设计一个新的或修改现有的飞行器是一项复杂，耗时的过程，带来了技术和工艺的挑战。例如，如何工程师快速确定其几何形状最好地满足性能要求？当几个不同的小组负责工作流程的不同部分（评估的几何结构，设计控制规律，建立一个模型），每个组使用不同的工具，如何能有效的团队沟通和协同工作，满足最后期限？
使用新的轻型飞机的设计1作为一个例子，本文展示了如何使用MathWorks产品来解决这些和其他飞机设计挑战。下载188bet金宝搏
迭代设计过程
参与一般设计飞行器设计的多个步骤可分为以下几个阶段之一：
- 定义车辆的几何
- 确定车辆的空气动力学特性
- 创建仿真以验证设计
- 设计飞行控制规律
- 创建硬件在环系统以测试实时性能
- 构建硬件和软件，并进行飞行测试
- 分析和可视化飞行试验数据
设计过程是迭代;工程师们尝试了许多车辆的配置决定的最后一个之前。理想情况下，任何硬件制造之前将出现反复。这里的一个挑战是快速经过迭代。通常情况下，不同的群体有对过程的不同步骤的工作。这些群体之间的有效合作和一套正确的工具来应对这一挑战至关重要。
设计一个轻量级四座单翼
性能规格为我们的样本飞机包括水平巡航速度，可以接受的爬升率和失速速度。为了说明的目的，我们将集中于爬升率，并假设要求的呼叫在2000米每秒（米/秒）大于2米的爬升率。
定义车辆几何和确定气动特性
该机的几何结构决定了它的空气动力特性，因此，其性能和操纵品质。一旦几何构造被选择，所述空气动力学特性可以通过分析预测，缩放后的模型或一个全尺寸的原型，或飞行测试的风洞测试来获得。
虽然风洞试验和飞行试验提供高保真的效果，他们是昂贵和费时的，因为他们必须在实际的硬件来执行。当飞机的几何敲定这些方法最好使用。分析预测是估计在设计的早期阶段的空气动力特性更快和更便宜的方法。
我们将使用数字DATCOM，由美国空军开发作为其数据汇编（DATCOM）的数字版本的分析预测流行的软件程序。这个软件现在是公开的，可以从多个网站上下载。
我们首先创建定义我们的飞机的几何构造和飞行条件，我们将需要获得空气动力系数（图2）数字DATCOM输入文件。
飞行控制工程师可以通过检查稳定性和控制衍生品容易做到的，一旦这些指标被导入到MATLAB深入了解车辆的几何构型。在我们的例子中，我们需要检查车辆是否具有固有的稳定性。我们通过检查相应的系数，Cm的描述的俯仰力矩，是否提供了飞机恢复力矩做到这一点。恢复力矩趋向于攻击的飞机角度归零。
在配置1（图4），Cm为对攻击的所有角度，这意味着这样的配置不会提供负迎角一恢复力矩，并且不会提供飞行特性，我们正在寻找负。配置2个修复了这个问题通过向前移动重心。恢复力矩可用于攻击的大多数角。
模拟飞行器
一旦我们确定了气动稳定性和控制导数，我们就建立了一个开环对象模型。典型的工厂模型包括以下组件：
- 根据作用在车辆上的力和力矩计算车辆位置和姿态的运动方程
- 力和力矩，其计算气动力和气动力矩作用于车辆，以及重力和推力
- 执行器位置，根据执行器命令计算执行器位移
- 环境，它模拟环境影响，包括风扰动、重力和大气
- 传感器，其模型的控制规律提供输入测量装置的行为
我们可以通过实现大多数的这个功能航空区块集。
在我们的例子中，我们首先要评估飞机的纵向动力学。我们首先从航空航天块集中的运动方程库中使用3DOF块构建运动方程模型（图5）。该模型将有助于确定飞行器的纵向稳定性和可控性。我们设计的子系统具有与六自由度（DOF）版本相同的接口。一旦我们对三自由度性能、稳定性和可控性满意，我们就可以轻松地实现六自由度版本，在其他控制面几何上迭代，直到我们从飞机上获得所需的行为。
为了计算气动力和气动作用于我们的车辆的时刻，我们用一个数字DATCOM力和力矩从航天模块库（图6）块。该块使用结构航天工具箱时，进口气动系数从数字DATCOM创建。因此，我们不必创建多个查找表，然后结合自己的输出。
我们还使用块从航天模块库来创建致动器，传感器和环境模型（分别为图7，图8和图9）。
除了建立上述模型的部分，我们必须确保我们的身体轴转换为风轴和回正常。我们使用标准块从航天模块库做到这一点。
一旦模型完成后，我们可以把它展示给同事们，包括那些没有谁的Simulink通过使用金宝app金宝appSimulink的报告生成器该模型导出到Web视图。Web视图是，让你浏览模型的层次结构和查询子系统，模块和信号的属性的模型的交互式HTML副本。
