Эта модель показывает, как использовать продукты MathWorks®, чтобы обратиться к техническим проблемам и проблемам процесса конструкции самолета с помощью проекта легкого самолета.
Чтобы запустить эту модель в качестве примера, вам нужны программное обеспечение Aerospace Blockset™ и его необходимые продукты. Дополнительные продукты необходимо будет исследовать эту модель далее:
Control System Toolbox™
Simulink® Control Design™
Simulink® Design Optimization™
Процесс проектирования является итеративным; вы попробуете много настроек транспортного средства прежде, чем выбрать итоговую. Идеально, вы выполняете итерации прежде, чем создать любое оборудование. Проблема состоит в том, чтобы выполнить итерации быстро. Как правило, различные группы работают над различными шагами процесса. Эффективное сотрудничество среди этих групп и правильного набора инструментов важно для обращения к этой проблеме.
Геометрия этого легкого самолета из ссылки 1. Цель первоначального проекта для этой геометрии была четырехместным самолетом гражданской авиации, который был безопасен, прост полететь, и легко удобный в сопровождении с определенной миссией и ограничениями производительности. Для получения дополнительной информации об этих ограничениях смотрите ссылку 1.
Потенциальные требования к производительности для этого самолета включают:
Скорость круиза уровня
Приемлемый уровень подъема
Приемлемая скорость останова.
Для управления полетом уровень подъема является конструктивными требованиями и принятый, чтобы быть больше 2 метров в секунду (m/s) на уровне 2 000 метров.
Рисунок 1: Легкий четырехместный моноплан [1].
Геометрическая настройка самолета определяет свои аэродинамические характеристики, и поэтому свою производительность и качества обработки. Если вы выбираете геометрическую настройку, можно получить аэродинамические характеристики посредством:
Аналитический прогноз
Тестирование аэродинамической трубы масштабированной модели или полноразмерного прототипа
Летные испытания.
В то время как испытания в аэродинамической трубе и летные испытания обеспечивают высокочастотные результаты, они являются дорогими и трудоемкими, потому что они должны быть выполнены на фактическом оборудовании. Лучше использовать эти методы, когда геометрия самолета завершена. Примечание: Аналитический прогноз является более быстрым и менее дорогим способом оценить аэродинамические характеристики на ранних стадиях проекта.
В этом примере мы будем использовать Цифровой Datcom, популярную программу, для аналитического прогноза. Американские Военно-воздушные силы разработали его как цифровую версию его Компендиума данных (DATCOM). Это программное обеспечение общедоступно.
Чтобы запуститься, создайте файл входа Digital Datcom, который задает геометрическую настройку нашего самолета и условий рейса, что мы должны будем получить аэродинамические коэффициенты.
$FLTCON NMACH=4.0,MACH(1)=0.1,0.2,0.3,0.35$
$FLTCON NALT=8.0,ALT(1)=1000.0,3000.0,5000.0,7000.0,9000.0,
11000.0,13000.0,15000.0$
$FLTCON NALPHA=10.,ALSCHD(1)=-16.0,-12.0,-8.0,-4.0,-2.0,0.0,2.0,
ALSCHD(8)=4.0,8.0,12.0,LOOP=2.0$
$OPTINS SREF=225.8,CBARR=5.75,BLREF=41.15$
$SYNTHS XCG=7.9,ZCG=-1.4,XW=6.1,ZW=0.0,ALIW=1.1,XH=20.2,
ZH=0.4,ALIH=0.0,XV=21.3,ZV=0.0,VERTUP=.TRUE.$
$BODY NX=10.0,
X(1)=-4.9,0.0,3.0,6.1,9.1,13.3,20.2,23.5,25.9,
R(1)=0.0,1.0,1.75,2.6,2.6,2.6,2.0,1.0,0.0$
$WGPLNF CHRDTP=4.0,SSPNE=18.7,SSPN=20.6,CHRDR=7.2,SAVSI=0.0,CHSTAT=0.25,
TWISTA=-1.1,SSPNDD=0.0,DHDADI=3.0,DHDADO=3.0,TYPE=1.0$
$HTPLNF CHRDTP=2.3,SSPNE=5.7,SSPN=6.625,CHRDR=0.25,SAVSI=11.0,
CHSTAT=1.0,TWISTA=0.0,TYPE=1.0$
$VTPLNF CHRDTP=2.7,SSPNE=5.0,SSPN=5.2,CHRDR=5.3,SAVSI=31.3,
CHSTAT=0.25,TWISTA=0.0,TYPE=1.0$
$SYMFLP NDELTA=5.0,DELTA(1)=-20.,-10.,0.,10.,20.,PHETE=.0522,
CHRDFI=1.3,
CHRDFO=1.3,SPANFI=.1,SPANFO=6.0,FTYPE=1.0,CB=1.3,TC=.0225,
PHETEP=.0391,NTYPE=1.$
NACA-W-4-0012
NACA-H-4-0012
NACA-V-4-0012
CASEID SKYHOGG BODY-WING-HORIZONTAL TAIL-VERTICAL TAIL CONFIG
DAMP
NEXT CASE
Цифровой Datcom обеспечивает аэродинамическую устойчивость транспортного средства и производные управления и коэффициенты при заданных условиях рейса. Инженеры управления полетом могут получить сведения о производительности транспортного средства и характеристиках управляемости путем исследования устойчивости и управлять производными. Мы должны импортировать эти данные в MATLAB® техническая вычислительная среда для анализа. Обычно, это - ручной процесс.
