定义车辆几何

这种轻量级飞机的几何形状来自参考1.这个几何形状的原始设计目标是一架四座通用航空飞机，安全，易用，易于维护特定的使命和性能约束。有关这些约束的更多详细信息，请参阅参考文献1。

该飞机的潜在性能要求包括:

对于飞机飞行控制，攀登速度是设计要求，假设大于2,000米（M / S）大于2米。

图1:轻型四座单体膜[1]。

确定车辆气动特性

飞机的几何结构决定了它的气动特性，从而决定了它的性能和操纵品质。一旦选择了几何构型，就可以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，但它们是昂贵和耗时的，因为它们必须在实际的硬件上执行。最好是在飞机的几何形状确定后使用这些方法。请注意在设计的早期阶段，分析预测是一种更快、更便宜的估算气动特性的方法。

在这个例子中，我们将使用一个流行的软件程序Digital Datcom进行分析预测。美国空军将其开发为数据汇编(DATCOM)的数字版本。这个软件是公开的。

首先，创建一个Digital Datcom输入文件，该文件定义了我们的飞机的几何配置以及获得空气动力系数所需的飞行条件。

$ fltcon nmach = 4.0，mach（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 $合成XCG = 7.9，ZCG = -1.4，XW = 6.1，ZW = 0.0，ALIW = 1.1，XH = 20.2，ZH = 0.4，ALIH = 0.0，XV = 21.3，ZV = 0.0，Vertup= .true。$ Body 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，type = 1.0 $ $ htplnf chrdtp = 2.3，sspne = 5.7，sspn = 6.625，chrdr = 0.25，savsi = 11.0，chstat = 1.0，twista = 0.0，type = 1.0 $ $ vtplnf chrdtp = 2.7，sspne = 5.0，sspn= 5.2，Chrdr = 5.3，Savsi = 31.3，Chstat = 0.25，Twista = 0.0，键入= 1.0 $ $ Symflp ndelta = 5.0，Delta（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，phetep = .0391，ntype = 1. $ naca-w-4-0012 Naca-H-4-0012 Naca-V-4-0012酪蛋白Kyhogg Body-Wing-Hystaly尾部 - 立式尾部配置湿润下一个案例

数字数据组播在指定的飞行条件下提供车辆的空气动力学稳定性和控制衍生物和系数。飞行控制工程师可以通过检查稳定性和控制衍生物来深入了解车辆的性能和处理特性。我们必须将此数据导入Matlab®技术计算环境以进行分析。通常，这是一个手动过程。

使用Aerospace Toolbox软件，我们可以只需一个命令将多个数字Datom输出文件带入MATLAB技术计算环境。无需手动输入。每个数字DATCOM输出都将MATLAB技术计算环境作为结构单元格阵列导入，每个结构对应于不同的数字DATCOM输出文件。导入数字Datom输出后，我们可以通过数字数据组播运行多种配置，并比较MATLAB技术计算环境中的结果。

在我们的模型中，我们需要检查飞行器是否天生稳定。为此，我们可以使用图2来检查由相应系数Cm所描述的俯仰力矩是否为飞机提供了一个恢复力矩。恢复力矩使飞机的攻角恢复为零。

在构型1(图2)中，当某些攻角小于零时，Cm为负。这意味着这种配置将不会为那些消极的攻角提供一个恢复时刻，也不会提供理想的飞行特性。配置2通过将重心向后移动解决了这个问题。移动重心产生一个Cm，为所有的负迎角提供一个恢复时刻。

图2:数字数据通信俯仰力矩系数的可视化分析。

创造飞行车模拟

一旦我们确定了空气动力稳定性和控制导数，我们可以建立一个开环工厂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，向同事展示它，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，它允许您导航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。该模型用橙色突出显示包含航空航天模块集模块的子系统。它以红色突出航空方块组块。

图3:顶级轻型飞机模型

我们首先建立一种植物模型，使用来自航空航天块集库中的运动库方程的3DOF块（图4）。该模型将帮助我们确定飞行车辆是否纵向稳定和可控。我们设计了我们的子系统与六个自由度（DOF）版本具有相同的界面。当我们满意三个DOF性能，稳定性和可控性时，我们可以实现六个DOF版本，迭代另一个控制表面几何形状，直到我们达到飞机的所需行为。

图4:使用来自航空航天块集库的3DOF euler块实现的运动方程。

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

对于某些数字Datom案例，动态衍生物仅具有第一个攻角的值。缺少的数据点可以填充有第一攻角的值，因为这些衍生物与攻击角度无关。要查看如何填写数字Datom数据点中缺少数据的示例代码，您可以检查asbPrepDatcom功能。

