定义车辆几何

该轻型多用途飞机的几何形状由参1。此几何最初的设计目标是四座通用航空飞机是安全的，简单的飞行，并与特定的使命和性能约束易于维护。有关这些约束的更多详细信息，请参考1。

这架飞机的潜在性能要求包括：

对于飞机的飞行控制，爬升速率是设计要求，并假定在2000米高度时高于每秒2米(m/s)。

图1:轻型四座单机[1]。

确定车辆气动特性

飞机的几何结构决定了它的空气动力特性，因此它的性能和操纵质量。选择几何构型后，可通过以下方式获得气动特性:

虽然风洞测试和飞行测试提供了高保真度的结果，但它们昂贵且耗时，因为它们必须在实际的硬件上进行。当飞机的几何形状最终确定时，最好使用这些方法。请注意：分析预测是估计在设计的早期阶段的空气动力特性更快和更便宜的方法。

在这个例子中，我们将使用数字DATCOM，一个流行的软件程序，用于分析预测。美国空军开发它作为数据纲要（DATCOM）的数字版本。该软件是公开的。

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的数字DATCOM输入文件。

美元FLTCON NMACH = 4.0马赫(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 $ $合成器XCG = 7.9, ZCG = -1.4, XW = 6.1, ZW = 0.0, ALIW = 1.1, XH = 20.2, ZH型= 0.4,ALIH = 0.0,十五= 21.3,ZV = 0.0, VERTUP = .TRUE。$ $身体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,类型= 1.0 $ $ HTPLNF CHRDTP = 2.3, SSPNE = 5.7, SSPN = 6.625, CHRDR = 0.25, SAVSI = 11.0, CHSTAT = 1.0, TWISTA = 0.0,类型= 1.0 $ $ VTPLNF CHRDTP = 2.7, SSPNE = 5.0, SSPN = 5.2, CHRDR = 5.3, SAVSI = 31.3, CHSTAT = 0.25, TWISTA = 0.0,类型= 1.0 $ $ SYMFLP NDELTA = 5.0,δ(1)= -20,-10,0,10,20,PHETE =。0522年,CHRDFO CHRDFI = 1.3 = 1.3, SPANFI = 1。SPANFO = 6.0, FTYPE = 1.0, CB = 1.3, TC =。0225年,PHETEP = .0391 NTYPE = 1。机身翼-水平尾翼-垂直尾翼配置阻尼下一种情况

数字DATCOM提供车辆的空气动力学稳定性，并控制衍生物和系数以指定的飞行条件。飞行控制工程师可以通过检查稳定性和控制衍生工具更深入地了解车辆的性能和操控性能。我们必须将此数据导入到分析的MATLAB®技术计算环境。通常，这是一个手动过程。

随着航空航天工具箱软件，我们可以把多个数字DATCOM输出文件到MATLAB技术计算环境中只有一个命令。有没有需要手动输入。每个数字输出DATCOM被导入到MATLAB技术计算环境的结构的单元阵列，具有对应于不同的数字DATCOM输出文件中的每个结构。导入数字DATCOM输出之后，我们可以运行通过数字DATCOM多种配置，并在MATLAB技术计算环境中的结果进行比较。

在我们的模型中，我们需要检查车辆是否天生稳定。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恢复力矩。一个恢复时刻会使飞机的攻角降至零。

在配置1(图2)，Cm是负的一些攻角小于零。这意味着这种结构不能为负迎角提供恢复力矩，也不能提供理想的飞行特性。配置2通过将重心向后移动来解决这个问题。移动重心产生一个Cm，为所有负攻角提供一个恢复力矩。

图2:数字DATCOM俯仰力矩系数的可视化分析。

创建飞行器仿真

一旦确定了气动稳定性和控制导数，我们就可以建立一个开环工厂模型来评估飞机纵向动力学。一旦模型完成，我们可以将其展示给同事，包括那些没有Simulink®软件的同事，通过使用Simulink®Report Generator™软件将模型导出到Web view中。万博1manbetxWeb view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。

典型的植物模型包括以下组件：

我们可以使用Aerospace Blockset™块实现大部分功能。这个模型用橙色标出了包含航空航天块集的子系统。它用红色突出航空航天块集块。

图3：顶级轻型飞机模型

我们首先从Aerospace块集库中的运动方程库中使用3DOF块构建一个植物模型(图4)。该模型将帮助我们确定飞行器是否具有纵向稳定性和可控制性。我们设计的子系统与六自由度(DOF)版本具有相同的接口。当我们对三自由度的性能、稳定性和可控性感到满意时，我们可以实现六自由度的版本，在其他控制面几何图形上迭代，直到我们从飞机上获得所需的性能。

图4：运动方程的实现使用三维欧拉块从航空航天块集库。

为了计算气动力和气动作用于我们的车辆的时刻，我们用一个数字DATCOM力和力矩从航天模块库库（图5）阻止。该块使用结构航天工具箱时，进口气动系数从数字DATCOM创建。

