调整HL-20自动驾驶仪的MATLAB工作流
这是关于HL-20飞行器飞行控制系统的设计和调整的示例系列的第5部分。这部分展示了如何在不与Simulink®模型交互的情况下在MATLAB®中执行大部分设计。金宝app
背景
本例使用的HL-20模型改编自NASA HL-20升降体机身(航天Blockset)，请参阅本系列的第1部分(HL-20机身的微调和线性化详情)。控制飞机姿态的自动驾驶仪由三个内环和三个外环组成。
在第二部份(HL-20自动驾驶仪的角速率控制)及第三部份(HL-20自动驾驶仪的姿态控制- SISO设计)，我们展示了如何关闭内部环路和调整增益计划的外部环路。这些例子使用了slTuner接口与Simulink模型交互，获得线性化模型和控制系统响应，金宝app并将调整后的值推回Simulink。
对于简单的架构和快速的设计迭代，最好在MATLAB中操作线性化的模型，并使用基本命令，如反馈关闭循环。这个例子展示了如何在MATLAB中执行第2部分和第3部分的设计步骤。
获取植物模型
为了调整自动驾驶仪，我们需要从偏转到角度位置和速率的传递函数的线性模型。要做到这一点，从“修剪和线性化”步骤的结果开始(见HL-20机身的微调和线性化）．回想一下,七国集团(G7)是机身在40种不同(阿尔法，贝塔)条件下的七状态线性模型吗CS是控件选择器块的线性化。
负载csthl20_TrimData七国集团(G7)CS
使用Simulink金宝app模型“csthl20_trim”作为选择I/ o的参考，通过连接建立所需的工厂模型七国集团(G7)和CS在系列。别忘了把弧度转换成角度。
r2d = 180 /π;G =诊断接头([1 1 1 r2d r2d r2d)) *七国集团(G7) ([4:7 31:32], 1:6) * CS (:, 1:3);G.InputName = {“哒”，“德”，“博士”};G.OutputName = {“p”，“问”，“r”，“Phi_deg”，“Alpha_deg”，“Beta_deg”};大小(G)
状态空间模型的8x5数组。每个模型有6个输出，3个输入和7个状态。
这为我们提供了一组用于修剪的8x5网格(alpha,beta)条件下的植物模型。
关闭内循环
要关闭内部循环，我们遵循与第2部分相同的过程(HL-20自动驾驶仪的角速率控制）．这包括选择增益Kp,Kq,Kr来设置p,q,r环的交叉频率分别为30,22.5和37.5 rad/s。
计算每个条件的Kp,Kq,Kr。Gpqr = G ({“p”，“问”，“r”}:);Kp = 1. / abs (evalfr (Gpqr(1, 1), 30我));Kq = -1. / abs (evalfr (Gpqr(2, 2), 22.5我));基米-雷克南= -1. / abs (evalfr (Gpqr(3、3),37.5我));波德(Gpqr (1,1) * Kp, Gpqr (2, 2) * Kq Gpqr (3,3) * Kr, {1 e 1, 1 e3}),网格传奇(“da p”，“德问”，的r博士）
使用反馈闭合三个内环。在工厂输入的da,de,dr处插入一个分析点，以便以后评估稳定性边际。
Cpqr = append (ss (Kp),学生(Kq),学生(Kr));APu = AnalysisPoint (“u”3);APu。位置= {“哒”，“德”，“博士”};Gpos =反馈(G * APu * Cpqr, eye(3)， 1:3, 1:3);gpo。InputName = {“p_demand”，“q_demand”，“r_demand”};大小(gpo)
广义状态空间模型的8x5数组。每个模型有6个输出，3个输入，7个状态和1个块。
注意，这些命令无缝地管理了这样一个事实，即我们正在处理与各种(alpha,beta)条件相对应的植物数组和增益。
调整外部循环
接下来是外环。我们已经有一组线性模型了gpo外环看到的“植物”。如第3部份所述(HL-20自动驾驶仪的姿态控制- SISO设计)，参数化六个增益调度作为多项式曲面在alpha和beta。同样，我们用二次曲面来表示比例增益，用多线性曲面来表示积分增益。
(α， β)设计点的网格alpha_vec = 10:5:25;α%范围beta_vec = 10:5:10;%测试范围(α,β)= ndgrid (alpha_vec beta_vec);SG =结构(“α”α,“β”,β);%的比例增长alphabetaBasis = polyBasis (“规范”2、2);P_PHI = tunableSurface (“Pphi”， 0.05, SG，字母基础);P_ALPHA = tunableSurface (“Palpha”， 0.05, SG，字母基础);P_BETA = tunableSurface (“Pbeta”， -0.05, SG，字母基础);%积分收益alphaBasis = @(alpha) alpha;beta = @(beta) abs(beta);alphabetaBasis = ndBasis (alphaBasis betaBasis);I_PHI = tunableSurface (“Iphi”， 0.05, SG，字母基础);I_ALPHA = tunableSurface (“Ialpha”， 0.05, SG，字母基础);I_BETA = tunableSurface (“Ibeta”， -0.05, SG，字母基础);