设计的飞行控制规律
一旦我们在中创建了植物模型金宝app下一步是设计一个纵向控制器来控制电梯的高度。为本设计选择的传统双环反馈控制结构（图10）具有用于控制高度的外环（补偿器C1）和用于控制俯仰角的内环（补偿器C2）。
图11显示了在我们的Simulink模型对应的控制器配置。金宝app
同金宝appSimulink的控制设计我们可以调整使用各种工具和技术，直接控制器在Simulink中。金宝app
使用Simulink金宝app的控制设计界面，我们通过指定两个控制器块，闭环输入和输出信号海拔命令和感测到的高度，分别和稳态或修整条件成立的控制问题。
利用这些信息，Simulink控制设计自动计算模金宝app型的线性近似值，并识别设计中使用的反馈回路。为了设计内部和外部回路的控制器，我们使用根轨迹图和bode图表示开环，使用阶跃响应图表示闭环（图12）。
然后，我们以交互方式调整补偿器使用这些地块的内环和外环。由于实时更新地块作为我们调整补偿器，我们可以看到耦合效应，这些变化会对其他的环和闭环响应。
为了使多回路设计更加系统化，我们使用顺序循环闭合技术。这项技术让我们逐渐考虑在设计过程中的其他循环的动态。使用Sim金宝appulink控制设计，我们配置内环具有在外环控制器的输出的附加环开口（C1在图13）。这种方法解耦外环内环和简化了内环控制器的设计。设计内环后，我们设计了外环控制器。图14显示了所得到的调谐补偿器的设计。
在Simulink控制设计中，有几种方法可以对控制器进行调节。例如，您可以使用图形方法，交互地移动金宝app控制器增益、极点和零点，直到得到满意的响应（图14）。另外，您可以使用金宝appSimulink的响应优化Simulin金宝appk的控制设计内调谐控制器自动。后指定的频域的要求，如增益裕量和相位裕量和时域的要求，Simulink的响应优化自动调谐控制器参数以满足这些要求。金宝app一旦我们已经开发了一个可以接受的控制器设计，Simulink模型的控制模块自动更新。金宝app
我们运行与飞行控制逻辑和检查非线性模拟控制器的性能是可以接受的。图15显示了我们的非线性Simulink模型的闭环仿真2,000米的海拔高度要求增加2050米结果。金宝app尽管飞行员请求在高度的阶跃变化，实际控制人的高度请求速率限制在提供乘客舒适和安全的旅程。
现在，我们可以利用这些模拟结果，以确定我们的飞机设计是否满足其性能要求。/ s的呼吁爬升率的要求是以上2μm以下。我们可以看到，该机从2000到2050米攀升，在不到20秒内，提供比2.5米的爬升率更高/秒。因此，这种特定的几何构型和控制器的设计满足我们的性能要求。如果我们没有达到要求，我们将不得不重新设计我们的控制器或改变飞机的几何构型。
除了传统的时间图，我们可以形象地用航天模块库界面FlightGear的（图16）的模拟结果。
我们也可以使用航空工具箱界面来回放MATLAB数据，无论是仿真结果还是实际飞行测试数据。
完成设计过程
接下来的步骤涉及构建硬件在中环系统，建立实际车辆的硬件和软件，进行飞行测试，并分析和可视化飞行试验数据。由于这些步骤不是本文的重点，我们不会在这里他们。相反，我们将简单地提到，他们都可以简化和使用适当的工具，如嵌入式编码器，Simulink的实时，Simulink的检查，Simulink的覆盖面，Simulink的要求，航天工具箱简化。金宝app
摘要
在这篇文章中，我们介绍了如何可以快速开发你的飞行器的最初的设计和评估使用数字DATCOM航天工具箱不同的几何构型。然后，您可以快速创建使用Simulink和航天模块库，并利用Simulink控制设计的设计飞行控制规律的车辆的模拟飞行。金宝app这种方法使您能够确定您的车辆的最佳几何构型，并估计它的性能和操纵品质的任何硬件制造之前好，降低了设计成本和消除错误。此外，使用一个单一的工具链有助于促进不同的基团，并加速了设计时间之间的通信。
资源
您可以打开Simulink模型的Web视图。金宝app要打开你需要的Microsoft Internet Explorer与SVG插件或Mozilla Firefox 1.5或更高版本的模型。您可以下载插件。滚动至底部的第一个安装窗口中选择操作系统和语言。您可以下载实际的Simulink模型，数字DATCOM文金宝app件的输出，以及文件与MATLAB中央控制器的设计。
