实验2 利用SIMULINK进行制导弹道仿真

基于Simulink的高空空投AUV全弹道仿真系统研究潘常军;郭迎清【摘要】High altitude Air-Launched AUV(AL-AUV)is a new kind of underwater vehicle that integrates high gliding and underwater, and designed on High Altitude ASW Weapons Conception(HAAWC). The simulation of the complete trajectory of AL-AUV is an important part and theoretical basic for conceptual design. The 6(or 9)DOF(Degree Of Freedom)simulation models of gliding, decelerating and underwater stages are established based on the movement and environment characteristics of high altitude AL-AUV trajectory’s steady stages. The AL-AUV’s free gliding trajectory and decelerating trajectory are simulated respectively with the effort of wing unit and circle parachute. The AUV underwater stage yaw and depth controllers are designed and system closed loop control simulation is completed which validates the AUV moving along the specified path under control. The simulations indicate that the simulation system applicable to AL-AUV complete trajectory unit design, characteristics analysis and controller design.% 高空空投AUV(Autonomous Underwater Vehicle,自主水下航行器)是一种基于“高空反潜武器概念”而设计的基高空滑翔与水下自主航行于一体的新型水下航行器,对其全弹道的仿真是其概念设计阶段的重要内容和理论基础。

实验九SIMULINK仿真一、实验目的SIMULINK是一个对动态系统（包括连续系统、离散系统和混合系统）进行建模、仿真和综合分析的集成软件包，是MA TLAB的一个附加组件，其特点是模块化操作、易学易用，而且能够使用MATLAB提供的丰富的仿真资源。

在SIMULINK环境中，用户不仅可以观察现实世界中非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响，而且也可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。

因此SIMULINK已然成为目前控制工程界的通用软件，而且在许多其他的领域，如通信、信号处理、DSP、电力、金融、生物系统等，也获得重要应用。

对于信息类专业的学生来说，无论是学习专业课程或者相关课程设计还是在今后的工作中，掌握SIMULINK，就等于是有了一把利器。

本次实验的目的就是通过上机训练，掌握利用SIMULINK对一些工程技术问题（例如数字电路）进行建模、仿真和分析的基本方法。

二、实验预备知识1. SIMULINK快速入门在工程实际中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，则很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。

1990年，Math Works软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段。

但因其名字与当时比较著名的软件SIMULA类似，所以1992年正式将该软件更名为SIMULINK。

SIMULINK的出现，给控制系统分析与设计带来了福音。

顾名思义，该软件的名称表明了该系统的两个主要功能：Simu（仿真）和Link（连接），即该软件可以利用系统提供的各种功能模块并通过信号线连接各个模块从而创建出所需要的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真和分析。

⏹SIMULINK的启动首先启动MATLAB，然后在MA TLAB主界面中单击上面的Simulink按钮或在命令窗口中输入simulink命令。

《现代机械工程基础实验》之机械工程控制基础综合实验报告姓名学号班级山东建筑大学机电工程学院2012.06.04~06第二部分Simulink方法及仿真实验一、开环系统1、如图所示，开环系统是积分环节的开环系统。

当输入信号分别是方波信号和正弦信号时，分析输出信号的波形。

积分环节的特点是输出量为输入量对时间的累积，输出幅值呈线性增长。

经过时间的累积后，当输入信号为零时，输出量不再增加且该值保持不变，即是具有记忆的功能。

（a）输入信号是方波信号输入信号波形图输出信号波形图分析：当输入信号时方波信号时，输出信号等于对方波信号时间的累积。

当方波信号在高电位时，输出为线性增长；当方波信号在零电位时，输出信号不增加，并且是保持不变的，因此是一条直线，在时间的积累下，输出信号就是如图所示的波形。

(b) 输入信号是正弦信号输入信号波形图输出信号波形图分析：当输入信号时正弦波信号时，输出信号也是输入信号对时间的累积。

当正弦波在上半部分时，输出信号不断增大；当在1/2周期时，输出信号达到最大值；当正弦波在下半周期时，输出信号因为对负值的不断累积而减小，在一个周期时为0。

因为可以得出输出信号的波形图如上图所示。

2、如图所示，开环系统是一阶惯性环节的开环系统。

当输入信号分别是方波信号和正弦信号时，分析输出信号的波形。

一阶惯性环节逇输出需要延迟一段时间才能够接近所要求的输出量，但是它也是从输入开始的时候就有了输出。

如图所示的一阶惯性环节，因此输出量的最大值应该时输出量的1/2。

（a）输入信号是方波信号输入信号波形图输出信号波形图分析：当输入信号是方波信号时，输出量一开始就有了，且从0开始逐渐增大，当达到1/2周期时，输出量达到了最大值；当方波信号为零电位时，输出量有不断减小，在一个周期时变为0，如此周期变化下去，因此可以得到输出信号的波形图如图所示。

