加速飞行器设计

设计一个新的或修改现有的飞行器是一个复杂的，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结构最能满足性能要求?当几个不同的小组负责工作流程的不同部分(评估几何配置、设计控制律、构建模型)，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?

采用新型轻型飞机的设计¹作为一个例子，本文将展示如何使用MathWorks产品来解决这些以及其他飞机设计难题。下载188bet金宝搏

迭代设计过程

飞行器设计涉及的多个步骤通常分为以下几个阶段之一:

1. 定义车辆的几何形状
2. 确定飞行器的空气动力学特性
3. 创建一个模拟来验证设计
4. 设计飞行控制律
5. 创建一个硬件在循环系统来测试实时性能
6. 构建硬件和软件并进行飞行测试
7. 分析和可视化飞行测试数据

设计过程是迭代的;工程师们在决定最后一款之前将会尝试许多不同的车辆配置。理想情况下，迭代应该在构建任何硬件之前进行。这里的一个挑战是快速完成迭代。通常，不同的团队必须在流程的不同步骤上工作。这些群体之间的有效合作和正确的工具对应对这一挑战至关重要。

设计一种轻型四座单翼飞机

我们的样本飞机的性能规格包括水平巡航速度，可接受的爬升率和失速速度。出于说明目的，我们将重点关注爬升速率，并假设需求要求在2000米处的爬升速率大于2米每秒(m/s)。

定义车辆几何和确定空气动力学特性

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。一旦选择了几何构型，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来获得气动特性。

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。这些方法最好在飞机的几何形状确定后使用。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。

我们将使用数字数据com，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。这个软件现在是公开的，可以从几个网站下载。

我们首先创建一个数字数据通信输入文件，该文件定义了我们的飞机的几何配置和飞行条件，我们将需要获得气动系数(图2)。

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几何结构——一旦将这些指标导入MATLAB中，就很容易做到。在我们的例子中，我们需要检查车辆是否固有稳定。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恢复力矩来做到这一点。恢复力矩会使飞机的迎角归零。

在配置1(图4)中，Cm对于所有的攻角都是负的，这意味着这种配置不会为负攻角提供恢复力矩，也不会提供我们正在寻找的飞行特性。构型2通过将重心前移来解决这个问题。对于大多数攻角都有恢复力矩。

模拟飞行器

一旦我们确定了空气动力学稳定性和控制导数，我们就建立了一个开环装置模型。典型的工厂模型包括以下组件:

• 运动方程，根据作用在车辆上的力和力矩计算车辆的位置和姿态
• 力和力矩，计算作用在飞行器上的空气动力和力矩，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，包括风干扰、重力和大气
• 传感器，为测量设备的行为建模，为控制定律提供输入

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。我们首先使用Aerospace Blockset中的Equations of Motion library中的3DOF block构建一个运动方程模型(图5)。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。一旦我们对三自由度的性能、稳定性和可控性感到满意，我们就可以轻松地实现六自由度版本，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。

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中的Digital Datcom forces和moments块(图6)。该块使用了Aerospace Toolbox在从Digital Datcom导入气动力系数时创建的结构。因此，我们不需要创建多个查找表，然后组合它们的输出。

我们还使用Aerospace Blockset中的块来创建执行器、传感器和环境模型(分别图7、图8和图9)。

除了创建上面描述的模型的部分之外，我们必须确保我们从身体轴转换到风轴并正确地返回。我们使用来自Aerospace Blockset的标准块来做到这一点。

一旦模型完成，我们可以通过使用将其展示给同事，包括那些没有Simulink的人金宝app金宝appSimulink报表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，它允许您浏览模型层次结构并检查子系统、块和信号的属性。

设计飞行控制律

一旦我们创建了植物模型金宝app，下一步是设计纵向控制器，通过控制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显示了我们的Simulink模型中相应的控制器配置。金宝app

与金宝appSimulink控制设计我们可以在Simulink中使用一系列工具和技术直接调整控制器。金宝app

利用Simulink金宝app控制设计界面，通过指定两个控制器块，分别为高度指令和感应高度闭环输入和输出信号，以及稳态或修整条件，建立了控制问题。

利用这些信息，Simulink Control 金宝appDesign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12)。

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13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14显示了得到的调优补偿器设计。

在Simulink Control Design中，有几种方法可以调优控制器。金宝app例如，您可以使用图形化方法，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appSimulink响应优化在Simuli金宝appnk控制设计中自动调优控制器。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响应优化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

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2000米增加到2050米时的闭环仿真结果。金宝app即使飞行员要求改变高度，实际管制员的高度要求率是有限的，以提供一个舒适和安全的飞行。

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满足了我们的性能要求。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配置。

除了传统的时间图，我们还使用FlightGear的Aerospace Blockset接口来可视化仿真结果(图16)。

我们还可以使用FlightGear的宇航工具箱接口来回放MATLAB数据——模拟结果或实际飞行测试数据。

完成设计过程

接下来的步骤包括构建一个硬件在环系统，构建实际的飞行器硬件和软件，进行飞行测试，并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，例如Embedded Coder、Simulink Real-Time、Simulink Check、Simulink Coverage、Requirements Toolbox™和Aerospace 金宝appToolbox。

总结

在本文中，我们展示了如何使用数字数据com和航空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模拟，并使用Simulink control de金宝appsign设计飞行控制定律。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。