轻型飞机设计

定义车辆几何

这种轻型飞机的几何从引用1。最初的设计目标的几何是四座通用航空飞机安全,简单的飞行,与特定的任务和性能约束,更加易于维护。这些限制的更多细节,参见参考资料1。

潜在的对这架飞机的性能需求包括:

飞机飞行控制,爬升率是设计要求,认为是大于2米/秒(m / s) 2000米。

图1:轻量级的四座单翼机[1]。

确定车辆空气动力特性

飞机的几何配置决定了其气动特性,因此它的性能和处理品质。一旦你选择几何配置,您可以获得气动特性通过:

在风洞试验和飞行试验提供高保真的结果,他们是昂贵和费时,因为他们必须在实际的硬件上执行。最好使用这些方法时,飞机的几何是定稿。请注意:分析预测是更快和更便宜的方法估计空气动力特性在设计的早期阶段。

在这个例子中,我们将使用数字系统,一个流行的软件程序,分析预测。美国空军开发它作为数字版本的数据概要(系统)。这个软件是对外公开的。

开始,创建一个数字系统输入文件,它定义了我们的飞机和飞行条件的几何配置,我们需要获得空气动力系数。

美元FLTCON NMACH = 4.0马赫(1)= 0.1,0.2,0.3,0.35 $ $ FLTCON NALT = 8.0, ALT (1) = 1000.0, 3000.0, 5000.0, 7000.0, 9000.0, 11000.0, 13000.0, 15000.0 $ $ FLTCON NALPHA = 10, ALSCHD (1) = -16.0, -12.0, -8.0, -4.0, -2.0, 0.0, 2.0, ALSCHD(8) = 4.0, 8.0, 12.0,循环= 2.0 $ $ OPTINS SREF = 225.8, CBARR = 5.75, BLREF = 41.15 $ $合成器XCG = 7.9, ZCG = -1.4, XW = 6.1, ZW = 0.0, ALIW = 1.1, XH = 20.2, ZH型= 0.4,ALIH = 0.0,十五= 21.3,ZV = 0.0, VERTUP = .TRUE。$ $身体NX = 10.0 X (1) = -4.9, 0.0, 3.0, 6.1, 9.1, 13.3, 20.2, 23.5, 25.9, R (1) = 0.0, 1.0, 1.75, 2.6, 2.6, 2.6, 2.0, 1.0, 0.0 $ $ WGPLNF CHRDTP = 4.0, SSPNE = 18.7, SSPN = 20.6, CHRDR = 7.2, SAVSI = 0.0, CHSTAT = 0.25, TWISTA = -1.1, SSPNDD = 0.0, DHDADI = 3.0, DHDADO = 3.0,类型= 1.0 $ $ HTPLNF CHRDTP = 2.3, SSPNE = 5.7, SSPN = 6.625, CHRDR = 0.25, SAVSI = 11.0, CHSTAT = 1.0, TWISTA = 0.0,类型= 1.0 $ $ VTPLNF CHRDTP = 2.7, SSPNE = 5.0, SSPN = 5.2, CHRDR = 5.3, SAVSI = 31.3, CHSTAT = 0.25, TWISTA = 0.0,类型= 1.0 $ $ SYMFLP NDELTA = 5.0,δ(1)= -20,-10,0,10,20,PHETE =。0522年,CHRDFO CHRDFI = 1.3 = 1.3, SPANFI = 1。SPANFO = 6.0, FTYPE = 1.0, CB = 1.3, TC =。0225年,PHETEP = .0391 NTYPE = 1。naca - w - 4 - 0012美元naca - h - 4 - 0012项目- v - 4 - 0012 CASEID SKYHOGG BODY-WING-HORIZONTAL TAIL-VERTICAL尾配置湿下情况

数字系统提供车辆的空气动力稳定性和控制衍生品和系数在指定的飞行条件。飞行控制工程师可以了解车辆的性能和处理特点通过检查稳定性和控制衍生品。我们必须将这些数据导入MATLAB®技术计算环境进行分析。通常情况下,这是一个手动过程。

