定义车辆几何形状

这架轻型飞机的几何结构参考文献1。这种几何形状的最初设计目标是一种安全、飞行简单、易于维护的四座通用航空飞机，具有特定的任务和性能限制。关于这些约束的更多细节，请参见参考文献1。

这种飞机的潜在性能要求包括:

对于飞机的飞行控制，爬升速率是设计要求，假设在2000米时爬升速率大于2m /s。

图1:轻型四座单翼飞机[1]。

确定车辆气动特性

飞机的几何结构决定了它的空气动力学特性，从而决定了它的性能和操纵质量。选择几何构型后，可通过以下方法获得气动特性:

虽然风洞测试和飞行测试提供了高保真度的结果，但它们既昂贵又耗时，因为它们必须在实际硬件上进行。最好在飞机的几何形状确定后使用这些方法。请注意分析预测是在设计早期阶段估计气动特性的一种更快、成本更低的方法。

在本例中，我们将使用一种流行的软件程序Digital Datcom进行分析预测。美国空军将其作为其数据纲要(DATCOM)的数字版本开发。该软件是公开可用的。

首先，创建一个数字数据通信输入文件，定义我们的飞机的几何配置和飞行条件，我们将需要获得空气动力学系数。

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, chrdfi =1.3, chrdfo =1.3, spanfi =1, spanfo =6.0, ftype =1.0, cb =1.3, tc =。0225年,PHETEP = .0391 NTYPE = 1。$ naca-w-4-0012 naca-h-4-0012 caseid天猪身体-机翼-水平尾部-垂直尾部配置潮湿下一个案件

数字数据通信提供飞行器在特定飞行条件下的气动稳定性和控制导数和系数。飞行控制工程师可以通过检查稳定性和控制导数来深入了解飞行器的性能和操纵特性。我们必须将这些数据导入MATLAB®技术计算环境中进行分析。通常，这是一个手动过程。

使用Aerospace Toolbox软件，我们可以通过一个命令将多个数字数据通信输出文件带入MATLAB技术计算环境。不需要手动输入。每个数字数据通信输出作为单元数组的结构导入到MATLAB技术计算环境中，每个结构对应于不同的数字数据通信输出文件。导入Digital Datcom输出后，我们可以通过Digital Datcom运行多个配置，并在MATLAB技术计算环境中比较结果。

在我们的模型中，我们需要检查车辆是否固有稳定。为此，我们可以用图2来检验对应系数Cm所描述的俯仰力矩是否为飞机提供了恢复力矩。恢复力矩使飞机的迎角归零。

在构型1(图2)中，对于一些攻角小于零的情况，Cm为负。这意味着这种配置将不能为那些负迎角提供恢复力矩，也不能提供理想的飞行特性。构型2通过向后移动重心来解决这个问题。改变重心产生一个厘米，为所有负攻角提供一个恢复力矩。

图2:数字数据通信俯仰力矩系数的可视化分析。

创建飞行器模拟

一旦我们确定了气动稳定性和控制导数，我们就可以建立一个开环装置模型来评估飞机的纵向动力学。一旦模型完成，我们可以通过使用Simulink®Report Generator™软件将模型导出到Web视图，将其展示给同事，包括那些没有Simulink®软件的同事。金宝appWeb视图是模型的交互式HTML副本，它允许您浏览模型层次结构并检查子系统、块和信号的属性。

典型的工厂模型包括以下组件:

我们可以使用Aerospace Blockset™块实现大部分功能。该模型以橙色突出显示包含Aerospace Blockset块的子系统。它用红色突出显示Aerospace Blockset块。

图3:顶级轻型飞机模型

我们首先使用Aerospace Blockset库中的运动方程库中的3DOF块构建一个植物模型(图4)。该模型将帮助我们确定飞行器是否纵向稳定和可控。我们将我们的子系统设计为具有与六自由度(DOF)版本相同的接口。当我们对三自由度的性能、稳定性和可控性感到满意时，我们可以实现六自由度版本，在其他控制表面几何图形上迭代，直到我们从飞机获得所需的行为。

图4:运动方程的实现使用3DoF欧拉块从航天块集库。

为了计算作用在飞行器上的气动力和力矩，我们使用了Aerospace Blockset库中的Digital Datcom forces and moments块(图5)。该块使用了Aerospace Toolbox在从Digital Datcom导入气动力系数时创建的结构。

对于某些数字数据通信情况，动态导数仅对第一个攻角有值。缺失的数据点可以用第一个攻角的值填充，因为这些导数与攻角无关。要查看如何在数字数据com数据点中填充缺失数据的示例代码，可以检查asbPrepDatcom函数。

图5:气动力和力矩部分由航空航天块集数字数据通信力和力矩块实现。

我们还使用Aerospace Blockset块创建执行器、传感器和环境模型(分别为图6、图7和图8)。请注意:除了创建模型的以下部分，我们使用标准的航空航天块集块，以确保我们从身体轴转换为风轴，并正确返回。