С программным обеспечением Aerospace Toolbox мы можем принести несколько Цифровых выходных файлов Datcom в MATLAB техническая вычислительная среда со всего одной командой. Нет никакой потребности в ручном входе. Каждый Digital Datcom выход импортируется в MATLAB техническая вычислительная среда как массив ячеек структур с каждой структурой, соответствующей различному Цифровому выходному файлу Datcom. После импорта Digital Datcom выход мы можем запустить несколько настроек через Цифровой Datcom и сравнить результаты в MATLAB техническая вычислительная среда.
В нашей модели мы должны проверять, устойчиво ли транспортное средство по сути. Для этого мы можем использовать рисунок 2, чтобы проверять, обеспечивает ли момент подачи, описанный соответствующим коэффициентом, Cm, момент восстановления для самолета. Момент восстановления возвращает угол самолета нападения, чтобы обнулить.
В настройке 1 (рисунок 2), Cm отрицателен для некоторых углов нападения меньше, чем нуль. Это означает, что эта настройка не обеспечит момент восстановления для тех отрицательных углов нападения и не обеспечит характеристики рейса, которые желательны. Настройка 2 решает эту проблему путем перемещения центра тяжести назад. Сдвиг центра тяжести производит Cm, который обеспечивает момент восстановления для всех отрицательных углов нападения.
Рисунок 2: Визуальный анализ Цифрового Datcom подача коэффициентов момента.
Если мы определяем аэродинамическую устойчивость и управляем производными, мы можем создать модель объекта управления разомкнутого цикла, чтобы оценить самолет продольная динамика. Если модель завершена, мы можем показать его коллегам, включая тех, у кого нет программного обеспечения Simulink®, при помощи программного обеспечения Simulink® Report Generator™, чтобы экспортировать модель в Веб-представление. Веб-представление является интерактивной копией HTML модели, которая позволяет вам переместиться по иерархии модели и проверять свойства подсистем, блоков и сигналов.
Типичная модель объекта управления включает следующие компоненты:
Уравнения движения: вычислите положение транспортного средства и отношение от сил и моменты
Силы и моменты: вычислите аэродинамический, сила тяжести, и толкайте силы и моменты
Положения привода: вычислите смещения на основе команд привода
Среда: включайте воздействие на окружающую среду воздействий ветра, силы тяжести и атмосферы
Датчики: смоделируйте поведение устройств измерения
Мы можем реализовать большую часть этой функциональности с помощью блоков Aerospace Blockset™. Эта модель подсвечивает подсистемы, содержащие блоки Aerospace Blockset в оранжевом. Это подсвечивает блоки Aerospace Blockset красного цвета.
Рисунок 3: верхний уровень легкой модели самолета
Мы начинаем путем создания модели объекта управления с помощью блока 3DOF из библиотеки Equations of Motion в библиотеке Aerospace Blockset (рисунок 4). Эта модель поможет нам определить, устойчиво ли транспортное средство рейса в длину и управляемо. Мы проектируем нашу подсистему, чтобы иметь тот же интерфейс как шесть версий степеней свободы (DOF). Когда мы удовлетворены тремя производительностью степени свободы, устойчивостью и управляемостью, мы можем реализовать шесть версий степени свободы, выполняющих итерации на других конфигурациях поверхности управления, пока мы не достигаем желаемого поведения от самолета.
Рисунок 4: уравнения Движения, реализованного с помощью 3DoF Эйлеров блок из библиотеки Aerospace Blockset.