（b）输入信号是阶跃信号输入信号波形图输出信号波形图分析：当输入信号是阶跃信号时，在输入信号时零电位时，输出量为0；当输入信号阶跃变为高电位时，输出信号不立刻变化，而是缓慢的变化达到最大值，最后保持不变。

制导与控制导弹六自由度建模与仿真实验制导与控制实验报告一、实验目的通过典型导弹制导控制系统的特性分析与创新设计，培养对制导武器控制系统的概念理解、分析设计、试验验证的能力。

具体包括：培养使用MA TLAB Simulink软件建模的能力；掌握制导控制系统设计的方法和技术；掌握分析制导控制系统性能的试验方法。

二、实验器材计算机MATLAB Simulink仿真软件三、实验内容与要求（一）实验内容以典型导弹为对象，进行弹体运动特性分析，设计制导律和控制回路，利用MATLAB Simulink软件进行分析验证。

实验1：导弹弹体的建模与仿真根据典型导弹动力学、运动学方程，进行弹体运动特性分析，编写弹体仿真模型，并进行无控弹道仿真；实验2：制导律和控制律设计根据导弹的运动学模型，设计制导律；推导弹体运动的传递函数，进行导弹控制回路设计；实验3：导弹系统闭环仿真基于所设计的制导控制律和弹体模型，采用MATLAB Simulink软件进行制导控制系统闭环数学仿真。

（二）实验要求进行弹体运动特性分析，给出弹体运动特性分析结果；编写弹体仿真模型并进行仿真，绘制无控弹道飞行数据曲线；应用比例导引法设计制导律，给出制导律的设计思路、设计过程，列写设计结果——制导方程；应用经典控制理论进行导弹控制回路设计，给出控制律的设计思路、设计过程，列写设计结果——控制方程；编写制导控制律的仿真模型将无控弹体的仿真模型和制导控制律的仿真模型结合起来，进行闭环数学仿真，分析所设计的制导控制律的性能，给出对制导控制律性能的分析结果，绘制制导弹道飞行数据曲线。

四、实验原理（一）坐标系的定义1)发射坐标系o xyz发射坐标系的原点选择在投弹点地心矢径与地球表面的交点o，ox轴在过o点的水平面内，指向发射瞄准方向，oy轴垂直于过o点的水平面指向上方，oz轴与xoy平面相垂直并构成右手坐标系，xoy 平面称为射击平面。

2) 弹体坐标系1111o x y z -弹体坐标系的原点1o 为炸弹质心。

基于Simulink与Unity3D的制导弹药弹道可视化仿真谭哲卿;辛长范;阚煌;高鑫;史铭姗【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2024(32)4【摘要】针对制导弹药的弹道可视化仿真中,观察视角单一,场景搭建简陋,无法模拟战场环境下制导弹药在攻击中的动态过程等问题,提出一种制导弹药弹道可视化模型的搭建方法;以某型激光制导弹药为对象,基于Simulink与Unity3D软件建立了联合仿真模型,采用Matlab/Simulink软件构建六自由度弹道仿真模型,采用Unity3D搭建包括制导弹药、目标和战场环境在内的三维场景,采用UDP通信协议将Simulink中的仿真数据传输到Unity3D中,提出一种数值可视化技术,能同时观察制导弹药的飞行姿态和仿真数值结果,实现制导弹药在战场环境下的弹道可视化仿真;将制导弹药参数加载到仿真模型中,对不同状态的目标进行了模拟攻击实验,实验结果显示,该仿真模型能够多视角、全方位地显示制导弹药的飞行姿态、弹道和过载情况,对于需要修改参数以逼近实战条件下的攻击过程,每次修正都能立刻通过可视化平台查看和验证修改结果;该可视化仿真模型为制导弹药的可视化仿真提供了便利的方法,对制导弹药的设计和作战使用具有一定的参考作用。

