HL-20自动驾驶仪的MATLAB工作流程

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这是HL-20飞行器飞行控制系统设计和调整示例系列的第5部分。本部分展示如何在MATLAB®中执行大部分设计，而不与Simulink®模型交互。金宝app

背景

本例使用的HL-20模型改编自NASA HL-20起重机体(航天Blockset)，请参阅本系列的第1部分(HL-20机身的修整和线性化)浏览详情。控制飞机姿态的自动驾驶仪由三个内圈和三个外圈组成。

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SISO设计中的姿态控制)，我们展示了如何关闭内部循环和调优外部循环的增益时间表。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并将调优值推回Simulink。

对于简单的架构和快速的设计迭代，在MATLAB中操作线性化模型并使用基本命令，例如反馈关闭循环。本例展示了如何在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位置和速率的传递函数的线性化模型。要做到这一点，从“修剪和线性化”步骤的结果开始HL-20机身的修整和线性化)．回想一下,七国集团(G7)机身在40个不同(alpha,beta)条件下的七状态线性模型，和CS是控件选择器块的线性化。

负载csthl20_TrimData七国集团(G7)CS

以Simulink模金宝app型“csthl20_trim”为参考选择I/ o，通过连接建立所需的工厂模型七国集团(G7)而且CS在系列。别忘了把弧度转换成角度。

R2d = 180/pi;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。

这为我们提供了用于修剪的8 × 5网格(alpha,beta)条件的植物模型数组。

关闭内部循环

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环路的交叉频率分别为30,22.5和37.5 rad/s。

为每个(α， β)条件计算Kp,Kq,Kr。Gpqr = G({“p”，“问”，“r”}:);Kp = 1./abs(evalfr(Gpqr(1,1)，30i));Kq = -1./abs(evalfr(Gpqr(2,2)，22.5i));Kr = -1./abs(evalfr(Gpqr(3,3)，37.5i));波德(Gpqr (1,1) * Kp, Gpqr (2, 2) * Kq Gpqr (3,3) * Kr, {1 e 1, 1 e3}),网格传奇(从da到p，de到q，从dr到r）

图中包含2个轴对象。Axes对象1包含120个line类型的对象。这些对象表示da到p, de到q, dr到r。坐标轴对象2包含120个line类型的对象。这些对象代表da到p, de到q, dr到r。

使用反馈关闭三个内循环。在工厂输入da,de,dr处插入一个分析点，以便以后对稳定裕度进行评估。

Cpqr = append(ss(Kp)，ss(Kq)，ss(Kr));APu =分析点(“u”3);APu。位置= {“哒”，“德”，“博士”};Gpos =反馈(G * APu * Cpqr，眼(3)，1:3,1:3);gpo。InputName = {“p_demand”，“q_demand”，“r_demand”};大小(gpo)

8x5阵列的广义状态空间模型。每个模型有6个输出，3个输入，7个状态和1个块。

请注意，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)条件对应的植物阵列和增益。

调优外部循环

接下来是外圈。我们已经有了一系列线性模型gpo对于外环所看到的“植物”。如第三部所述(HL-20自动驾驶仪SISO设计中的姿态控制)，将六个增益计划参数化为alpha和beta的多项式曲面。我们再次使用二次曲面来表示比例增益，使用多线性曲面来表示积分增益。

% (alpha,beta)设计点的网格Alpha_vec = -10:5:25;% Alpha范围Beta_vec = -10:5:10;% Beta范围[alpha,beta] = ndgrid(alpha_vec,beta_vec);SG = struct(“α”α,“β”,β);比例增益alphabetaBasis = polyBasis(“规范”2、2);P_PHI =可调谐表面(“Pphi”， 0.05, SG, alphabetaBasis);P_ALPHA = tunableSurface(“Palpha”， 0.05, SG, alphabetaBasis);P_BETA = tunablessurface (“Pbeta”， -0.05, SG, alphabetaBasis);%积分增益alphabase = @(alpha) alpha;betaBasis = @(beta) abs(beta);alphabetaBasis = ndBasis(alphaBasis,betaBasis);I_PHI = tunablessurface (“Iphi”， 0.05, SG, alphabetaBasis);I_ALPHA = tunableSurface(“Ialpha”， 0.05, SG, alphabetaBasis);I_BETA = tunableSurface(“Ibeta”， -0.05, SG, alphabetaBasis);

外环的整体控制器是一个对角线的3 × 3 PI控制器，取角位置上的误差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，[10]);

最后,使用反馈得到外环的可调闭环模型。要启用调优和闭环分析，请在工厂输出中插入分析点。

RollOffFilter = tf(10，[1 10]);APy =分析点(“y”3);年。位置= {“Phi_deg”，“Alpha_deg”，“Beta_deg”};T0 =反馈(APy * Gpos(4:6，:) * RollOffFilter * Cpos，眼睛(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部分中相同的调优目标(HL-20自动驾驶仪SISO设计中的姿态控制)．这些包括“MinLoopGain”和“MaxLoopGain”目标，以设置外部循环的增益交叉在0.5和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”}，tf(50，[1 10 0]));R2。LoopScaling =“关闭”；

这些还包括不同的“边际”目标，以在每个循环和跨循环中施加足够的稳定边际。

%增益边际对(alpha,beta)Gm = [.．.6 6 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 6 6 7 6 6 6 6 6 6 6);%相位裕度vs (alpha,beta)PM = [.．.40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 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 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40;%创建不同的目标FH = @(gm,pm)调谐目标。利润率({“哒”，“德”，“博士”},通用、点);R3 = varyingGoal(FH,GM,PM);

增益调度调优

您现在可以使用systune在所有40个设计点上，根据调谐目标塑造6个增益曲面。

T = systune(T0，[R1 R2 R3]);

最终:软= 1.03，硬= -Inf，迭代= 52

最终的目标值接近于1，因此基本上满足了调优目标。绘制闭环角响应图，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部分得到的结果一致。调谐增益曲面也是相似的。

clf注意:setBlockValue用T中的调优系数更新每个增益曲面subplot(3,2,1)， viewSurf(setBlockValue(P_PHI,T)) subplot(3,2,3)， viewSurf(setBlockValue(P_ALPHA,T)) subplot(3,2,5)， viewSurf(setBlockValue(P_BETA,T)) subplot(3,2,2)， viewSurf(setBlockValue(I_PHI,T)) subplot(3,2,4)， viewSurf(setBlockValue(I_ALPHA,T)) subplot(3,2,6)， viewSurf(setBlockValue(I_BETA,T)) subplot(3,2,6)， viewSurf(setBlockValue(I_BETA,T))

图中包含6个轴对象。标题为Gain Pphi(alpha,beta)的Axes对象1包含一个类型为surface的对象。标题为Gain Palpha(alpha,beta)的Axes对象2包含一个类型为surface的对象。标题为Gain Pbeta(alpha,beta)的坐标轴对象3包含一个类型为surface的对象。标题为Gain Iphi(alpha,beta)的Axes对象4包含一个类型为surface的对象。标题为Gain Ialpha(alpha,beta)的坐标轴对象5包含一个类型为surface的对象。标题为Gain Ibeta(alpha,beta)的坐标轴对象6包含一个类型为surface的对象。

现在你可以使用evalSurf对增益曲面进行采样并更新Simulink模型中的查找表。金宝app你也可以使用codegen方法生成增益曲面方程的代码。例如

为“P”块生成代码MCODE = codegen(setBlockValue(P_PHI,T));获取“I”查找表的调优值Kphi = evalSurf(setBlockValue(I_PHI,T)，alpha_vec,beta_vec);

另请参阅

tunableSurface