航天飞行器设计实验教程9787512442382

第1章 制导回路半实物仿真

1.1 半实物仿真基础知识

1.1.1 仿真技术

1.1.2 实时操作系统

1.1.3 常用HIL方案

1.1.4 xPC(slrt)的初级应用

1.2 虚拟仪器基础知识

1.2.1 虚拟仪器的发展

1.2.2 虚拟仪器的概念

1.2.3 虚拟仪器的构成

1.2.4 虚拟仪器的特点

1.2.5 虚拟仪器的开发平台

1.3 系统辨识基础知识

1.3.1 建模方法

1.3.2 系统辨识的定义和分类

1.3.3 系统辨识的步骤

1.3.4 系统辨识算例

1.4 PID控制基础知识

1.4.1 PID控制综述

1.4.2 PID控制器的特点

1.4.3 PID控制器的参数整定

1.5 HIL仿真实验

1.5.1 基于Simulink Real-Time的实时仿真

1.5.2 基于Simulink Real-Time的虚拟仪器设计

1.5.3 导弹控制系统开环模型性能测试

1.5.4 导引头动力学模型参数辨识

1.5.5 PID控制器设计与检验

1.5.6 导弹半实物交战仿真实验

第2章 弹箭质量特性

2.1 弹箭质量特性测量方法综述

2.1.1 质量/质心测量方法

2.1.2 转动惯量测量方法

2.2 弹箭质量特性测量实验

2.2.1 质量/质心测量实验

2.2.2 转动惯量测量实验

第3章 弹箭振动特性

3.1 导弹弹体弹性问题

3.2 弹体弹性对导弹飞行的影响

3.3 弹性弹体的动力学模型

3.4 克服弹性对稳定性影响的策略

3.5 弹箭振动特性测量实验

3.5.1 自由振动法测量单自由度系统的参数

3.5.2 稳态激扰法测量简支梁结构的幅频响应曲线

3.5.3 用正弦扫频法测量简支梁结构的频率响应

3.5.4 冲击激励法测量简支梁模态参数

第4章 舵机特性

4.1 舵机概述

4.1.1 舵机的意义

4.1.2 舵机的分类

4.1.3 舵机系统设计一般要求

4.2 电动舵机

4.2.1 电动舵机的原理

4.2.2 电动舵机的发展现状

4.2.3 舵机系统的测试

4.3 舵机负载模拟器

4.3.1 舵机负载模拟器的意义

4.3.2 舵机负载模拟器的功能

4.3.3 舵机负载模拟器的分类

4.3.4 电动舵机负载模拟器的详细介绍

4.3.5 电动舵机负载模拟器控制策略

4.4 电动舵机系统测试实验

4.4.1 CRC校验实验

4.4.2 电动舵机测试实验

第5章 电视制导

5.1 电视制导原理

5.1.1 电视制导的分类及特点

5.1.2 电视制导的方式及基本原理

5.2 图像处理算法

5.2.1 数字图像处理的概念

5.2.2 数字图像基础

5.2.3 空间域图像增强

5.2.4 图像识别与目标检测

5.3 电视目标检测跟踪实验

5.3.1 开发数字图像处理环境

5.3.2 数字图像处理算法设计

5.3.3 目标跟踪算法实现

第6章 卡尔曼滤波

6.1 最优估计以及滤波理论的发展和应用

6.2 卡尔曼滤波器

6.2.1 状态空间法简介

6.2.2 卡尔曼滤波启发性例子

6.2.3 卡尔曼滤波方程

6.2.4 仿真实例

6.3 卡尔曼滤波实验

6.3.1 姿态估计实验

6.3.2 目标运动信息估计实验

第7章 弹道优化

7.1 弹道优化问题描述

7.2 最优弹道求解方法

7.2.1 优化算法

7.2.2 单纯形优化算法

7.2.3 遗传算法(GA)

7.2.4 序列二次规划算法(SQP)