【总页数】7页(P293-299)【作者】谭哲卿;辛长范;阚煌;高鑫;史铭姗【作者单位】中北大学机电工程学院【正文语种】中文【中图分类】TJ765.4【相关文献】1.制导弹药六自由度运动的Simulink建模仿真2.基于Matlab/Simulink的火箭深弹水中弹道可视化仿真3.基于SIMULINK的激光制导炸弹弹道仿真实现4.MATLAB／Simulink仿真技术在《弹药制导与控制技术》教学中的应用因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

实验二SIMULINK仿真实验二：SIMULINK仿真一、实验目的：1. 掌握MATLAB/SIMULINK软件的基本操作；2. 了解SIMULINK的工作原理；3. 通过SIMULINK仿真，对系统进行建模和测试。

二、实验原理：MATLAB/SIMULINK是用于科学计算、工程应用和实验室数据可视化的高级技术计算语言和交互式环境。

它提供了计算、可视化和编程等功能，可以在一个集成的面向对象环境中进行操作，方便实验研究和分析。

在SIMULINK中，可以使用图形化方式建立模型，通过连接不同的模块和输入输出信号来描述系统的动态行为。

通过对模型进行参数调整和信号传递，可以实现系统的仿真和测试。

三、实验步骤：1. 打开MATLAB/SIMULINK软件；3. 在模型中添加各种模块，如输入信号源、系统模块和输出信号显示；4. 连接模块和信号线，建立系统模型；5. 设置模型参数，如采样时间、模拟时间等；6. 运行模型，进行系统仿真；7. 观察仿真结果，并进行数据分析。

四、实验结果：本实验使用SIMULINK建立了一个简单的控制系统模型，并进行了仿真测试。

系统模型包括一个阻尼器和一个负载，输入信号是一个正弦波。

根据实验中建立的模型，设置参数并运行仿真。

观察仿真结果，可以看到负载在输入信号作用下进行了振动，阻尼器对振动进行了控制，使得负载的振动幅值减小。

五、实验总结：通过实验，我们掌握了MATLAB/SIMULINK软件的基本操作和SIMULINK的工作原理。

通过SIMULINK的图形化建模和仿真分析，我们可以更方便地进行系统建模和测试。

在以后的学习和工作中，我们可以利用SIMULINK对系统进行仿真和优化，提高系统的性能和稳定性。

同时，我们也可以利用SIMULINK进行系统设计和参数调整，便于系统的实际应用。

[1]MATLAB/SIMULINK软件使用手册；[2]系统建模与仿真教程。

在MATLAB和Simulink中设计制导系统此教程说明在使用应用于导弹自动驾驶仪设计的高级控制方法时如何使用多篇已发表论文中介绍的导弹弹体模型。

该模型表示以介于2 马赫和 4 马赫之间的速度飞行，高度在 10,000 英尺（3,050 米）和60,000 英尺（18,290 米）之间并且典型攻角在 +/-20 度之间的安定面控制导弹。

弹体动力学模型该模型的核心元素是弹体的刚体动力学的非线性表示。

作用到弹体上的空气动力和力矩通过若干系数生成，这些系数是入射角和马赫数的非线性函数。

可以使用Simulink® 和Aerospace Blockset™ 创建该模型。

此模块集的目的是提供参考组件，如大气模型，它对于所有模型是通用的，而不管弹体配置如何。

这些示例包括了Aerospace 模块集提供的组件的简化版本，让您了解标准模块库具有的重用潜力。

在 Simulink 中表示弹体弹体模型包含四个主要子系统，通过加速请求自动驾驶仪进行控制。

大气模型计算在高度不断变化情况下的大气条件变化，安定面作动器和传感器模型将自动驾驶仪与弹体耦合，空气动力学和运动方程模型计算作用在弹体上的力和力矩的大小，并对运动方程进行积分。

国际标准大气模型所使用的Atmosphere 子系统是国际标准大气的近似值，分成两个单独的区域。

对流层区域位于海平面到 11 千米之间，在此区域中，假定温度随不断变化的高度线性降低。

对流层区域以上是低平流层区域，高度在 11 千米到 20 千米之间。

在此区域中，假定温度保持恒定。

用于构造力和力矩的空气动力系数Aerodynamics & Equations of Motion 子系统生成在弹体体轴线上施加到导弹的力和力矩，并对定义弹体线性运动和角运动的运动方程进行积分。