图6:使用Aerospace Blockset块实现执行器模型。

图7:飞行传感器模型的实现使用航天Blockset块。

图8:环境效应风，大气和重力使用航天积木块。

设计飞行控制法规

一旦我们创建了Simulink植物模型，我们设计了金宝app一个纵向控制器，命令电梯位置来控制高度。本设计选择的传统双环反馈控制结构(图9)有一个控制高度的外环(补偿器C1为黄色)和一个控制俯仰角的内环(补偿器C2为蓝色)。图10显示了我们的Simulink模型中相应的控制器配置。金宝app

图9:纵向控制器的结构。

图10:Simulink模型中的纵向控制器。金宝app

使用Sim金宝appulink®Control Design™软件，我们可以使用一系列工具和技术直接在Simulink中调整控制器。

使用Simulink金宝app Control Design界面，我们通过指定来设置控制问题:

利用这些信息，Simulink Control 金宝appDesign软件自动计算模型的线性近似，并识别设计中使用的反馈循环。为了设计内环和外环的控制器，我们对开环使用根轨迹和博德图，对闭环响应使用阶跃响应图(图11)。

图11:在控制器调优前设计图。

然后，我们使用这些图交互地调整内部和外部循环的补偿器。因为当我们调优补偿器时，图是实时更新的，我们可以看到这些变化对其他循环和闭环响应的耦合影响。

为了使多回路设计更加系统化，我们使用了顺序闭环技术。这种技术允许我们在设计过程中逐步考虑其他循环的动态。使用Sim金宝appulink Control Design，我们配置内环，在外环控制器的输出处有一个额外的环路开口(图12中的C1)。这种方法将内环与外环解耦，简化了内环控制器的设计。在完成内环的设计后，我们设计了外环控制器。图13显示了最终修整工作点的调谐补偿器设计。

图12:内环框图，通过配置额外的环路开口进行隔离。

图13:在控制器调优后的修剪条件下设计图。

在Simulink Control Design软件中，可以通金宝app过几种方式调优控制器。例如:

在指定频域要求(如增益裕度和相位裕度)和时域要求之后，Simulink Design Optimization软件将自动调优控制器参数以满足这些要求。金宝app一旦我们开发了一个可接受的控制器设计，Simulink模型中的控制块就会自动更新。金宝app参见示例控制系统设计器入门(控制系统工具箱)在控制系统工具箱的例子和使用补偿器金宝app编辑器优化Simulink块(金宝appSimulink控制设计)有关调金宝app优控制器的更多信息，请参阅Simulink控制设计示例。

我们现在可以用飞行控制逻辑运行我们的非线性模拟，并检查控制器的性能是可接受的。图15显示了我们的非线性Simulink模型的闭环仿真结果，从一个修剪后的工作点开始，要求将高度从2000米增加到2050米。金宝app虽然飞行员要求高度的阶跃变化，但实际管制员的高度请求率是有限的，以提供一个舒适和安全的飞行。

图14:最后的检查是使用我们的控制器设计运行非线性模拟，并检查高度(紫色)以稳定和可接受的方式跟踪高度请求(黄色)。

我们现在可以使用这些模拟结果来确定我们的飞机设计是否满足其性能要求。该要求要求爬升速率在2米/秒以上。我们可以看到，飞机在不到20秒的时间内从2000米爬升到2050米，爬升速度高于2.5米/秒。因此，这种特殊的几何结构和控制器设计符合我们的性能要求。

除了传统的时间图，我们还可以使用FlightGear的Aerospace Blockset接口来可视化仿真结果(图15)。

图15:使用FlightGear的Aerospace Blockset界面可视化仿真结果。

我们还可以使用FlightGear的航空航天工具箱接口，使用仿真结果或实际飞行测试数据回放MATLAB数据。

完成设计过程

接下来的步骤包括

因为这些步骤不是本例的重点，所以我们将不在这里描述它们。相反，我们将简单地提到，它们都可以使用适当的工具进行精简和简化，如Embedded Coder®、Simulink®Real-Time™和Aerospace Toolbox软件。金宝app

总结

在这个例子中，我们展示了如何:

这种方法使您能够在任何硬件制造之前确定车辆的最佳几何配置，并评估其性能和操纵质量，从而降低设计成本并消除错误。此外，使用单一工具链有助于促进不同团队之间的沟通，并加快设计时间。

参考文献

加农，M，加巴德，M，梅耶，T，莫里森，S，斯科西克，M，伍兹，D。“Swineworks D-200 Sky Hogg设计方案。”AIAA®/通用动力公司团队飞机设计大赛，1991-1992。

[2] Turvesky A.， Gage S.， Buhr C.，《加速飞行器设计》， MATLAB®文摘，2007年1月。

[3] Turvesky, A. Gage, S.和Buhr, C.，“基于模型的新型轻型飞机设计”，AIAA论文2007-6371,AIAA建模与仿真技术会议和展览，希尔顿黑德，南卡罗来纳，2007年8月20-23日。