与航空航天工具箱软件,我们可以将多个数字系统输出文件到MATLAB技术计算环境中只有一个命令。不需要手动输入。每个数字系统输出导入MATLAB技术计算环境的单元阵列结构,每个结构对应一个不同的数字系统输出文件。导入数字系统输出之后,我们可以通过数字系统和运行多个配置比较结果在MATLAB技术计算环境。

在我们的模型,我们需要检查车辆是否本质上是稳定的。要做到这一点,我们可以使用图2来检查是否相应所描述的俯仰力矩系数,厘米,为飞机提供了一个恢复力矩。恢复力矩返回飞机攻角为零。

配置1(图2),Cm是负攻角小于零。这意味着这个配置将不会提供一个恢复力矩对于那些负面的攻击角度,将不提供理想的飞行特性。配置2修复这个问题,重心向后移动。转移重心产生一个厘米,为所有负面的角度提供了一个恢复力矩的攻击。

图2:视觉分析的数字系统俯仰力矩系数。

创建模拟飞行器

一旦我们确定空气动力稳定性和控制衍生品,我们可以建立一个开环工厂评估飞机纵向动力学模型。模型完成后,我们可以展示给同事,包括那些没有仿真软件®软件,通过仿真软件®报告生成器™软件导出模型到一个Web视图。金宝app是一个互动的HTML Web视图模型的复制品,可以让你浏览模型层次结构和检查子系统的属性,街区,信号。

一个典型的植物模型包括以下组件:

我们可以实现大部分的功能使用航空Blockset™块。该模型突出了子系统包含航空Blockset块橙色。用红色突出航天Blockset块。

图3:轻型飞机模型的顶层

我们首先构建植物模型使用一个3自由度运动方程的块库航空Blockset库(图4)。该模型将帮助我们确定飞行器纵向稳定和可控的。我们设计子系统具有相同的接口作为一个六自由度(自由度)版本。当我们感到满意三自由度性能、稳定性、可控性,我们可以实现六自由度的版本,其他控制表面几何迭代,直到我们实现从飞机所需的行为。

图4:使用3自由度运动方程实现欧拉块从航空Blockset图书馆。

气动力和气动力矩的变化来计算作用于我们的车,我们使用一个数字系统力和时刻块从航空Blockset库(图5)。这个块使用结构,航天工具箱创建时进口空气动力系数从数字系统。

对于一些数字系统情况下,动态的导数值只有第一个攻角。丢失的数据点可以装满第一个攻角的值,因为这些衍生品是独立的攻角。看到示例代码如何填写缺失的数据在数字系统数据点,你可以检查asbPrepDatcom函数。

图5:空气动力和力矩与航空航天Blockset数字系统实现部分部队和时刻。

我们也使用航空Blockset块创建致动器,传感器和环境模型(分别为图6、图7和8)。请注意:除了创建模型的以下部分,我们使用标准的航空Blockset块来确保我们将从身体轴风力轴和正确。

图6:使用航空Blockset块实现执行机构模型。

图7:使用航空Blockset块实现飞行传感器模型。

图8:风环境的影响、大气和重力使用航空Blockset块。

飞行控制律设计

一旦我们创建了模型的植物模型,我们设计一个纵向控制金宝app器命令电梯位置来控制高度。传统的双回线反馈控制结构选择这个设计(图9)有一个外循环控制高度(黄色)补偿器C1和一个内循环控制螺距角(蓝色)补偿器C2。图10显示了相应的控制器配置在我们的仿真软件模型。金宝app

图9:结构的纵向控制器。

图10:纵向控制器在模型仿真软件。金宝app

与仿真软件金宝app®控制设计™软件,我们就可以直接调整控制器在模型使用一系列的工具和技术。

使用仿真软件控制设计金宝app界面,通过指定我们设置控制问题:

利用这些信息,仿真软件控制设计软件自动计算的线性金宝app近似模型和识别反馈循环使用的设计。设计的控制器内部和外部循环,我们用根轨迹和开放的伯德图循环和闭环反应的阶跃响应图(图11)。

图11:控制器调优之前设计的阴谋。

然后我们交互地调整补偿器的内外循环使用这些情节。因为故事情节更新实时调整补偿器,我们可以看到这些变化的耦合效应对其他循环和闭环反应。

使多环设计更系统,我们使用一个连续的循环闭合技术。这种技术让我们逐步考虑其他的动态设计过程中循环。与仿真软件金宝app控制设计,我们配置内循环有一个额外的循环在外层循环控制器的输出在图12 (C1)。这种方法减少了来自外循环和内循环简化了内循环控制器设计。设计内循环后,我们设计了外回路控制器。图13显示了生成的优化补偿器设计最终削减操作点。

图12:框图内循环,孤立的通过配置额外的循环。

图13:设计地块修剪条件后控制器调优。

您可以调整控制器仿真软件控制设计软件在几个方面。金宝app例如:

指定频域需求后,如增益裕度和幅度和时间域的需求阶段,仿真软件设计优化软件自动调控制器参数来满足这些需求。金宝app一旦我们开发了一个可接受的控制器设计,仿真软件的控制块模型自动更新。金宝app看到的例子开始使用控制系统设计师(控制系统工具箱)在控制系统工具箱和例子优化仿真软金宝app件模块使用补偿器编辑器(金宝app仿真软件控制设计)在仿真金宝app软件控制设计的例子关于优化控制器的更多信息。

我们现在可以运行我们的非线性模拟飞行控制逻辑,检查控制器的性能是可以接受的。图15显示了闭环仿真结果的非线性仿真软件模型要求高度增加从2000米到2050米从修剪操作点。金宝app虽然在高空飞行员请求一个阶跃变化,实际的控制器高度请求速率是有限的,为乘客提供一个舒适和安全的骑。

图14:最后检查是运行非线性模拟控制器设计和检查高度(紫色)轨道高度请求(黄色)稳定和可接受的方式。

我们现在可以使用这些仿真结果来确定我们的飞机设计满足其性能要求。要求呼吁将爬升率高于2米/秒。我们可以看到,飞机从2000年到2050米不到20秒,提供一个爬升率高于2.5 m / s。因此,这个特定几何配置和控制器设计符合我们的性能需求。

除了传统的情节,我们可以使用航空Blockset界面可视化仿真结果FlightGear(图15)。

图15:可视化仿真结果使用航空FlightGear Blockset接口。

我们也可以使用航空工具箱接口FlightGear回放MATLAB数据使用仿真结果或实际飞行测试数据。

完成设计过程

接下来的步骤包括

因为这些步骤的重点本例中,我们将不会描述它们。相反,我们将简单地提到他们都可以简化和简化使用适当的工具,如嵌入式编码器®,仿真软件®实时™,和航空航天软件工具箱。金宝app

总结

在这个示例中,我们演示了如何:

这种方法使您可以确定最优几何配置你的车辆和估计其性能和处理品质在任何硬件建设,减少设计成本和消除错误。此外,使用单一工具链有助于促进不同群体间的沟通和加速设计时间。

引用

[1]大炮,M,盖博,M,梅耶,T,莫里森,年代,Skocik, M,森林,D。”Swineworks d - 200天空霍格设计方案。”AIAA®/General Dynamics Corporation Team Aircraft Design Competition, 1991-1992.

[2]Turvesky,。计,S。布,C。“加速飞行器设计”2007年1月,MATLAB®消化。

[3]Turvesky,。计,S。布,C。"Model-based Design of a New Lightweight Aircraft", AIAA paper 2007-6371, AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, Hilton Head, South Carolina, Aug. 20-23, 2007.