的专门人才服务。

“飞行器控制系统原理”的教学任务是让学生掌握导弹及航天器等典型飞行器控制系统的基本组成结构,掌握飞行器控制元件的基本原理,掌握典型的飞行器控制方法,了解目前主要飞行器的飞行控制原理及飞行器控制技术发展的趋势。通过课程学习,通过课程学习,使学生对飞行器控制的建模、控制系统总体、原理方法和发展方向有较为全面的认识,为今后从事这一领域的研究和工作打下一个良好的基础。

三、教学内容和要求

飞行器控制系统原理分为上、下两册,其中飞行器控制系统原理(上)主要讲述大气层外航天器的控制系统,飞行器控制系统原理(下)主要讲述大气层内飞行器的控制系统。

上 篇

《飞行器控制系统原理(上篇)》教学内容分为六章,对不同章节的教学要求分别叙述如下(数字表示相应章节供参考的学时数)。

第1章 航天器控制系统基本概念(6)

1 航天器控制系统的发展

2 航天器动力学与控制的基本概念

3航天器控制的分类

要求:

了解世界及中国航天器控制系统发展的概况和发展趋势,掌握描述航天器轨道与姿态动力学的坐标系,理解轨道六要素的基本概念,掌握姿态角的描述方法,掌握线性化的航天器姿态动力学模型,了解航天器控制的主要工作模式,了解星上自主控制和星地大回路控制。

第2章 航天器控制系统的组成与分类 (6)

1 航天器姿态敏感器

2 航天器执行机构

3 星上计算机

4 航天器控制系统的基本组成

要求:

掌握太阳敏感器、红外地平仪以及星敏感器的基本工作原理,了解磁强计、陀螺、加速度计及射频敏感器的基本工作原理,掌握飞轮、推力器的工作原理,了解磁力矩器的工作原理,了解星上计算机的设计要求,了解航天器控制系统的基本组成结构。

第3章 航天器的被动姿态控制系统 (4)

1自旋卫星的稳定性和章动性

2自旋卫星的章动阻尼

3 重力梯度稳定系统

要求:

掌握自旋卫星的动力学模型,理解自旋卫星稳定的基本原理,掌握自旋卫星只有绕最大惯量轴旋转才是稳定的,这是本章的重点;准确理解章动及章动角的定义,掌握根据章动角推导自旋稳定的方法,了解自旋卫星章动阻尼的基本方法;了解重力梯度稳定系统的基本原理,了解重力梯度力矩的数学模型,掌握重力梯度系统伸展杆设计的基本要求。

第4章 航天器的主动姿态稳定系统 (6)

1 基于推力器的航天器姿态稳定

2 以飞轮为主的航天器姿态稳定系统

3 零动量反作用轮三轴姿态稳定系统

4 偏置动量轮三轴姿态稳定系统

要求:

理解喷气推力姿态稳定的基本原理,掌握基于位置和速度反馈的姿态控制律,能够利用相平面法分析极限环控制,了解单边极限环设计的原理;熟练掌握以推力器为主的航天器姿态稳定系统原理,明确推力器控制和飞轮控制的优缺点;掌握零动量反作用轮三轴姿态稳定系统,熟悉飞轮安装典型模式;了解偏置动量轮三轴姿态稳定的基本原理,了解控制力矩陀螺三轴姿态稳定原理。

第5章 航天器姿态机动控制 (4)

1 自旋卫星姿态机动

2 航天器姿态捕获

要求:

理解自旋稳定卫星姿态机动控制的脉冲控制律,理解只能采用断续脉冲控制的原因,明确相位角的概念,了解等倾角机动和大圆弧机动两种方式;熟练掌握自旋轴机动一定角度时对应的机动次数计算方法;掌握航天器姿态捕获的概念,了解地球同步轨道卫星姿态捕获的过程。

第6章 航天器的导航与制导 (6)

1.航天器的自主导航

2.航天器的轨道机动与轨道保持

3.航天器的交会对接控制、再入返回控制与星际飞行的导航和制导

要求:

明确航天器导航、制导与控制的概念,了解几种典型的卫星自主导航方法;熟悉航天器轨道控制的概念,熟练掌握霍曼转移轨道,平面外轨道变轨方案,了解航天器自主轨道保持的概念;了解航天器交会对接的过程,了解航天器再入返回各阶段的主要问题和应对方法,了解星际飞行的导航与制导技术。

下 篇

《飞行器控制系统原理(下篇)》教学内容(不包括拓展阅读内容)分为八章,对不同章节的教学要求分别叙述如下(数字表示相应章节供参考的学时数)。

第1章 绪论(4)

1 导弹的基本概念

2 导弹发展的历史

3发展意义

4 导弹对制导系统的要求

5 导弹制导控制系统的地位和作用

6 导弹制导控制系统面临的理论问题

7 本书概貌

要求:

了解导弹的基本概念、发展历史和发展意义,掌握导弹对制导系统的要求和制导控制系统的地位和作用,了解导弹制导控制系统面临的理论问题。

第2章 导弹制导控制基本原理(2)

1 导弹制导控制系统组成原理

2 导弹制导系统分类

3 导弹控制的基本原理

4 导弹火力控制系统原理

要求:

掌握导弹制导控制系统组成原理,了解导弹制导系统分类,掌握导弹控制的基本原理,了解导弹火力控制系统原理。

第3章 导弹的基本特性(2)

