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第一章-5-飞行动力学-飞机的纵向运动讲解

有关 俯仰力矩:M a M a (V , , ,e , , q) ,还与动导数有关
基准运动为定直平飞,小扰动假设:空气密度=常值,可忽略 简化的力与力矩:
T T (V ,T ) L L(V ,,e ) D D(V , ) M a M a (V ,,e ,, q)
长周期运动分开处理, 使分析过程大为简化。 摄动理论 用于纵侧向解耦设计 非线性动态逆设计
短周期响应
长周期响应
六、短周期运动的近似传递函数
纵向运动的初始阶段,短周期运动占主导地位,其过渡过程时间很短,飞
行速度变化不大,可以认为速度增量V=0。 纵向运动方程式中第一式(切向力方程)可以删去,其他两式当V=0时,

以e为输入,为输出的传递函数:
稳定的,表现为单调发散 运动。
短周期模态在一般情况下 不会变成不稳定,只有重 心移到焦点之后的飞机, 短周期模态才变成一正一 负两个实根,其中正实根 表征不稳定的单调发散运 动,且单调发散的指数比 较大。
(二)传递函数及其频率特性 某飞机,有关数据如下:
重心之矩为正
2、升力L,垂直于飞行速度V,向上为正; 3、阻力D,平行于飞行速度V,向后为正; 4、俯仰力矩Ma(仅指气动力矩),抬头为正。
5、重力G,永远指向地心。
一、纵向运动方程
由受力图可得方程组:
速度的切向方向速度的法向方向-
m dV dt
T cos( T ) D G sin
研究初始条件为t=0时, 的扰动运动的解。
(一)扰动运动的解 用拉氏变换求解,令 考虑到前面给出的初始条件,有 代人微分方程组,得拉氏变换代数方程组:
方程的系数行列式(特征行列式)为
展开系数行列式,得特征多项式:
分解因式得:
有两对极点:s1,2 0.7322 j2.8998, s3,4 0.006 j0.038
各函数对基准运动(V0,0,e0,T0)展开泰勒级数并保留一
阶项,得
令 得到力与力矩的线性化描述:
T T0 TV V TT T
L L0 LV V L Lee
D D0 DV V D
Ma

M
a 0

M Va V

M
a
各大导数:
代入传递函数:
传递函数

负值,表示负的e产生正和正。
的传递系数均为
对数频率特性
图1V/e:短周期固有频率上的
幅值远小于长周期固有频率上 的幅值,说明短周期响应中 飞行速度的变化很小。
图2 /e:在短周期频率范围内, 的频率特性接近于一个二阶
振荡环节, 主要反映短周期 频率特性。
(二)两种扰动运动模态
短周期模态:,q,对应一对大共轭复根 长周期模态:V,,对应一对小共轭复根
s1,2 0.7322 j2.8998, s3,4 0.006 j0.038
固定翼飞机(或导弹)的纵向扰动运动都具有上述长、短周期
模态的特点。
物理成因:飞机受到外界扰动后,出现不平衡的外力和外力矩,
第三式中忽略动态惯性力矩项和阻尼力矩项,微分方程式变成代数方程 式:
变成二阶系统,且Ze=0
长周期近似传递函数:
代数方程
展开行列式,得:
直接代 入行列 式
可用MATLAB的符号语言求解传递函数
由第三个代数方程式,可得
代入速度V对舵面的传递函数,代入给定数据,得:
V
R R
d
dt
V
d
dt
2.切向方程 1
0
巡航飞行中速度较快,迎角较小;发动机安装角T在飞机上
是一个很小的角度,所以
cos( T ) 1
3.纵向方程
推力远小于重力,第二式中:
所以纵向方程:
mmVddVtddt
T
D G sin
L G cos

经拉氏变换,得: 简化后为二阶系统.
分母上有一个积分环节 用q就没有分母上的s了
短周期运动的近似传递函数(续) 常规飞机的升降舵在距重心较远的平尾上,平尾上的舵面
小偏转引起的法向力足以产生较大的纵向控制力矩。
从工程近似的意义上来说,可认为Ze=0,分母上的s消失
传递函数进一步简化为:
接近原点
分母行列式:
各分子行列式为: 求分子的变量的 那一列用方程右 边的列代入
分解为两项之和: 可计算受 扰动时 的响应
经拉氏反变换即得相应的函数。设

