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飞行动力学及控制原理
第1次开课
开课时间: 2022年09月15日 ~ 2022年12月25日
学时安排: 待定
当前开课已结束 已有 4471 人参加
立即自学
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课程详情
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—— 课程团队
课程概述

飞行动力及控制原理是自动化专业的核心专业课程,具有鲜明的航空特色,是西北工业大学自动化专业作为国防特色专业的主要支撑课程;也是我校自动化专业学生本科阶段深入学习的第一门专业课程。本课程有64学时/4学分。


本课程的教学内容围绕四个问题展开:

一、如何描述飞机运动?也就是飞机运动建模问题;

二、如何分析飞机运动?也就是飞机操纵性和稳定性分析问题;

三、如何控制飞机运动?主要讲述飞行控制系统的基本原理;

四、如何评价飞机运动?也就是飞机飞行品质评估问题。


这四个问题中,前两个属于飞行动力学的范畴,后两个属于飞行控制的范畴。


在飞行动力学部分,我们将讲述三部分内容,分别是:空气动力学,主要介绍飞机的飞行环境和影响飞机运动的微观因素,如流体的相关概念、流体运动的方程等;飞机运动方程,主要介绍如何全面描述飞机的运动及受力情况,如飞机常用坐标系及运动参数和飞机运动方程的推导;操稳特性分析,介绍典型运动模态和影响飞机稳定性的因素以及这些影响因素之间的相互作用关系,如飞机运动的典型模态、典型模态特征参数及其影响因素等。


在控制原理部分,我们主要介绍两部分内容:飞行控制系统基本原理,主要研究控制飞机运动和提升飞机操稳特性的飞行控制系统的基本原理,如阻尼器、增稳系统、控制增稳系统、电传飞行控制系统的基本原理;飞行品质部分,主要介绍评价飞机特性和飞行控制系统性能的指标、方法,如飞行品质的概念、评价飞机飞行品质的指标等。


本课程在讲授过程中,有知识传授、课堂思政和综合训练三个环节。这三个环节的教学目标分别是:

  • 在知识传授部分,要求学生掌握用描述飞机运动的建模方法和利用控制理论分析、设计飞行控制系统的基本方法,为进一步深造和从亊专业技术工作打下必要的理论基础和专业知识;

  • 在课堂思政环节,我们根据授课内容适当引入历史事件、时事动态和人物事迹,培养学生严谨的工作作风,引导学生树立远大理想和敢于担当的责任意识,激发报国情怀。

  • 在综合训练环节,我们将通过大作业的形式要求学生完成一架真实飞机动力学建模、操稳特性分析、控制系统设计和品质评估的全过程,用实际训练过程提高学生知识综合和实践能力,增强学生团队合作意识。