1 导弹运动方程组

2 导弹弹体动力学小扰动线性化模型

3 导弹弹体动态特性分析

要求:

掌握导弹运动方程组及弹体动力学小扰动线性化模型,会分析导弹弹体动态特性,导弹弹性弹体动力学模型和高超音速飞行导弹弹体动力学模型的特殊问题属于拓展阅读,作为补充阅读材料。

第4章 目标特性和环境(2)

1 目标的特性

2 目标的典型运动形式

3 目标的辐射特性及散射特性

4 空气动力环境

要求:

了解目标的特性、典型运动形式、辐射特性及散射特性、空气动力环境,干扰特性为拓展阅读,作为补充阅读材料。

第5章 对导弹的基本要求(4)

1 导弹的速度特性

2 导弹最大可用过载

3 导弹的阻尼

4 导弹的静稳定度

5 导弹的固有频率

6 导弹的副翼效率

7 导弹的俯仰/偏航

8 导弹弹体动力学特性的稳定

9 导弹法向过载限制

10 导弹结构刚度及敏感元件的安装位置

11 导弹操纵机构及舵面刚度

12 对动力系统的基本要求

要求:

了解导弹的基本特性,体会与这些基本特性与控制间的关系。

第6章 导弹飞行控制系统分析与设计(8)

1 传感系统

2 舵机及舵传动机构

3 姿态控制系统

4 法向过载控制系统

5 高度控制与航向控制

6 导弹角速率反馈系统设计实例

7 导弹法向过载控制系统设计实例

要求:

了解导弹的传感系统和舵机,熟练掌握导弹基本的控制系统设计方法,包括姿态控制系统、法向过载控制系统、高度控制与航向控制,了解导弹弹性弹体飞行控制,并建议通过对拓展阅读内容的学习,对先进控制技术有所了解。

第7章 导弹制导系统分析与设计(4)

1基本概念

2 导引规律

3 导弹制导系统解析分析法

4 仿真分析法

要求:

了解导弹制导系统的基本概念,掌握几种典型的制导规律,熟练掌握导弹制导系统解析分析法和仿真分析法中的蒙特卡洛方法,并对拓展内容有所了解。

第9章 典型导弹制导系统分析(6)

1 自主制导

2 遥控制导

3 自动寻的制导

4 复合制导

5 空空导弹制导系统实例

6 地空导弹制导系统实例

7 空地导弹制导系统实例

要求:

掌握四种典型制导系统的相关知识,并理解本章给出的三个制导系统实例。

四、实验(上机)内容和基本要求

无。

五、各教学环节学时分配

讲课

习题课

讨论课

实验课

其他

合计

上册

第一章

6

6

第二章

6

6

第三章

4

4

第四章

6

6

第五章

4

4

第六章

6

6

下册

第一章

4

4

第二章

2

2

第三章

2

2

第四章

2

2

第五章

4

4

第六章

8

8

第七章

4

4

第九章

6

6

总计

64

64

六、对学生能力培养的要求

本课程是航天类专业重要的基础专业课,主要面向于航天类专业高年级本科生,分上下两册。

1、上册的要求

要求在理解航天器的基本组成结构和航天器姿态轨道动力学的基础上,掌握航天器被动控制系统和主动控制系统的基本原理和设计方法,了解航天器导航、制导与控制系统的特点及发展趋势。

通过对敏感器和执行机构以及控制器的学习,掌握航天器控制系统的基本组成结构,这是进行航天器控制的基础;

通过对航天器被动控制系统的学习,掌握自旋卫星稳定性和章动性,了解航天器重力梯度稳定的基本原理;

通过对航天器主动控制系统的学习,结合相平面分析等手段,掌握基于速度和位置反馈的姿态控制系统设计方法,熟悉以飞轮为主的航天器姿态稳定控制系统基本原理,这是目前三轴姿态稳定航天器在轨姿态控制的一般方法,为今后从事相关专业研究打下基础;

通过对航天器导航与制导系统的学习,了解航天器自主导航的常用方法,掌握经典的平面内转移和平面外转移方式,建立起航天器轨道控制的基本概念。

通过课程学习,做到各章概念能够融会贯通,解题方法能够灵活运用,实际问题能够分析解决。从宏观角度把握课程的体系结构,建立起航天器控制系统的基本框架。

2、下册的要求

本课程注重控制理论与导弹专业知识的综合运用,注重理论与工程的结合,目的是培养学生利用所学知识解决导弹制导控制系统分析和设计的能力。通过本课程的学习,学生应掌握导弹制导控制系统分析和设计的基本方法,对工程设计中出现的实际问题有一定认识,了解导弹制导控制系统的最新发展。

七、其他说明

课程教学网站

(精品课): http://jpkc.nwpu.edu.cn/jp2005/03/

教学参考网站:

清华大学: http://qcourse.tsinghua.edu.cn

南 航: http://cae.nuaa.edu.cn/ftp/

上海交大: http://202.120.37.243/jiaoxuechengguo/main.asp/

八、考核方法:

闭卷考试(统一命题,统一考试,统一阅卷)。

考试成绩除笔试外,还包括平时作业和测验成绩。

撰写人:黄 河 袁博 制定日期:2013年6月30日

审定人:周 军 杨军

审定日期:2014年4月20日

学院审查意见: 主管院长:

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