设计一个新的或修改现有的飞行器是一个复杂、耗时的过程，带来了技术和工艺上的挑战。例如，工程师如何快速确定哪种几何配置最能满足性能要求?当几个不同的小组负责工作流的不同部分(评估几何配置、设计控制律、建立模型)，并且每个小组使用不同的工具时，团队如何有效地沟通和合作以满足最后期限?
利用一种新型轻型飞机的设计1作为示例，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
飞行器设计涉及的多个步骤一般可分为以下几个阶段:
- 定义车辆的几何形状
- 确定车辆的空气动力特性
- 创建一个仿真来验证设计
- 设计飞行控制律
- 创建一个硬件环路系统来测试实时性能
- 构建硬件和软件并进行飞行测试
- 分析和可视化飞行测试数据
设计过程是迭代的;在决定最后一款之前，工程师将测试多种车辆配置。理想情况下，迭代将在任何硬件构建之前进行。这里的一个挑战是快速完成迭代。通常情况下，不同的小组必须对过程的不同步骤进行工作。这些群体之间的有效合作和一套正确的工具对于应对这一挑战至关重要。
设计轻型四座单翼飞机
我们的样品飞机性能规格包括水平巡航速度，可接受爬升率，失速速度。为了便于说明，我们将重点放在爬升速率上，并假设要求在2000米的爬升速率大于2米/秒(m/s)。
定义车辆几何形状和确定空气动力特性
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，气动特性就可以通过分析预测、比例模型或全尺寸原型的风洞试验或飞行试验获得。
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。这些方法最好在飞机的几何形状确定后使用。在设计的早期阶段，分析预测是一种快速、廉价的估算气动特性的方法。
我们将使用数字数据通信，这是美国空军开发的一种流行的分析预测软件程序，作为其数据纲要(Datcom)的数字版本。该软件现已公开，可以从几个网站下载。
我们首先创建一个Digital Datcom输入文件，该文件定义了飞机的几何配置以及获得空气动力系数所需的飞行条件(图2)。
飞行控制工程师可以通过检查稳定性和控制导数来了解飞行器的几何配置——一旦这些参数导入MATLAB，就很容易做到。在我们的例子中，我们需要检查飞行器是否天生稳定。我们通过检查由相应系数Cm描述的俯仰力矩是否为飞机提供了一个恢复力矩来做到这一点。恢复力矩趋向于使飞机的攻角恢复为零。
在构型1(图4)中，Cm对于所有攻角都是负的，这意味着这种构型不会提供负攻角的恢复时刻，也不会提供我们正在寻找的飞行特性。配置2通过将重心向前移动来解决这个问题。恢复时刻对于大多数攻角都是可用的。
模拟飞行器
一旦我们确定了空气动力稳定性和控制导数，我们建立一个开环工厂模型。一个典型的工厂模型包括以下组件:
- 运动方程，根据作用在飞行器上的力和力矩计算飞行器的位置和姿态
- 力和力矩，计算作用在飞行器上的气动力和力矩，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，模拟环境影响，包括风扰动、重力和大气
- 传感器，模拟为控制律提供输入的测量设备的行为
我们可以使用航空航天Blockset．
在我们的例子中，我们首先要评估飞机的纵向动力学。首先，我们使用来自Aerospace Blockset中的运动方程库的3DOF块建立一个运动方程模型(图5)。这个模型将帮助我们确定飞行器是否纵向稳定和可控。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，直到我们从飞机上实现所需的行为。
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的Digital Datcom forces和moments块(图6)。该块使用了Aerospace Toolbox从Digital Datcom导入气动力系数时创建的结构。因此，我们不必创建多个查询表，然后组合它们的输出。
我们还使用Aerospace Blockset中的块创建驱动器、传感器和环境模型(分别如图7、8和9所示)。
除了创建上面描述的模型的部分，我们必须确保从体轴到风轴的转换是正确的。我们使用Aerospace Blockset的标准块来做到这一点。
一旦模型完成了，我们可以通过使用它向同事展示它，包括那些没有Simulink的金宝app金宝app仿真软件报告生成器将模型导出到Web视图。Web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。
飞行控制律设计
一旦我们创建了植物模型金宝app，下一步是设计一个纵向控制器，可以控制电梯的位置来控制高度。本设计选用的传统双环反馈控制结构(图10)具有控制高度的外环(补偿器C1)和控制俯仰角的内环(补偿器C2)。
图11显示了Simulink模型中相应的控制器配置。金宝app
与金宝app仿真软件控制设计我们可以在Simulink中使用一系列工具和技术直接调优控制器。金宝app
利用Simulink金宝app控制设计界面，我们通过指定两个控制器模块，闭环输入和输出信号——分别是高度指令和感知高度——以及稳态或平衡状态来设置控制问题。
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12)。
然后，我们利用这些图交互式地调整内外回路的补偿器。因为当我们调整补偿器时，图会实时更新，我们可以看到这些变化对其他回路和闭环响应的耦合影响。
为了使多回路设计更加系统化，我们采用了顺序回路闭合技术。这种技术让我们在设计过程中逐渐考虑到其他循环的动态。在Simu金宝applink Control Design中，我们将内环配置为在外环控制器的输出处有一个额外的环路开口(图13中的C1)。该方法将内环与外环解耦，简化了内环控制器的设计。在内环设计完成后，设计了外环控制器。图14显示了得到的调谐补偿器设计。
在Simulink控制设计中有几种方法来调整控制器。金宝app例如，您可以使用图形方法，交互式地移动控制器增益、极点和零点，直到得到满意的响应(图14)。此外，您可以使用金宝app模型响应优化在Simuli金宝appnk控制设计中自动调整控制器。在指定频域要求后，如增益裕度、相位裕度和时域要求，Simulink响应优化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
我们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模型在要求高度从2,000米增加到2,050米时的闭环仿真结果。金宝app即使飞行员要求改变高度，实际管制员要求高度的比率也会受到限制，以确保乘客的舒适和安全。
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。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。如果我们没有达到要求，我们将不得不重新设计控制器或改变飞机的几何配置。
除了传统的时间图，我们还使用Aerospace Blockset接口将仿真结果可视化(图16)。
我们还可以使用Aerospace Toolbox接口来回放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
接下来的步骤包括构建半实物系统，构建实际飞行器的硬件和软件，进行飞行测试，分析和可视化飞行测试数据。由于这些步骤不是本文的重点，所以我们不在这里进行描述。相反，我们将简单地提到，它们都可以使用适当的工具，如嵌入式编码器，Simulink实时，Simulink检查，Simulink覆盖，Simulink需求，和航空航天工具箱进行流线化和简化。金宝app
总结
在本文中，我们展示了如何使用数字数据通信和航天工具箱快速开发飞行器的初始设计，并评估不同的几何配置。然后，您可以使用Simulink和Aerospace Blockset快速创建飞行器的飞行仿真，并使用Simulink control de金宝appsign设计飞行控制律。这种方法使您能够在任何硬件制造之前就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，使用单一的工具链有助于促进不同组之间的沟通，加快设计时间。
资源
您可以打开Simulink模型的Web视图。金宝app要打开模型，您需要带有SVG插件的Microsoft Internet Explorer或Mozilla Firefox 1.5或更高版本。你可以下载一个插件．滚动到第一个安装窗口的底部，选择操作系统和语言。可以下载实际的Simulink模型，输出数字Datcom金宝app文件，以及在MATLAB中心上用控制器设计的文件。