对于一些数字DATCOM情况下，动导数都只有首先攻击的角度值。丢失的数据点可被填充有用于攻击的第一角度的值，因为这些衍生物是独立的攻角。要了解如何在数字DATCOM数据点丢失的数据填写示例代码，您可以检查asbPrepDatcom函数。

图5：气动力和力矩部分由航空航天区块集数字数据通信力和力矩块实现。

我们还使用Aerospace块集块来创建执行器、传感器和环境模型(分别如图6、7和8所示)。请注意：除了创建模型的以下部分，我们使用标准的航空航天模块组块，以确保我们的身体轴转换为风轴和回正常。

图6：执行机构模型使用航空航天块集块。

图7：利用航天块集块实现飞行传感器模型。

图8：风、大气和重力对环境的影响。

设计飞行控制律

一旦我们建立了Simulink工厂模型，我们就设计万博1manbetx了一个纵向控制器，它可以命令电梯的位置来控制高度。为本设计选择的传统双环反馈控制结构(图9)有一个控制高度的外环(黄色为补偿器C1)和一个控制俯仰角的内环(蓝色为补偿器C2)。图10显示了我们的Simulink模型中对应的控制器配置。万博1manbetx

图9：纵向控制器的结构。

图10：Simulink模型中的纵向控制器。万博1manbetx

随着的Si万博1manbetxmulink控制设计™软件，我们可以调整直接在Simulink中的控制器使用各种工具和技术。

利用Simulink万博1manbetx控制设计界面，通过指定:

利用这些信息，Simulink的控制设计软件自动万博1manbetx计算模型，并确定反馈回路的线性近似的设计中使用。为了设计控制器的内环和外环，我们使用用于开环根轨迹和Bode图和闭环响应的阶跃响应曲线图（图11）。

图11：控制器调整前的设计图。

然后，我们以交互方式调整补偿器使用这些地块的内环和外环。由于实时更新地块作为我们调整补偿器，我们可以看到耦合效应，这些变化会对其他的环和闭环响应。

为了使多回路设计更加系统化，我们使用顺序循环闭合技术。这项技术让我们逐渐考虑在设计过程中的其他循环的动态。使用Sim万博1manbetxulink控制设计，我们配置内环具有在外环控制器的输出的附加环开口（C1在图12）。这种方法解耦外环内环和简化了内环控制器的设计。设计内环后，我们设计了外环控制器。图13显示了所得到的调谐补偿器设计在最终修整工作点。

图12:内部循环的框图，通过配置一个额外的循环开口进行隔离。

图13:控制器的调整之后，在设计装饰状态图。

这时，你可以在Simulink控制设计软件控制器在几个方面。万博1manbetx例如：

在您指定的频域的要求，如增益裕量和相位裕度和时域的要求，Simulink设计优化软件自动调整控制器参数，以满足这些需求。万博1manbetx一旦我们已经开发了一个可以接受的控制器设计，Simulink模型的控制模块自动更新。万博1manbetx见例子入门控制系统设计（控制系统工具箱）在控制系统工具箱的实施例和在Si万博1manbetxmulink控制设计的范例进行调谐控制器的更多信息。

现在，我们可以运行我们的飞行控制逻辑非线性模拟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2,000米的海拔高度要求增加2050米从修剪工作点开始的结果。万博1manbetx虽然飞行员请求在高度的阶跃变化，实际控制人的高度请求速率限制在提供乘客舒适和安全的旅程。

图14:最后的检查是运行非线性仿真与我们的控制器设计和检查高度(紫色)跟踪高度请求(黄色)在稳定和可接受的方式。

我们现在可以利用这些模拟结果来确定我们的飞机设计是否符合性能要求。要求爬升速率要高于每秒2米。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，这种特殊的几何结构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FlightGear的Aerospace块集界面可视化仿真结果(图15)。

图15:使用航空航天区块集界面可视化仿真结果。

我们还可以使用工具箱航天接口FlightGear的播放使用两种模拟结果或实际飞行试验数据MATLAB数据。

完成设计过程

接下来的步骤包括

因为这些步骤不是本示例的重点，所以我们不在这里描述它们。相反，我们将简单地提到，使用适当的工具，如Embedded Coder®、Simulink®Real-Time™和Aerospace Toolbox软件，它们都可以被精简和简化。万博1manbetx

概要

在这个例子中，我们展示了如何:

这种方法使您能够确定车辆的最佳几何配置，并在任何硬件构建之前很好地评估其性能和操作质量，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组之间的通信，并加速设计时间。

参考

[1] Cannon, M, Gabbard, M, Meyer, T, Morrison, S, Skocik, M, Woods, D。"Swineworks D-200 Sky Hogg设计方案。"1991-1992年，AIAA®/通用动力公司团队飞机设计竞赛。

图维斯基，A，盖奇，S，布尔，C，“加速飞行器设计”，MATLAB®文摘，2007年1月。

黄志宏，“新型轻型飞机的模型设计”，台湾航空工业学会论文2007-6371，台湾航空工业学会建模与仿真技术研讨会，2007年8月20-23日。