Чтобы вычислить аэродинамические силы и моменты, действуя на наше транспортное средство, мы используем блок Digital Datcom Forces и Moments из библиотеки Aerospace Blockset (рисунок 5). Этот блок использует структуру, которую создает Aerospace Toolbox, когда это импортирует аэродинамические коэффициенты из Цифрового Datcom.
Для некоторых Цифровых случаев Datcom динамическая производная имеет значения только для первого угла нападения. Недостающие точки данных могут быть заполнены значениями для первого угла нападения, поскольку эти производные независимы от угла нападения. Чтобы видеть пример кода того, как заполнить недостающие данные в Цифровых точках данных Datcom, можно исследовать функцию asbPrepDatcom.
Рисунок 5: Аэродинамические Силы и Моменты, реализованные частично с блоком Aerospace Blockset Digital Datcom Forces и Moment.
Мы также используем блоки Aerospace Blockset, чтобы создать привод, датчик и модели среды (Рисунки 6, 7, и 8, соответственно). Примечание: В дополнение к созданию следующих частей модели, мы используем стандартные блоки Aerospace Blockset, чтобы гарантировать, что мы преобразуем от осей тела до осей ветра и назад правильно.
Рисунок 6: Реализация моделей привода с помощью блоков Aerospace Blockset.
Рисунок 7: Реализация модели датчика рейса, использующей блоки Aerospace Blockset.
Рисунок 8: Воздействие на окружающую среду ветра, атмосферы и силы тяжести с помощью блоков Aerospace Blockset.
Если мы создали модель объекта управления Simulink, мы проектируем продольный контроллер что положение лифта команд, чтобы управлять высотой. Традиционная структура управления с обратной связью 2D цикла, выбранная для этого проекта (рисунок 9), имеет внешний цикл для управления высотой (компенсатор C1 желтого цвета) и внутренний цикл для управления углом подачи (компенсатор C2 синего цвета). Рисунок 10 показывает соответствующую настройку контроллера в нашей модели Simulink.
Рисунок 9: Структура продольного контроллера.
Рисунок 10: Продольный контроллер в модели Simulink.
С программным обеспечением Simulink® Control Design™ мы можем настроить контроллеры непосредственно в Simulink с помощью области значений инструментов и методов.
Используя интерфейс Simulink Control Design, мы настраиваем проблему управления путем определения:
Два блока контроллера
Вход с обратной связью или высотная команда
Выходные сигналы с обратной связью или обнаруженная высота
Установившееся или условие для обрезки.
Используя эту информацию, программное обеспечение Simulink Control Design автоматически вычисляет линейные аппроксимации модели и идентифицирует обратную связь, которая будет использоваться в проекте. Чтобы спроектировать контроллеры для внутренних и внешних циклов, мы используем корневой годограф и диаграммы Боде для разомкнутых циклов и переходный процесс для ответа с обратной связью (рисунок 11).
Рисунок 11: Спроектируйте графики перед контроллером, настраивающимся.
Мы затем в интерактивном режиме настраиваем компенсаторы для внутренних и внешних циклов с помощью этих графиков. Поскольку графики обновляются в режиме реального времени, когда мы настраиваем компенсаторы, мы видим связывающиеся влияния, которые эти изменения оказывают на другие циклы и на ответ с обратной связью.
Чтобы сделать многоконтурный проект более систематичным, мы используем последовательный метод закрытия цикла. Этот метод позволяет нам инкрементно учесть динамику других циклов во время процесса проектирования. С Simulink Control Design мы конфигурируем внутренний цикл, чтобы иметь дополнительный цикл, открывающийся при выходе контроллера внешнего цикла (C1 в рисунке 12). Этот подход разъединяет внутренний цикл от внешнего цикла и упрощает проектирование контроллера внутреннего цикла. После разработки внутреннего цикла мы проектируем контроллер внешнего цикла. Рисунок 13 показывает, что получившийся настроенный проект компенсатора в финале обрезал рабочую точку.
Рисунок 12: Блок-схема внутреннего цикла, изолированного путем конфигурирования дополнительного открытия цикла.
Рисунок 13: Спроектируйте графики при условии для обрезки после контроллера, настраивающегося.
Можно настроить контроллер в программном обеспечении Simulink Control Design несколькими способами. Например:
Можно использовать графический подход, и в интерактивном режиме переместить усиление контроллера, полюса и нули, пока вы не получаете удовлетворительный ответ (рисунок 13).