V、和扰动运动过程
曲线—扰动响应:
可通过d/dt得到q的响 应曲线,与接近
,q变化快—短周期运动
V,变化慢—长周期运动
外力要改变飞行速度是不易的。外力矩改变迎角(包括俯仰角)
比较容易。从飞机方程可知,有迎角扰动:
时,
,q表明飞机的角度运动,Iy小,改变容易,快 V,表明飞机的轨迹运动,G大,改变慢
长周期运动—飞机的沉浮运动
设短周期运动结束后,飞机的航迹倾斜角
为负值,即飞机向下滑
在重力沿轨迹切线方向分力(
长周期固 有频率p
图3 /e :长、短周期
固有频率上均有相当的数值,
说明无论是以长周期频率
操纵飞机,还是以短周期
频率操纵飞机, 都会产
生相当数量的变化。
短周期s
短周期 固有频 率s
升降舵e脉冲偏转响应
在短周期运动中,V和H的幅值变化很小, 长周期运动中的
幅值几乎为零。 因此可将短周期运动和
Me e

M T
T

d q dt

MV V

M

M

M qq

Me e

M T
T
控制力矩
纵向方程描述
归纳纵向4阶状态方程 系数矩阵—
雅可比矩阵
d V dt
XV V
X X XT T
d
dt
Z
1.纵向方程
1)法向方程
d/dt=an的由来:飞机质心速度V
由理论力学,法向加速度an=V2/R,
式中:V -切向速度,R -重心轨迹曲率半径
由于速度为轨迹弧长对时间的导数:V=ds/dt, 微段弧长:s=R, 取微分为:ds=Rd, 因此有:
an
V2 R
V V R
V
1 R
ds dt


M ae e

M
a


M
a q
q
(一)切向动力学方程的线性化
dV

dt

1 (T m
D G sin )
切向加速度:


基准运动航迹倾角0=0,故 且
则第一式的线性化方程为
由于有= -, 0=0-0=0,所以有:=- 代入上式:
式中,
XV
X
X
-XБайду номын сангаасT
—无因次速度
Tv,TT可由发动机特性曲线求出
Dv,Da是阻力对速度和迎角的函数,由吹风数据得出
也可写成:
d V dt
XV V
X X XT T
(二)法向动力学方程的线性化
法向加速度为
0
对于等速直线平飞的基准运动有 代入几何关系 得:
ZV V
q Ze e
d q dt

MV V

M

M

Mqq

Me e

MT
T
d q dt
令p=d/dt,可得另一种描述:
式中,Xv,Z,Mq称为大导数(有单位);
而Cm,CDM,Cl称为小导数(无因次); 上式虽然是3个等式,描述了一个4阶系统:有4个p=d/dt
阻尼比、振荡频率 时间常数
s,s ,T* —短周期参数
阻尼比、振荡频率 时间常数
以e为输入,为输出的传递函数:
三个传递函数的分母多项 式△(s)即纵向扰动运动 的特征多项式。是两个二 次因式之积,分别代表长 周期和短周期运动模态。
在某些情况下,长周期模
态可能变成一正一负的两
个实根,其中正实根是不

I y
d 2
dt 2
Ma
TzT

,可忽略
二、纵向运动方程的线性化
推力:T=T(V,,T),与空速、空气密度和油门位置有关 升力:L=L(V,,,e),与空速、密度、迎角和升降舵偏转
角有关
阻力:D=D(V,,),与空速、密度、迎角(和升降舵偏转角)
在长周期运动中,飞机重心时升时降,故称为沉浮运动。
区分长短周期对于简化、分析和设计系统有很重要的意义。
四、关于模态的概念
模态,即运动的基本动态形式,是线性时不变系统的固有特性。 线性系统中,一个模态对应一个实根或一对共轭复根,实根对
应单调过程,复根对应振荡过程。同一个模态的扰动响应与跟 踪响应的动态过程相同。 高阶系统有多个模态,各模态相互独立,总的运动是各模态的 线性叠加。 同一个模态各运动参数的幅值有固定的比例关系,各运动参数 之间的相位差也是固定的,并以同一个频率,同一个衰减速率 (或增长速率)运动。(如短周期和q;长周期V和)。 不同的初始条件只影响各模态的系数大小,而不影晌同一模态 中不同运动参数间的幅值比例关系。 飞机的纵侧向运动都用模态的概念来描述,各个模态的数学描 述对应着不同的飞行的基础物理运动。
mV
d dt
T sin( T ) L G cos
Iy
dq dt

M
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