通过三个环节的融合,培养有报国情怀、有担当精神、有协作意识、有创新能力的高素质工程人才。


授课目标

航空航天类、自动化类专业本科生、研究生,飞行控制领域工程技术人员

课程大纲
绪论
课时目标:了解飞行控制的过程了解飞行动力学部分和飞行控制部分的知识结构;了解本课程的参考书。
1.0飞行动力学及控制原理引言(0.5学时)
绪论
课时目标:了解飞机常见的布局 掌握常规布局飞机操纵面及其功能
1.1飞机常见气动布局和操纵面(1学时)
绪论
课时目标:飞行控制系统的定义 (了解)飞行控制系统的分类 (了解)飞行控制系统的作用 (了解)飞行控制系统的组成(掌握)飞行控制系统的典型回路(掌握,重点)
1.2飞行控制系统组成(1.5学时)
绪论
课时目标:飞行控制系统在设计过程中地位的变化(了解)飞行控制系统信号传输介质的变化(了解)
1.3 飞行控制系统的发展(1学时)
绪论
课时目标:1.掌握自动驾驶仪、阻尼器、增稳系统、控制增稳系统、自动飞行控制系统、飞行管理系统、飞行器管理系统的概念。2.了解自动驾驶仪(AP)、阻尼器(Damper)、增稳系统(SAS)、控制增稳系统(CSAS)、飞行指引仪(FD)、自动推力系统(AT)、自动飞行控制系统(AFCS)、飞行管理系统(FMS)、飞行器管理系统(VMS)的技术背景和联系
1.4飞行控制系统功能的演变(2学时)
空气动力学基础
课时目标:大气环境和国际标准大气的概念(了解)飞机常用高度的定义(掌握,重点)空气的性质和状态方程(了解)
2.1国际标准大气和空气动力学的基本假设(1学时)
空气动力学基础
课时目标:1.质量守恒与连续方程 (了解)2.能量守恒方程 (了解)3.伯努利方程及其应用 (掌握,重点)4.飞机的常用速度(掌握,重点)5.流速和流管截面积的关系(掌握)
2.2.流体流动的基本规律(1.5学时)
空气动力学基础
课时目标:1. 扰动在介质中传播规律(了解)2.激波 (了解)3.膨胀波(了解)4.临界马赫数的概念(掌握)
2.3 扰动在空气中的传播规律(1.5学时)
空气动力学基础
课时目标:1. 利用连续性方程和伯努利方程解释升力机理的局限 (了解)2.达朗贝尔疑题(了解)3.库塔-茹科夫斯基对升力的解释(了解)
2.4 升力产生的机理(1学时)
飞机常用坐标系和运动参数
课时目标:1.地面系(熟练掌握)2.机体系(熟练掌握)3.气流系(熟练掌握)4.稳定系(熟练掌握) 5.航迹系(熟练掌握
3.1 飞机常用坐标系(1学时)
飞机常用坐标系和运动参数
课时目标:熟练掌握以下描述飞机运动的常用参数1.姿态角(俯仰角、偏航角、滚转角);2.气流角(迎角、侧滑角) 3.航迹角(航迹方位角、航迹倾斜角、航迹滚转角);4.机体轴系上三轴速率分量u v w ;5.机头轴系上三轴角速率分量 p q r 6.过载
3.2 描述飞机运动的常用参数(1.5学时)
飞机常用坐标系和运动参数
课时目标:1.角速率矢量方向的确定方法(熟练掌握);2.姿态角速率、气流角速率、航迹角速率的矢量表达形式(熟练掌握);3.其他参数的矢量表达(熟练掌握)
3.3描述飞机运动常用参数的矢量表达式(1学时)
飞机常用坐标系和运动参数
课时目标:熟练掌握如下知识:1.各坐标系的关系;2.坐标系变换的角度和次序;3.基元旋转及旋转矩阵的构建;4.飞机常用坐标系变换阵的构建
3.4 常用坐标系之间的关系及变换阵(1.5学时)
飞机气动力和气动力矩及其影响因素
课时目标:熟练掌握如下知识:1.机翼翼型参数和平面参数:展长、弦长、平均几何弦长、平均气动弦长、后掠角、上反角等;2.翼型上的气动力;3.空气动力系数和气动系数的导数
4.1 机翼几何参数和作用在机翼上的气动力(1.5学时)
飞机气动力和气动力矩及其影响因素
课时目标:1.升力随迎角的变化情况(重点,失速、临界迎角的概念);2.升力随M数的变化情况(了解);3.升力随弯度的变化情况(了解);4. 产生升力的部件(了解)
4.2 升力及其影响因素(1.5学时)
飞机气动力和气动力矩及其影响因素
课时目标:了解各类阻力的产生机理和减阻措施1.摩擦阻力(了解)2.压差阻力(了解)3.干扰阻力(了解)4.诱导阻力(掌握下洗的概念)5.激波阻力(了解)
4.3 阻力及其影响因素(1.5学时)
飞机气动力和气动力矩及其影响因素
课时目标:1.侧力定义(掌握)2.侧力产生的原因(了解)3.飞机操纵机构和舵面极性的定义(掌握)
4.4 侧力及其影响因素和舵面极性定义(1学时)
飞机气动力和气动力矩及其影响因素
课时目标:1.翼型上的气动俯仰力矩的计算(了解);2.焦点的概念(掌握,重点;3.焦点的性质(掌握)
4.5 翼型上的气动俯仰力矩和焦点(1.5学时)
飞机气动力和气动力矩及其影响因素
课时目标:1.俯仰力矩的组成(了解)2.俯仰力矩的产生部件(了解)3.定常直线平飞时的俯仰力矩(掌握)4.俯仰静稳定性、纵向静稳定度的概念(掌握、重点)5.纵向静稳定性和焦点的关系(掌握、重点)
4.6 飞机俯仰力矩及其影响因素(1.5学时)
飞机气动力和气动力矩及其影响因素
课时目标:1.俯仰阻尼力矩产生的机理和计算方法(掌握)2.洗流时差导数产生的机理和计算方法(掌握)3.螺旋桨干扰力矩产生的机理和方向判断(了解
4.7 曲线飞行时俯仰力矩(1.5学时)
飞机气动力和气动力矩及其影响因素
课时目标:1.滚转力矩的影响因素(掌握)2.滚转静稳定性的概念(掌握)3. 上反角和后掠角对滚转静稳定性的影响分析(掌握)
4.8 滚转力矩及其影响因素(1.5学时)
飞机气动力和气动力矩及其影响因素
课时目标:1.偏航力矩的影响因素(掌握)2.偏航静稳定性的概念(掌握)3. 上反角和后掠角对偏航静稳定性的影响分析(掌握)
4.9 偏航力矩及其影响因素(1.5学时)
飞机运动方程及其线性化
