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作为一个例子，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。s manbetx 845
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学特性
- 创建模拟以验证设计
- 设计飞行控制律
- 在循环系统中创建硬件以测试实时性能
- 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
性能规格为我们的样本飞机包括水平巡航速度，可以接受的爬升率和失速速度。为了说明的目的，我们将集中于爬升率，并假设要求的呼叫在2000米每秒（米/秒）大于2米的爬升率。
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DATCOM，由美国空军开发作为其数据汇编（DATCOM）的数字版本的分析预测流行的软件程序。这个软件现在是公开的，可以从多个网站上下载。
我们首先创建定义我们的飞机的几何构造和飞行条件，我们将需要获得空气动力系数（图2）数字DATCOM输入文件。
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。
在配置1（图4），Cm为对攻击的所有角度，这意味着这样的配置不会提供负迎角一恢复力矩，并且不会提供飞行特性，我们正在寻找负。配置2个修复了这个问题通过向前移动重心。恢复力矩可用于攻击的大多数角。
模拟飞行器
一旦我们确定了空气动力学稳定性和控制衍生物，我们建立了一个开放式工厂模型。典型的工厂模型包括以下组件：
- 运动方程，基于车辆上的力量和时刻计算车辆位置和姿态
- 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
- 基于执行器命令计算执行器位移的执行器位置
- 环境，模拟环境效果，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块集．
在我们的示例中，我们首先想要评估飞机的纵向动态。我们首先建立一种运动方程，使用来自航空航天块集的运动库方程的3Dof块（图5）。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。一旦我们满意三个DOF性能，稳定性和可控性，我们就可以轻松实现六个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。
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。
一旦模型完成后，我们可以把它展示给同事们，包括那些没有谁的Simulink通过使用万博1manbetx万博1manbetx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
一旦我们创建了工厂模型万博1manbetx，下一步是设计一个纵向控制器，该控制器命令电梯位置以控制高度。选择该设计的传统双环反馈控制结构（图10）具有用于控制高度（补偿器C1）和用于控制俯仰角（补偿器C2）的内环的外环。
图11显示了Simulink模型中相应的控制器配置。万博1manbetx
与万博1manbetxSimulink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。万博1manbetx
使用Simulink万博1manbetx的控制设计界面，我们通过指定两个控制器块，闭环输入和输出信号海拔命令和感测到的高度，分别和稳态或修整条件成立的控制问题。
使用此信息，Simulink控制设计自动计算模型万博1manbetx的线性近似，并识别要在设计中使用的反馈回路。要设计内部和外环的控制器，我们将对闭环和闭环响应的步轨道和钻头图使用根轨迹和Bode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万博1manbetxlink 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。
有几种方法可以在Simulink控制设计中调整控制器。万博1manbetx例如，您可以使用图形方法，并在您获得令人满意的响应之前交互式移动控制器增益，杆和零（图14）。此外，您可以使用万博1manbetx模型响应优化在Simuli万博1manbetxnk控制设计中，自动调谐控制器。指定频域要求（例如增益边缘和相位裕度和时域要求）后，Simulink响应优化会自动调整控制器参数以满足这些要求。万博1manbetx一旦我们开发了可接受的控制器设计，Simulink模型中的控制块会自动更新。万博1manbetx
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。万博1manbetx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。
现在，我们可以利用这些模拟结果，以确定我们的飞机设计是否满足其性能要求。/ s的呼吁爬升率的要求是以上2μm以下。我们可以看到，该机从2000到2050米攀升，在不到20秒内，提供比2.5米的爬升率更高/秒。因此，这种特定的几何构型和控制器的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我们的控制器或改变飞机的几何构型。
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)。
我们还可以使用航空航天工具箱界面来飞行播放MATLAB数据 - 仿真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。万博1manbetx
总结
在这篇文章中，我们介绍了如何可以快速开发你的飞行器的最初的设计和评估使用数字DATCOM航天工具箱不同的几何构型。然后，您可以快速创建使用Simulink和航天模块库，并利用Simulink控制设计的设计飞行控制规律的车辆的模拟飞行。万博1manbetx这种方法使您能够确定您的车辆的最佳几何构型，并估计它的性能和操纵品质的任何硬件制造之前好，降低了设计成本和消除错误。此外，使用一个单一的工具链有助于促进不同的基团，并加速了设计时间之间的通信。
资源
您可以打开Simulink模型的Web视图。万博1manbetx要打开你需要的Microsoft Internet Explorer与SVG插件或Mozilla Firefox 1.5或更高版本的模型。你可以下载插件．滚动至底部的第一个安装窗口中选择操作系统和语言。您可以下载实际的Simulink模型，数字DATCOM文万博1manbetx件的输出，以及文件与MATLAB中央控制器的设计。