空气动力系数存储在数据集中，在仿真过程中，当前操作条件的值由使用二维查找表模块的插值确定。

经典三回路自动驾驶仪设计导弹自动驾驶仪的目的是控制弹体的法向加速度。

实验2 利用SIMULINK 进行制导弹道仿真 实验目的利用Simulink 进行仿真建模，通过以鱼雷追踪目标的制导弹道仿真过程，初步掌握系统数学仿真方法。

实验内容图5 系统的结构框图其中目标模型为：cos sin T T T T T T T T w X V Y V ψψ⎧ψ=⎪=⎨⎪=-⎩式中，,,,T T T T W X Y ψ分别为目标弹道偏角、回旋角速度、纵向距离和侧向距离；假设：当20t <时，(0)0.4T T ψψ==弧度，目标做匀速运动；当20t ≥时，0.1/T w rad s =，目标开始做回旋运动；其鱼雷模型为：5.80.19 3.6192.42515119.84cos sin y r y y ry w w w w Xe Vm Ye Vm ββδδψψβ⎧=-+-⎪=--⎪⎪=⎪⎨=ψ⎪⎪=-ψ⎪ψ=-⎪⎩式中，,,,,,,,y w r Vm Xe Ye βδψψ分别为鱼雷的侧滑角、回旋角速度、直舵角、航向角、弹道偏角、速度，地面坐标系中的X 轴和Z 轴坐标。

Vm=25m/s 。

鱼雷与目标的相对距离为，,T T X X Xe Y Z Ze ∆=-∆=-。

q 为地球视线角，q ηψ=-为雷体系中的提前角。

操舵规律,0.5,10r K K r δηδ=-=≤。

终端脱靶量定义为t f r =鱼雷模型仿真初值为：(0)(0)(0)(0)(0)(0)0.25/y w r Xe Ze Vm m s βδψ=======。

目标模型仿真初值为：(0)5/,(0)(0)1500,(0)0T T T T V m s X Z m w ====实验步骤由图5所示的系统控制结构图可知，该系统大致可以分为三个部分：目标模型，鱼雷模型以及观察模块。

1.根据目标模型和鱼雷模型的数学方程组，调用Simulink 工具箱模块库中的所需模块建立目标模型和鱼雷模型。

2.根据系统结构框图完成整个系统仿真模型的搭建，如图6 所示。

0引言反坦克导弹是陆军反装甲作战的重要武器。

在反坦克导弹的设计阶段，弹道方案的充分论证、设计和分析是导弹成功研制的重要前提。

反坦克导弹目前已经发展第三代，具有“发射后不管”的特点，其外弹道特征与前两代反坦克导弹相比有较大差异。

平射弹道是第三代反坦克导弹打击近距离目标的一种基本弹道形式，研究第三代反坦克导弹平射弹道的特性，并设计出相应的弹道方案，对研制导弹的制导系统有着非常重要的意义。

1导弹质点弹道模型1.1导弹基本情况该型导弹为钝头圆柱外形、十字翼舵布局，弹径为127mm 。

外形如图1所示。

在进行弹道设计之前，已经完成了气动仿真和风洞试验工作，获得了相关气动力参数数据。

根据导弹结构、技战术指标和气动力参数，确定了最大攻角不超过40°，最大舵偏角不超过25°的指标。

1.2基本假设导弹的运动方程组是确定导弹外弹道方案的基础。

为了对导弹的主要外弹道特性进行研究，需要对导弹的受力状况作合理的简化，以达到能将导弹视为质点的目的[1]。

通常采用以下假设：①导弹绕弹体轴的转动是无惯性的，即假设转动惯量为0；②导弹控制系统能够理想控制，既无误差也无时间延迟；③不考虑横风等干扰因素对导弹的影响；④假设导弹处于“瞬时平衡”状态，认为导弹在任一瞬时都处于平衡状态。

该型导弹属于第三代反坦克导弹，有攻顶打击和侧面打击两种攻击方式。

攻顶方式适用于打击暴露状态下的装甲目标，一般情况下为首选方式。

但在某些时机下，例如对顶部有掩蔽的装甲目标、某些野战或永备工事、城市建筑物中的火力点进行攻击时，也需要导弹能够实施侧面打击。

侧面打击所对应弹道即为平射弹道。

平射弹道主要分为四个阶段：无控段、爬升段、定攻角飞行段和比例导引段。

导弹出筒后即进入无控段；发动机开始工作后即进入爬升段；当导弹按照爬升段的控制方案飞行至弹道顶点（即弹道倾角为0°时对应的位置）时，导弹进入定攻角飞行段；当目标进入捕获域时，导弹进入比例导引段，直至击中目标位置。