Можно использовать программное обеспечение Simulink® Design Optimization™ в рамках программного обеспечения Simulink Control Design, чтобы настроить контроллер автоматически.
После того, как вы зададите требования частотного диапазона, такие как запас по амплитуде и запас по фазе и требования области времени, программное обеспечение Simulink Design Optimization автоматически настраивает параметры контроллера, чтобы удовлетворить тем требованиям. Если мы разработали приемлемое проектирование контроллера, блоки управления в модели Simulink автоматически обновляются. Смотрите, что примеры Начинают С Control System Designer в примерах Тулбокса Систем управления и блоках Simulink Мелодии Используя Редактор Компенсатора в примерах Simulink Control Design для получения дополнительной информации о настраивающихся контроллерах.
Мы можем теперь запустить нашу нелинейную симуляцию с логикой управления полетом и проверять, что производительность контроллера приемлема. Рисунок 15 показывает результаты симуляции с обратной связью нашей нелинейной модели Simulink для требуемого высотного увеличения от 2 000 метров до 2 050 метров, начинающих с обрезанной рабочей точки. Несмотря на то, что пилот запрашивает ступенчатое изменение в высоте, фактический высотный уровень запроса контроллера ограничивается, чтобы предоставить удобную и безопасную поездку пассажирам.
Рисунок 14: последняя проверка должна запустить нелинейную симуляцию с нашим проектированием контроллера и проверять что высота (фиолетовый) высотный запрос дорожек (желтый) устойчивым и приемлемым способом.
Мы можем теперь использовать эти результаты симуляции, чтобы определить, соответствует ли наша конструкция самолета своим требованиям к производительности. Требование призвало, чтобы скороподъемность была выше 2 м/с. Когда мы видим, самолет, на который поднимаются от 2 000 до 2 050 метров меньше чем за 20 секунд, обеспечивая скороподъемность выше, чем 2,5 м/с. Поэтому эта конкретная геометрическая настройка и проектирование контроллера соответствуют нашим требованиям к производительности.
В дополнение к традиционным графикам временной зависимости мы можем визуализировать результаты симуляции с помощью интерфейса Aerospace Blockset для FlightGear (рисунок 15).
Рисунок 15: Визуализация результатов симуляции с помощью интерфейса Aerospace Blockset для FlightGear.
Мы можем также использовать интерфейс Aerospace Toolbox для FlightGear, чтобы воспроизвести данные MATLAB с помощью или результатов симуляции или фактических данных о летном испытании.
Следующие шаги включают
Создание оборудования в системе цикла, чтобы проверить производительность в реальном времени
Создание фактического аппаратного и программного обеспечения транспортного средства
Проведение летного испытания
Анализ и визуализация данных о летном испытании.
Поскольку эти шаги не являются особым вниманием этого примера, мы не опишем их здесь. Вместо этого мы просто упомянем, что они могут все быть оптимизированы и упростили использование соответствующих инструментов, таких как Embedded Coder®, Simulink® Real-Time™ и программное обеспечение Aerospace Toolbox.
В этом примере мы показали как:
Используйте программное обеспечение Digital Datcom и Aerospace Toolbox, чтобы быстро разработать первоначальный дизайн вашего транспортного средства рейса и оценить различные геометрические настройки.
Используйте программное обеспечение Simulink и Aerospace Blockset, чтобы быстро создать симуляцию рейса вашего транспортного средства.
Используйте программное обеспечение Simulink Control Design, чтобы спроектировать законы об управлении полетом.
Этот подход позволяет вам определить оптимальную геометрическую настройку своего транспортного средства и оценить его производительность и качества обработки задолго до того, как любое оборудование создается, уменьшая затраты проекта и устраняя ошибки. Кроме того, использование одного набора инструментальных средств помогает упростить коммуникацию среди различных групп и ускоряет время проектирования.
[1] Орудие, M, Gabbard, M, Мейер, T, Моррисон, S, Skocik, M, Леса, D. "Небо Swineworks D-200 Предложение по Проекту Хогга". Соревнование Конструкции самолета Команды Корпорации Динамики AIAA®/General, 1991-1992.
[3] Turvesky, A., Сортамент, S. и Известняк, C., "Модельно-ориентированное проектирование Нового Легкого Самолета", бумага AIAA 2007-6371, Конференция AIAA Modeling and Simulation Technologies и приложение, Хилтон-Хед, Южная Каролина, 20-23 августа 2007.