飞机、宇宙飞船和火箭的先进控制

　　阿施施·特瓦芮编著的这本《飞机宇宙飞船和火箭的先进控制》的研究内容涵盖了从大气层内到外空间的飞行控制装置，其中包括飞机、火箭（导弹和运载火箭）、再入式飞行器、宇宙飞船等，强调了各种飞行控制系统的协同效应，同时还分析了当前这些飞行控制装置中*的制导和控制设计方法，包括了多变量、*化、鲁棒、数字化和非线性策略等。此外，本书还运用相似的数学工具，从相同的物理原理、设计以及分析方法等方面展示出飞机、火箭和宇宙飞船等飞行器内在相似的演变过程，为读者进一步理解航空、航天飞行器知识奠定了理论基础。本书采用MATLAB编程方式，其中MATIAB程序采用表格形式给出，其他的MATLAB命令语句采用窗口形式给出。

第1章  引言
  1.1 标记法和基本定义
  1.2 控制系统
    1.2.1 线性跟踪系统
    1.2.2 线性时不变跟踪系统
  1.3 飞行器的制导与控制
  1.4 特殊跟踪律
    1.4.1 比例导引律
    1.4.2 向量乘积控制
    1.4.3 比例积分微分控制
  1.5 数字跟踪系统
  1.6 小结
  习题
  参考文献
第2章  控制技术
  2.1 引言
  2.2 多变量化
  2.3 有约束条件下的小化
    2.3.1 等式约束
    2.3.2 不等式约束
  2.4 动态系统的控制
    2.4.1 性条件
  2.5 Hamilton函数和小值原理
    2.5.1 Hamilton-Jacobi-Bellman方程
    2.5.2 具有二次性能指标的线性时变系统
  2.6 具有终点状态等式约束的控制
    2.6.1 Euler-Lgrange方程
    2.6.2 特殊情况
  2.7 两点边界值问题的数值解法
    2.7.1 打靶法
    2.7.2 配置法
  2.8 具有内部时间约束的终端控制
    2.8.1 奇异控制
  2.9 跟踪控制
    2.9.1 邻近极值法和线性二次控制法
  2.10 随机过程
    2.10.1 稳态随机过程
    2.10.2 随机噪声滤波
  2.11 Kalman滤波器
  2.12 鲁棒线性时不变控制
    2.12.1 LQG／LTR方法
    2.12.2 H2／H设计方法
  2.13 小结
  习题
  参考文献
第3章  飞机导航与控制方法
  3.1 导航对象
    3.1.1 风速和风向
    3.1.2 导航子系统
  3.2 飞机导航
    3.2.1 导航公式
    3.2.2 边界值问题的极值解：长距离飞行例子
    3.2.3 大圆航行
  3.3 飞机姿态动力学
    3.3.1 平移和转动的动力学
    3.3.2 相对于速度向量的姿态
  3.4 气动力与力矩
  3.5 纵向动力学
    3.5.1 纵向动力学对象
  3.6 多变量纵向控制
  3.7 多输入纵向控制
  3.8 空速控制
    3.8.1 LQR／LTR设计实例
    3.8.2 H设计实例
    3.8.3 高度和马赫数控制
  3.9 侧航向控制系统
    3.9.1 侧航向控制对象
    3.9.2 滚转控制
    3.9.3 多变量侧航向控制：航向保持自动驾驶仪
  3.10 惯性耦合飞机旋转的控制
  3.11 小结
  习题
  参考文献
第4章  火箭制导
  4.1 引言
  4.2 拦截器的终端制导
  4.3 拦截器的非平面跟踪系统：3DPN
  4.4 垂直平面内飞行
  4.5 终端制导
  4.6 火箭垂直发射
  4.7 运载火箭的重力转弯轨迹
    4.7.1 发射至圆形轨道：调节加速度
    4.7.2 发射至圆形轨道：常值加速度
  4.8 弹道导弹的发射
    4.8.1 前向加速度可调的重力转弯火箭
    4.8.2 前向和法向加速度可调
  4.9 平面跟踪制导系统
    4.9.1 稳定性、可控性和可观性
    4.9.2 跟踪重力转弯轨迹的标称对象
  4.10 鲁棒自适应制导
  4.11 状态反馈制导
    4.11.1 法向加速度制导
  4.12 基于观测器的运载火箭重力转弯制导
    4.12.1 基于高度观测器的法向加速度输入控制
    4.12.2 基于双输出观测器的法向加速度输入控制
  4.13 质量与大气阻力建模
  4.14 小结
  习题
  参考文献
第5章  火箭姿态控制
  5.1 概述
  5.2 姿态控制对象
  5.3 闭环姿态控制
  5.4 滚转控制系统
  5.5 火箭俯仰控制
    5.5.1 俯仰程序
    5.5.2 俯仰制导和控制系统
    5.5.3 自适应俯仰控制系统
  5.6 火箭偏航控制
  5.7 小结
  习题
  参考文献
第6章  宇宙飞船制导系统
  6.1 引言
  6.2 轨道力学
    6.2.1 轨道方程
    6.2.2 近焦点坐标系和天体坐标系
    6.2.3 时间方程
    6.2.4 Lagrange系数
  6.3 宇宙飞船终端制导
    6.3.1 小能量轨道转移
    6.3.2 Lambert定理
    6.3.3 Lambert问题
    6.3.4 火箭的Lambert制导
    6.3.5 再入飞行器的终端制导
  6.4 一般轨道对象的跟踪制导
  6.5 平面轨道调节
  6.6 非平面轨道调节
  6.7 小结
  习题
  参考文献
第7章  宇宙飞船姿态控制
  7.1 引言
  7.2 宇宙飞船的姿态终端控制
    7.2.1 宇宙飞船的单轴滚动
  7.3 宇宙飞船多轴旋转机动
  7.4 宇宙飞船控制力矩
    7.4.1 火箭推进器
    7.4.2 反作用轮、动量轮和控制力矩陀螺
    7.4.3 磁场力矩
  7.5 卫星动力学对象的跟踪控制
  7.6 环境力矩
    7.6.1 重力梯度力矩
  7.7 宇宙飞船姿态的多变量跟踪控制
    7.7.1 基于反作用轮的宇宙飞船姿态主动控制
  7.8 小结
  习题
  参考文献
附录A  线性系统
附录B  稳定性
附录C  欠驱动飞行系统控制