外环的总体控制器是一个对角线的3 × 3 PI控制器，取角位置的误差phi,alpha,beta并计算速率需求p_demand,q_demand,r_demand。
KP = append (P_PHI P_ALPHA P_BETA);KI = append (I_PHI I_ALPHA I_BETA);Cpos = KP + KI * tf(1，[1 0]);
最后,使用反馈得到一个可调的外回路闭环模型。为了实现调谐和闭环分析，在设备输出处插入分析点。
RollOffFilter = tf(10，[1 10]);年= AnalysisPoint (“y”3);年。位置= {“Phi_deg”，“Alpha_deg”，“Beta_deg”};T0 = feedback(APy * Gpos(4:6，:) * RollOffFilter * Cpos,eye(3));T0。InputName = {“Phi_demand”，“Alpha_demand”，“Beta_demand”};T0。OutputName = {“Phi_deg”，“Alpha_deg”，“Beta_deg”};
您可以绘制初始增益表面设置的闭环响应(恒定增益为0.05)。
步骤(T0, 6)
调优目标
使用与第3部分相同的调优目标(HL-20自动驾驶仪的姿态控制- SISO设计）．这些包括“MinLoopGain”和“MaxLoopGain”目标，将外部环路的增益交叉设置在0.5到5 rad/s之间。
R1 = TuningGoal。MinLoopGain ({“Phi_deg”，“Alpha_deg”，“Beta_deg”}, 0.5, 1);R1。LoopScaling =“关闭”；R2 = TuningGoal。MaxLoopGain ({“Phi_deg”，“Alpha_deg”，“Beta_deg”},特遣部队(50 [1 10 0]));R2。LoopScaling =“关闭”；
这还包括一个不同的“边界”目标，以便在每个循环和跨循环中施加足够的稳定边界。
%增益边际vs (alpha,beta)通用= [．..6 6 6 6 6 7 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6%相位裕度vs (alpha,beta)点= [．..40 40 40 40 40 40 40 40 45 40 40 40 45 40 40 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 45 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40创造不同的目标调整目标。利润率({“哒”，“德”，“博士”},通用、点);R3 = varyingGoal (FH、通用、点);
增益调度优化
您现在可以使用systune在所有40个设计点上根据调优目标塑造6个增益面。
T = systune(T0，[R1 R2 R3]);
Final:软= 1.03，硬= -Inf，迭代= 52
最终的目标值接近于1，因此调优目标基本上得到了满足。绘制闭环角响应，并与初始设置进行比较。
步骤(T0, T, 6)传说(“基线”，“调”，“位置”，“东南”）
结果与第2部分和第3部分中获得的结果相匹配。调谐增益面也类似。
clf%注:setBlockValue用调整后的系数T更新每个增益面次要情节(3,2,1)viewSurf (setBlockValue (P_PHI T))次要情节(3、2、3),viewSurf (setBlockValue (P_ALPHA T))次要情节(3 2 5)viewSurf (setBlockValue (P_BETA T))次要情节(3 2 2),viewSurf (setBlockValue (I_PHI T))次要情节(3 2 4),viewSurf (setBlockValue (I_ALPHA T))次要情节(3 2 6),viewSurf (setBlockValue (I_BETA T))
你现在可以用evalSurf采样增益面并更新Simulink模型中的查找表。金宝app你也可以用codegen方法生成的代码为增益面方程。例如
%为“P phi”块生成代码MCODE = codegen (setBlockValue (P_PHI T));%调优I查找表的值Kphi = evalSurf (setBlockValue (I_PHI T), alpha_vec, beta_vec);
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