图5:气动力和力矩部分由航空块组数字数据通信力和力矩块实现。

我们还使用航空航空块集块来创建执行器，传感器和环境模型（图6,7和8）。请注意：除了创建型号的以下部分外，我们使用标准航空航天块集合块，以确保我们从车身轴转换为正确的风轴。

图6:使用航空航天块集块的执行器模型的实现。

图7:使用航空航天块集块实现飞行传感器模型。

图8：使用航空航天块集块的风力，大气和重力的环境影响。

设计飞行控制法

一旦我们创建了Simulink工厂模型，我们设计了金宝app一个纵向控制器，该控制器命令电梯位置以控制高度。为该设计选择的传统的双环反馈控制结构（图9）具有用于控制高度（补偿器C1的黄色）和用于控制俯仰角的内环（蓝色补偿器C2）的外环。图10显示了我们的Simulink模型中的相应控制器配置。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®ControlDesign™软件，我们可以使用一系列工具和技术直接在Simulink中直接调整控制器。

使用Simulink金宝app控制设计界面，我们通过指定设置控制问题：

利用这些信息，Simulink控制设计软件自动计金宝app算模型的线性逼近，并识别用于设计的反馈回路。为了设计内环和外环的控制器，我们使用开环的根轨迹和伯德图，闭环响应的阶跃响应图(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环和外环的补偿器。因为绘图随着我们调整补偿器时实时更新，我们可以看到这些变化对其他环路和闭环响应的耦合效果。

要使多环设计更系统，我们使用顺序循环闭合技术。这种技术让我们在设计过程中逐步考虑到其他循环的动态。使用Sim金宝appulink控制设计，我们将内环配置为在外环控制器的输出端（图12中的C1）处具有额外的环路开口。该方法从外循环与内部环路分离，并简化了内环控制器设计。设计内环后，我们设计外环控制器。图13显示了最终修剪操作点的所产生的调谐补偿器设计。

图12:内环框图，通过配置附加环路开口来隔离。

图13:控制器调谐后修剪条件的图表。

您可以在Simulink控制设计软件中以几种方式调整控制器。金宝app例如:

在指定频域要求后，如增益裕度、相位裕度和时域要求，Simulink Design Optimization软件会自动调整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看到的例子使用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调整使用补金宝app偿器编辑器的Simulink块（金宝appSimulink Control Design）在Si金宝appmulink控制设计示例中，有关调谐控制器的更多信息。

我们现在可以用飞行控制逻辑运行我们的非线性仿真，并检查控制器的性能是可以接受的。图15显示了我们的非线性Simulink模型的闭环仿真结果，从一个修剪的工作点开始，要求高度从2,000米增加到2,050米。金宝app虽然飞行员要求改变高度，但实际管制员要求高度的比率是有限的，以提供乘客舒适和安全的乘坐。

图14:最终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）跟踪高度请求（黄色）以稳定可接受的方式。

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。要求爬升速率要在每秒2米以上。如图所示，飞机在不到20秒的时间内从2000米爬升到2050米，爬升速度超过2.5米/秒。因此，这种特殊的几何配置和控制器设计满足我们的性能要求。

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

图15:使用Aerospace Blockset接口将仿真结果可视化到FlightGear。

我们还可以使用Aerospace Toolbox界面来使用模拟结果或实际飞行测试数据来播放Matlab数据。

完成设计过程

接下来的步骤包括

因为这些步骤不是这个例子的重点，所以我们不会在这里描述它们。相反，我们将简单地提及它们都可以使用适当的工具（例如嵌入式码仪，Simulink®Rey-Time™和Aerospace Toolbox软件）进行简化和简化。金宝app

总结

在这个例子中，我们展示了如何:

这种方法使您可以在建立任何硬件之前确定车辆的最佳几何配置，并估计其性能和处理品质，降低设计成本和消除错误。此外，使用单个工具链有助于促进不同组之间的通信并加速设计时间。

参考文献

加农，加巴德，迈耶，T，莫里森，S，斯科西克，M，伍兹，D。“猪场D-200空中猪猪设计方案”1991-1992年AIAA®/通用动力公司团队飞机设计大赛。

Turvesky, A.， Gage, S. and Buhr, C.，加速飞行器设计，Matlab®摘要，2007年1月。

[3] Turvesky, A.， Gage, S.， and 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，Hilton Head，南卡罗来纳，2007年8月20-23日。