西工大制导控制系统仿真技术 试验 实验二 导弹的纵向运动仿真建模一、实验目的与要求1．加深对导弹的纵向模型的理解；2．掌握Matlab/Simulink 仿真模型的建模步骤和注意事项； 3．在Matlab/SimuLink 环境下，进行导弹的纵向运动仿真建模；二、实验内容1、首先给出导弹的的简化纵向运动方程：◆ 质心动力学方程：cos sin sin cos dVmP X mg dtd mV P Y mg dt αθθαθ=--=+-◆ 绕质心转动转动动力学方程： zzz d J M dtω= ◆ 质心运动学方程：cos sin dxV dtdyV dt θθ==◆ 绕质心转动动力学方程： z d dtϑω= ◆ 补充几何关系方程： ϑαθ=+◆ 过载计算方程：cos y V d n g dtθθ=+ 式中： m 为导弹当前的质量；V 为导弹速度； P 为导弹推力； X 为导弹受到的阻力； Y 为导弹受到的升力；g 为重力加速度；z J 为导弹的z 轴的转动惯量；z ω为导弹俯仰角速度；y n 为导弹的法向过载；z M 为导弹受到气动俯仰力矩；ϑ为俯仰角；θ为弹道倾角； α为攻角。

2、下面给出导弹的弹体参数： ● 弹体参数：弹体质量：0m =250；转动惯量：315Jz =；参考面积：0.45S =参考长度： 2.5L =；发动机推力：1000P =；质量秒消耗量：0.46dm = ● 阻力计算公式：x X C qS =，其中：220x x x C C C αα=+，00.2x C =，20.0005x C α=● 升力计算公式：y Y C qS =，其中：z y y y z C C C δααδ=+，0.25y C α=，0.05z y C δ=● 俯仰力矩计算公式：z z M m qSL =，其中：z z z z z m m m δααδ=+，-0.1z m α=，-0.024z z m δ=3、下面给出导弹的控制系统：图 1 导弹的俯仰控制系统图中，控制系统的参数：Kwz = -0.05,Kpny = 0.1,Kiny = 2。

第31卷第1期2009年2月探测与控制学报Journal of Detection &ControlVol 31No 1Feb 2009*收稿日期:2008 11 12作者简介:李华(1971-),男,辽宁营口人,硕士,工程师,研究方向:弹药工程。

E mail:li hua h@ 。

基于虚拟现实建模语言的弹道可视化仿真李 华1,陈伟伟2(1.海军驻西安弹药专业军事代表室,陕西西安 710043;2.中北大学机电工程学院,山西太原 030051)摘 要:为解决3D M A X 软件制作动画渲染复杂,不便改动等问题,采用虚拟现实建模语言V RM L (V irtualReality M o deling L anguage)建立可视化场景,并通过Simulink 接口将采用Simulink 的外弹道方程组仿真结果导入,实现了六自由度弹道可视化仿真。

应用软件方便、形象地反映了火箭弹的外弹道过程,基本符合飞行的真实情况,可供设计参数估算、汇报演示和教学使用。

关键词:仿真;可视化;V RM L ;六自由度弹道中图分类号:TJ013.2 文献标志码:A 文章编号:1008 1194(2009)01 007704Simulation of Trajectory Visualization Based on VRML LanguageLI H ua,CH EN Wei w ei(1.N av al A mmunitio n Speciallity Represenative Office in X i'an,Xi'an 710043,China;2.Schoo l of M echatr onics Eng ineer ing,N ort h U niv ersity of China,T a iyuan 030051,China)Abstract:In view o f complex animation render ing and difficult modificatio n with 3DM AX softw are,a newmethod is put fo rw ard.T he v isualization o f a six degr ee o f freedom trajector y simulation is realized with V RM L (Virtual R ea lity M odeling L ang uag e)to est ablish visual scenes and w ith Simulink to g et the r esult o f ex terio r tr ajector y equatio ns.T he given a pplicat ion softw are easily displays the ex terior trajecto ry pro cess of the ro cket and the simulation scene agr ees w ith the r ea l scene,show ing t hat it can be used for desig n parameters estima tio n,demonstrat ion and instr uctio n.Key words:simulation;v isualization;VR M L;six deg ree of fr eedo m trajecto ry0 引言外弹道用一阶微分方程组来描述,只有少数能用初等方法求得解析解,多数问题的研究须借助于数值解法。