7.2.5 弹道优化在MATLAB环境下的实现

7.3 弹道优化算例

7.3.1 Rosenbrock香蕉函数最小值求解

7.3.2 具有额外参数的函数最小值求解

7.3.3 弹道优化设计算例

7.4 弹道优化设计实验

附录

附录A Simulink Real-Time操作指南

A.1 引言

A.2 Simulink模型

A.3 Simulink Real-Time

A.4 菜单栏及工具栏图标的意义

附录B Simulink Real-Time下的虚拟仪器设计

B.1 Simulink Real-Time虚拟仪表简介

B.2 虚拟仪表面板的创建

B.3 虚拟仪表的选择与装订

B.4 展示仪表与调参仪表

B.5 仪表的布局

B.6 图表属性设置

附录C 导引动力学仿真教学实验平台的使用方法

C.1 导引动力学仿真教学实验平台的结构与工作原理

C.2 《目标跟踪实验转台控制箱》使用指南

C.3 Simulink Real-Time与硬件的接口定义

附录D 电视制导硬件在回路仿真流程

D.1 电视制导原理

D.2 交战仿真的数学模型

D.3 硬件在回路仿真模型搭建

附录E YE6251软件操作说明书

E.1 登录输入

E.2 实验项目选择

E.3 通道参数设置

E.4 系统参数设置

E.5 观察视图设置

E.6 数据采集

E.7 模态分析和振型动画显示(模态实验时使用)

附录F 振动力学实验原理

F.1 自由振动法测量系统参数

F.2 简支梁振动模态

F.3 频响函数说明

附录G HT-S-4310通信协议

参考文献

第1章制导回路半实物仿真

1.1半实物仿真基础知识

1.1.1仿真技术

仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用有关的物理效应设备及仿真器为工具,利用模型(物理模型、数学模型等)对系统(已有的或设想的)进行研究的一项多学科的综合性技术"。仿真技术具有可操纵性、可重复性、灵活性、安全性、无破坏性、经济性等优点,且获得比实际飞行经验更多的信息,同时不受环境条件和空域场地的限制,所以仿真技术广泛应用于航天器研制和运行的全过程。

仿真是一种特别有效的研究手段,具有巨大的经济效益。如1930年前后美国陆、海军航空队在作战训练时使用了林克式仪表飞行模拟训练器，每年可节约1.3亿美元,少牺牲524名飞行员。20世纪80年代，导弹研制采用仿真技术,可达到减少飞行试验数量的30%~40%.节约研制经费的10%~40%和缩短周期的30%~60%的效果，这足以说明系统仿真在工程应用中的重大意义。

按照仿真时所采用的模型种类，可以将仿真分为物理仿真、数学仿真和半物理仿真(也叫半实物仿真或硬件在回路仿真)。

物理仿真是指采用一个与实际对象相似的实体作为模型而进行的仿真，如几何相似的比例模型,典型代表是风洞中的飞机缩比模型。由于物理仿真能观测到数学模型无法描述的系统特性,若将系统的实际参数、非线性因素和干扰因素等引人仿真回路,物理仿真更能反映系统的实际情况,故成为设计复杂系统必不可少的试验手段。例如，新型飞机在试飞之前,必须在铁鸟台(飞控液压系统综合试验台架)上进行严格的仿真试验(见图1-1),此时铁鸟台和飞机组成了一个完整的物理仿真环境。

物理仿真虽有很多优点,但要求模仿实际系统构造出一个相似的物理模型,这需要投人很多的时间成本和经济成本。另外,不同的实际系统要求做出不同的物理模型,因此通用性较差。相比起来，数学仿真显示出较大的优势。

数学仿真是建立系统的数学模型,再通过计算机来复现系统的工作过程，属于抽象仿真。比如在MATLAB软件中,设计一个经典的 Bouncing Ball算例:小球在10 m的高度以15 m/s的速度向上抛出，每次落地后小球的弹起速度变为落地速度的80%。不考虑空气阻力,对小球的运动过程进行建模和仿真结果如图1-2所示,右边的仿真曲线直观的反应了小球的运动轨迹等数据。

……

全书分为七章和几个附录，第一章阐述了制导回路半实物仿真的基本知识，包括仿真技术、实时操作系统、常用半实物仿真系统解决方案和xPC/slrt的基本应用，然后介绍了虚拟仪器、系统辨识、PID控制的基础知识，并设计了针对这些知识的相关实验；第二章系统介绍了弹箭质量、质心和转动惯量的测量方法，并对其中两种方法配备了实验；第三章介绍了弹体弹性问题，包括弹性的产生原因、带来的影响、和应对的策略，并给出了几种测量弹性模态参数的实验；第四章介绍了舵机特性，重点介绍了电动舵机的原理和测试方法，并给出了两个舵机系统测试实验；第五章阐述了电视制导的原理和基础算法，设计了几个简单的图像处理实验；第六章以启发式算例的方式介绍了卡尔曼滤波的基本原理，给出了仿真算例，并设计了两个算法实验；第七章介绍了弹道优化的基本知识，给出了几个仿真算例，并配备了算法实验。第五、六、七章的算法实验，不需要专门的硬件支持。