飞行器控制与制导课程教学大纲
一、课程基本信息
课程编号：AS33112
课程名称：飞行器控制与制导
英文名称：CONTROL AND GUIDANCE OF FLIGHT VEHICLES
课程学时：32 讲课学时：24 实验学时：8 上机学时： 习题学时：
课程学分：2
开课单位：航天学院控制科学与工程系
授课对象：自动化专业、探测制导与控制技术专业本科生和研究生，飞行器设计专业本科生和研究
生
开课学期：1秋4秋
先修课程：高等数学、理论力学、自动控制原理、现代控制理论基础、飞行力学
二、课程目标
《飞行器控制与制导》是工科高等院校控制科学与工程学科或航空宇航科学与技术学科一门专业课程，本课程的主要目标是通过课堂教学、实验教学及上机实验等环节培养学生建立面向控制系统设计的飞行器运动数学模型的能力，以及运用自动控制理论知识设计飞行器制导控制系统的能力，支撑专业学习成果中相应指标点的达成。
课程目标对学生的能力要求如下：
课程目标1. 以大气层内导弹为主要背景，掌握该飞行器制导控制系统的基本组成结构、设计原理和设计方法；
课程目标2. 掌握将复杂飞行器运动数学模型简化为面向控制系统设计数学模型的能力；
课程目标3. 具备应用自动控制原理、现代控制理论基础等控制理论知识设计飞行器制导控制系统的能力，能够运用计算机软件进行飞行器制导控制系统的设计与仿真，逐步具有解决该领域工程实际问题的能力；同时，培养学生自主学习和终身学习的意识，具备将掌握的大气层内导弹制导控制系统设计方法进行拓展的能力。
三、课程目标与毕业要求对应关系
毕业要求 | 毕业要求具体描述 | 课程目标 |
1. 工程知识 | 1-？能运用数学和理论力学知识对飞行器制导控制系统进行分析和设计 | 课程目标1 |
2. 问题分析 | 能应用数学和理论力学基本原理，对飞行器制导控制系统模型进行简化，并能检验简化模型的合理性 | 课程目标2 |
3. 设计/开发解决方案 | 能够根据指标需求及约束因素，确定飞行器制导控制系统的设计方案 | 课程目标3 |
4.研究 | 能够通过理论推导和仿真，对飞行器制导控制系统设计方案进行性能评价 | 课程目标1 课程目标2 课程目标3 |
5. 使用现代工具 | 能够利用仿真、模拟工具对飞行器制导控制系统的设计方案进行评价，对系统运行结果进行预测 | 课程目标3 |
12.终身学习 | 具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。 | 课程目标3 |
四、课程目标与课程内容对应关系
序号 | 教学内容 | 教学要求 | 学时 | 教学方式 | 对应课程 目标 |
1 | 1飞行器制导控制系统的基本组成 (1) 航空器、航天器、临近空间飞行器； (2) 导弹制导控制系统的原理 (3) 制导控制系统设计的基本阶段和步骤 | 1. 了解航空器、航天器，以及临近空间飞行器的基本背景； 2. 掌握导弹制导控制系统的基本组成结构和工作原理； 3. 了解制导控制系统设计的基本阶段和步骤。 | 4 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
2 | 实验一：导弹姿态运动模拟演示实验 | 1. 了解导弹控制系统基本结构； 2. 转台模拟控制导弹姿态运动; 3. 多人合作操作实验装置，锻炼合作能力。 | 2 | 物理仿真实验 | 课程目标1 课程目标2 |
3 | 3导弹稳定控制系统设计 (1)导弹运动方程组的解耦和线性化； (2)导弹稳定控制系统设计； (3) 新型导弹稳定控制系统设计技术的发展趋势。 | 1.掌握导弹运动方程组的简化方法； 2．掌握导弹稳定控制系统的基本设计方法； 3．了解新型导弹稳定控制系统设计技术的发展趋势。 | 6 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 课程目标3 |
4 | 4导弹控制系统非线性设计方法
| 1.掌握导弹控制系统非线性模型； 2．掌握导弹稳定控制系统非线性控制方法； 3．理解尾控型导弹稳定控制系统的非最小相位特性。 | 4 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 课程目标3 |
5 | 上机实验一：导弹稳定控制系统设计和数值仿真 | 1. 通过分析仿真模块，了解导弹制导控制系统的组成结构； 2编写导弹稳定控制系统设计程序，掌握导弹稳定控制系统的基本设计方法； 3. 编写导弹稳定控制系统数值仿真程序，掌握导弹稳定控制系统数值仿真方法。 | 2 | 上机实验 | 课程目标1 课程目标2 课程目标3 |
6 | 5目标-导弹相对运动方程组的建立 (1)建立三维空间目标-导弹相对运动运动学方程 (2)建立三维空间目标-导弹相对运动动力学方程 (3)三维空间目标-导弹相对运动方程简化到二维平面 | 1. 掌握三维空间目标-导弹相对运动运动学方程和动力学方程的推导方法； 2. 掌握三维空间目标-导弹相对运动运动学方程和动力学方程向二维平面的简化方法。 | 2 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 课程目标3 |
7 | 6 古典导引律 (1)追踪法; (2)平行接近法; (3)比例导引律； (4)改进的比例导引律； (5)导引头提取视线角速率的基本工作原理。 | 1. 了解追踪法的特点和应用局限性； 2．了解平行接近法的优点和应用难点； 3. 掌握比例导引律及其改进形式的特点和用途； 4. 掌握导引头提取视线角速率的基本工作原理。 | 4 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 课程目标3 |