　　第5章  火箭姿态控制
　　5．1  概  述
　　由于需要考虑空气动力载荷对运载火箭的影响，因此火箭的速度向量是十分重要的。装满液态推进剂的火箭就像是一个瘦长的汽水易拉罐，任何由于升力（或侧向力）产生的过大横向加速度都可能造成毁灭性的影响。因此，所有的运载火箭都安装了姿态控制系统，使火箭纵轴沿着航迹曲线飞行，并使攻角和侧滑角保持在零值附近。为了在较低飞行高度时达到纵向稳定性（俯仰和偏航），通常在基座附近安装有气动舵面。如果舵面是可偏转的，那么在稠密的大气层区域内能提供有限的控制力矩（例如第二次世界大战时期的德制V2火箭）。然而，火箭飞行速度和高度的变化范围都很大，仅依靠舵面偏转很难在整个飞行轨迹上提供足够的气动力矩。另一方面，可以通过推力矢量技术（即改变推力矢量的方向）、冷气喷气反作用技术或者小型（可微调的）火箭推进技术等组合方式得到姿态控制力矩。
　　由于在这一章不再考虑温度因素，采用符号丁表示火箭发动机的推力（取代之前的^）。
　　5．2姿态控制对象
　　通过推力矢量产生的姿态控制力矩需要有侧向力的平衡。因此，必须由两个互为反向的小等值力构成纯耦合关系。短距离火箭的整个飞行过程都处在较低的大气层内，可以由气动舵产生的控制力来抵消矢量推力产生的控制力，但这对于依靠重力转弯的运载火箭是不合适的。在运载火箭上，推力矢量主要由三种不同的方法得到①：
　　（1）将一个主要的发动机固定在旋转框架上，而由喷气反作用装置或可微调的小型
　　火箭平衡；
　　（2）将两个或更多的发动机固定在旋转框架上；
　　（3）由框架固定的喷嘴产生推力差动。
　　某些运载火箭（如航天飞机）在不同级交替采用方法（1）和方法（2）。然而由于实际条件的限制，推力差动姿态控制目前还没有得到运用。
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