课时目标:掌握利用飞机刚体运动方程推导的思路1.矢量微分公式(掌握,重点)2.刚体运动方程推导的假设条件(掌握)3. 机体系下飞机动力学方程推导(掌握,重点)4.气流系下飞机动力学方程推导(掌握)5. 航迹系下飞机动力学方程推导(掌握)
5.1 矢量微分公式和机体系下飞机动力学方程推导(2学时)
飞机运动方程及其线性化
课时目标:掌握利用坐标系变换推导运动学方程的思路1.角运动方程(掌握,重点)2.地面系导航方程(掌握)3. 气流角的计算(掌握,重点)4.航迹系下导航方程推导(掌握)5. 飞机常用简化方程(掌握)
5.2 飞机运动学方程推导和简化(2学时)
飞机运动方程及其线性化
课时目标:掌握利用小扰动线性化原理推导线性化方程的思路1.小扰动线性化的原理(掌握)2.基准运动概念(掌握)3. 纵向运动线性化方程推导(掌握)4.横侧向运动线性化方程推导(掌握)5. 大导数的概念(掌握)
5.3 飞机运动方程的线性化(2学时)
飞机纵向运动模态分析
课时目标:掌握短周期模态和长周期模态根的特点1.飞机纵向运动的算例分析(了解)2.短周期模态和长周期模态的概念(掌握)3. 短周期模态的物理成因(掌握)4.长周期模态的物理成因(掌握)
6.1 飞机纵向运动典型模态及其物理成因(1学时)
飞机纵向运动模态分析
课时目标:1.推导纵向运动传递函数的原理(掌握)2.纵向运动传递函数的形式(掌握)3. 短周期模态传递函数的近似(掌握)4.短周期模态稳定性和静稳定导数的关系(掌握)
6.2 短周期模态传递函数及其稳定性(1.5学时)
飞机纵向运动模态分析
课时目标:1.长周期运动的近似传递函数(掌握)2.定载静稳定性的概念(掌握)3. 定载静稳定导数的推导(掌握)4. 长周期模态稳定性和定载静稳定导数的关系(掌握)
6.3 长周期模态传递和定载静稳定性(1.5学时)
飞机纵向运动模态分析
课时目标:掌握运动模态特征参数影响的分析过程1.空速、高度对纵向运动模态特征参数的影响(掌握)2.气动参数对纵向运动模态特征参数的影响(掌握)
6.4飞机纵向运动模态特征参数及其影响因素(2学时)
飞机纵向运动模态分析
课时目标:掌握油门杆阶跃偏转时纵向参数的分析过程1.油门杆阶跃偏转时的传递函数(了解)2.油门杆阶跃偏转时纵向参数的终值及原因(掌握)3. 正常操纵和反操纵(掌握)
6.5 油门杆偏转时的纵向飞行动力学(2学时)
飞机横侧向运动模态分析
课时目标:1.飞机横侧向运动的传递函数(了解)2.飞机横侧向运动的稳定条件(掌握)3. 荷兰滚、螺旋模态和滚转模态的概念(掌握)
7.1 横侧向运动传递函数和典型模态(1学时)
飞机横侧向运动模态分析
课时目标:1.荷兰滚模态的运动过程分析(了解)2.滚转阻尼模态运动过程分析(掌握)3. 螺旋模态运动过程分析(掌握)
7.2 横侧向运动模态的物理成因(1.5学时)
飞机横侧向运动模态分析
课时目标:掌握荷兰滚、螺旋和滚转模态传递函数的简化方法1.横侧向运动各典型模态的近似传递函数(掌握)2.横侧向运动各典型模态的频率分析(了解)
7.3 横侧向运动模态近似传递函数和频率分析(1学时)
飞机横侧向运动模态分析
课时目标:掌握分析横侧向运动模态特征参数影响因素的方法和结论1.高度、速度对横侧向运动模态特征参数的影响(掌握)2.气动导数对横侧向运动模态特征参数的影响(掌握)3. 飞机纵向和横航向的耦合(掌握)
7.4 横侧向运动模态特征参数及其影响因素(1.5学时)
飞机参数反馈对飞机运动模态特征参数的影响
课时目标:1.飞行控制系统自动器的构成(掌握)2.控制律反馈增益符号的确定方法(掌握)
8.1 飞行控制系统中自动器的构成和控制律反馈增益符号的确定(1学时)
飞机参数反馈对飞机运动模态特征参数的影响
课时目标:1.纵向运动参数反馈对纵向运动模态特征参数的影响(熟悉)2.纵向运动参数反馈对纵向运动模态特征参数影响分析方法(掌握)
8.2 纵向运动参数对飞机运动模态特征参数的影响(2学时)
飞机参数反馈对飞机运动模态特征参数的影响
课时目标:1.横侧向运动参数反馈对横侧向运动模态特征参数的影响(熟悉)2.横侧向运动参数反馈控制律增益符号的确定方法(掌握)
8.3 横侧向运动参数对飞机运动模态特征参数的影响(2学时)
阻尼器、增稳系统和控制增稳系统
课时目标:掌握阻尼器、增稳系统的工作原理和洗出网络的概念。
9.1 阻尼器和增稳系统工作原理(1学时)
阻尼器、增稳系统和控制增稳系统
课时目标: 掌握控制增稳系统的组成和工作原理、采用控制增稳系统对飞机操纵性影响分析和杆力梯度和操纵灵敏度的概念
9.2 控制增稳系统工作原理(1学时)
阻尼器、增稳系统和控制增稳系统
课时目标:了解控制增稳系统指令模型的功能;掌握中性速度静稳定性NSS、正速度稳定PSS的概念,掌握中性速度稳定控制律的工作原理
9.3 控制增稳系统指令模型和中性速度稳定性(2学时)
电传飞行控制系统
课时目标:掌握电传飞行控制系统的组成和工作原理和 电传飞行控制系统控制律的常见指令构型
10.1 电传飞行控制系统的组成和控制律常见构型(2学时)
电传飞行控制系统
课时目标:掌握电传飞行控制系统中控制模态转换时的瞬态抑制方案和 电传飞行控制系统中对惯性交感的抑制措施
10.2 电传飞行控制系统中的瞬态抑制措施(1学时)
电传飞行控制系统
课时目标:通过某型ACT飞机电传飞行控制律了解电传飞行控制系统工作原理的实现
10.3 电传飞行控制系统实例(1学时)
飞机飞行品质
课时目标:了解飞机飞行品质关于飞机分类 、飞行阶段的分类、飞行品质等级;了解飞行品质评价中等效系统的概念、原理和方法 。
11.1飞行品质简介(1学时)
飞机飞行品质
课时目标:了解俯仰轴、偏航轴、滚转轴常用飞行品质评价指标
11.2飞机常用飞行品质评价指标(1学时)
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预备知识