8 | 实验二：导引头跟踪目标模拟实验 | 1. 控制带有摄像头的转台实时自跟踪变化中的目标点； 2. 保存实时数据，试验后进行数据处理； 3. 多人合作操作实验装置，锻炼合作能力。 | 2 | 物理仿真实验 | 课程目标1 课程目标4 |
9 | 8 现代导引律 (1)线性二次型最优制导律 (2)线性二次型微分对策制导律 (3)滑模变结构制导律 | 1.掌握线性二次型最优制导律的推导方法； 2. 掌握线性二次型微分对策制导律的推导方法； 3. 掌握线性二次型最优制导律和线性二次型微分对策制导律与比例导引律的等价关系； 4. 掌握滑模变结构制导律的设计方法，及其对目标机动和制导参数变化具有鲁棒性的证明方法。 | 4 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 课程目标3 |
10 | 上机实验二：导弹拦截运动目标质点弹道数值仿真 | 1. 编写导弹拦截运动目标的质点弹道数值仿真程序，灵活设定目标机动方式和机动时间； 2.在仿真程序中，灵活选择制导律，可以融入自行设计的制导律，在给定导弹和目标过载能力的情况下，比较不同制导律下导弹命中目标的精度。 | 2 | 上机实验 | 课程目标1 课程目标2 课程目标3 |
五、课程教学方法
1课堂讲授
1.1 采用飞行器应用实例，激发学生主动学习的兴趣，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，引导学生主动通过课外读物和网络环境获得自己想了解的知识。
1.2 采用电子教案，PPT课件，动画演示，多媒体教学与传统板书、教具教学相结合，提高课堂教学信息量，增强教学的直观性。
1.3 采用案例教学：理论教学与工程实践相结合，引导学生应用数学和力学的基本原理，采用计算机辅助设计和仿真，培养学生设计飞行器制导控制系统的实践能力。
1.4 采用互动式教学：课内讨论和课外答疑相结合。
2实验教学
2.1课程实验2个，实验目的是令学生直观地了解导弹制导控制系统的基本工作原理和地面模拟装置的原理。各实验按照实验指导书的要求，学生分组完成，并提交实验报告；
2.2 上机实验2个，目的是令学生通过设计实例，掌握导弹制导控制系统的具体设计方法、设计指标，以及数值仿真方法。各上机实验，学生独立完成，并提交上机实验报告。采用课外设计与课堂上机实验相结合、学生主动设计与教师和助教指导相结合的开放式教学方式，学生应用所学知识自行完成导弹典型飞行弹道上若干特征点的稳定控制律设计，要求所设计稳定控制系统跟踪过载指令，上升时间小于0.2s，超调小于20%。学生利用Matlab-Simulink编写导弹控制系统仿真模型，从而更直观地理解导弹稳定控制系统的组成结构，工程设计中的约束条件，完成贴近工程实际的控制律设计和控制系统仿真。鼓励学生在制导律仿真实验中，结合所学知识利用课外时间自行设计对付机动目标的制导律，并将设计结果用于编写制导律仿真程序。课外时间与课内上机时间相结合，利用充裕的时间细化设计和仿真模型，利于学生更全面系统地理解控制律和制导律设计中面临的工程约束条件，以及新型导弹对制导和控制新方法的需求。
六、课程考核方法
考核环节 | 所占分值 | 考核与评价细则 | 对应课程目标 |
课堂作业 | 20 | (1) 在课堂上考核学生对每章节主要知识点的理解和掌握程度； (2) 根据实际情况，考核4—5次，每次单独评分，各次成绩累加作为此环节的最终成绩。 | 课程目标1 课程目标2 课程目标3 |
物理仿真实验 | 10 | (1) 根据每个实验的实验情况和实验报告质量单独评分，每次实验满分5分； (2) 两次实验成绩的累加作为此环节的最终成绩。 | 课程目标1 课程目标2 |
上机实验 | 10 | (1) 根据每个上机实验的实验报告质量单独评分，每次上机实验满分5分； (2) 两次实验成绩的累加作为此环节的最终成绩。 | 课程目标1 课程目标2 课程目标3 |
考试 | 60 | (1)卷面成绩60分。 (2)主要考核导弹制导控制系统基本原理、导弹制导控制系统模型简化方法、导弹制导控制系统设计方法、导弹的制导律，以及导引头提取视线角速率基本原理。 (3) 适当考核学生利用所学原理解决新问题的能力。 (4) 考试题型为问答题。课程目标1占40%，课程目标2占50%，课程目标3占10%。 | 课程目标1 课程目标2 课程目标3 |
七、主要教材与参考书
J. Z. Ben-Asher, and I. Yaesh, Advances in Missile Guidance Theory, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. 1801 Alexander Bell Drive, 1998
周荻 著，寻的导弹新型导引规律，国防工业出版社，2002年9月
李陟，魏明英，周荻，姚来辉，赵明元 编著，防空导弹直接侧向力/气动力复合控制技术，中国宇航出版社，2012年4月
G. M. Siouris, Missile Guidance and Control Systems, Springer,2004
A. Isidori, Nonlinear Control Systems, 3rd ed., Springer-Verlag, New York, 1995
大纲撰写人： 周荻 大纲审核人：