高等数学、自动控制原理、线性系统、理论力学

证书要求

为积极响应国家低碳环保政策, 2021年秋季学期开始,中国大学MOOC平台将取消纸质版的认证证书,仅提供电子版的认证证书服务,证书申请方式和流程不变。

 

电子版认证证书支持查询验证,可通过扫描证书上的二维码进行有效性查询,或者访问 https://www.icourse163.org/verify,通过证书编号进行查询。学生可在“个人中心-证书-查看证书”页面自行下载、打印电子版认证证书。

 

完成课程教学内容学习和考核,成绩达到课程考核标准的学生(每门课程的考核标准不同,详见课程内的评分标准),具备申请认证证书资格,可在证书申请开放期间(以申请页面显示的时间为准),完成在线付费申请。

 

认证证书申请注意事项:

1. 根据国家相关法律法规要求,认证证书申请时要求进行实名认证,请保证所提交的实名认证信息真实完整有效。

2. 完成实名认证并支付后,系统将自动生成并发送电子版认证证书。电子版认证证书生成后不支持退费。


参考资料

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[2].     徐亚军,魏麟,李军辉,民航飞机自动飞行系统[M],西南交通大学出版社,2012

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[4].     张汝麟,现代飞机飞行控制系统工程[M],上海交通大学出版社,2015

[5].     陈宗基,民机飞行控制系统设计的理论与方法[M],上海交通大学出版社,2015

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[11].    John F. Welch, Lewis Bjork著,熊峻江,郑力铭,肖应超等译,现代飞行技术[M],国防工业出版社,2011

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[18].  肖业伦,航空航天器运动的建模—飞行动力学的理论基础,北京航空航天大学出版社,2003

[19].  高金源,李陆豫,冯亚昌.飞机飞行品质[M]. 国防工业出版社,2003

[20].  Roger W Pratt著,陈宗基、张平译,飞行控制系统设计和实现中的问题[M],上海交通大学出版社,2015

[21].  GJB2874-97,电传操纵系统飞机的飞行品质[S],1998

西北工业大学
3 位授课老师
李广文

李广文

副教授

刘小雄

刘小雄

副教授

史静平

史静平

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