清华+Simulink+飞行控制律实例

1 应用matlab&simulink设计指定 构型的飞行控制律 清华大学 冯庆堂 2 ¾飞行控制律设计的经典方法 ¾应用matlab&simulink设计飞行控制律 ¾纵向飞行控制律设计与仿真举例 ¾结论 应用matlab&simulink设计指定构型的飞行控制律 3 飞行控制律设计的经典方法 ¾飞行控制系统 FCS：Flight Control System ¾电传飞行控制系统 FBW: Flight By Wire ¾飞行控制律 FCL: Flight Control Law 4 飞行控制律设计的经典方法 ¾飞机的飞行过程是一个非常复杂的非线 性动力学过程 ¾刚体动态模型是多变量、强耦合的高阶 非线性系统，且存在较大的模型不确定性 ¾对由飞机、传感器、作动器等数学模型 组成“数学”系统，进行控制律设计、分析 和仿真 5 飞行控制律设计的经典方法 ¾主要设计思想是 在飞行包线内的一 系列配平点上线性 化飞机的非线性动 态模型，然后根据 线性化模型进行控 制系统的设计 6 飞行控制律设计的经典方法 针对每一个配平点的设计过程大致如下： ①配平处理。 ②线性化处理。 ③控制律结构设计。 ④选择理想化的控制律参数，确定反馈、 前馈和交联增益等。 ⑤线性系统仿真。 ⑥稳定性设计 ⑦非线性仿真。 ⑧进行六自由度仿真分析评定。 7 飞行控制律设计的经典方法 缺点: ¾必须在飞行包线内选取大量的平衡点， 甚至可达几百或上千，致使设计工作量很 大，周期很长。 ¾由于非线性模型本身具有较大的不确定 性，致使线性化模型是近似的，对控制律 的反复调整和试验是不可避免的。 8 ¾飞行控制律设计的经典方法 ¾应用matlab&simulink设计飞行控制律 ¾纵向飞行控制律设计与仿真举例 ¾结论 应用matlab&simulink设计指定构型的飞行控制律 9 应用matlab&simulink设计飞行控制律 ¾Matlab&simulink软件给设计飞行控制律 提供了功能强大和使用方便的工具。 ¾根据模型匹配(Modal matching) 和 H∞ 方法，设计面向实际 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 应用的飞行控制 律 10 应用matlab&simulink设计飞行控制律 思路 ¾指定飞行控制律构型 ¾选定一个符合飞行品质 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 的理想模型 ¾自动优化控制参数使得闭环系统的响应 特性尽可能与理想模型一致。 1 Out1 x' = Ax+Bu y = Cx+Du plane model num(s) den(s) ideal model In1 Out1 controller Subtract 1 In1 11 应用matlab&simulink设计飞行控制律 针对每一个配平点的设计过程大致如下： ①配平处理。 ②线性化处理。 ③控制律结构设计。 ④选择符合飞行品质要求的理想模型。 ⑤应用优化函数对参数进行优化。 ⑥非线性仿真。 ⑦进行六自由度仿真分析评定。 12 应用matlab&simulink设计飞行控制律 ¾第③－⑤步可以通过编写一个脚本文件 自动进行，并给出最佳结果，所有的配平 点都执行同一个脚本文件，可以进行批量 处理，能够节省控制律工程师大量的时间 和精力，缩短任务周期。 13 ¾飞行控制律设计的经典方法 ¾应用matlab&simulink设计飞行控制律 ¾纵向飞行控制律设计与仿真举例 ¾结论 应用matlab&simulink设计指定构型的飞行控制律 14 纵向飞行控制律设计与仿真举例 F16飞机 15 纵向飞行控制律设计与仿真举例 假定F16飞机模型某在某配平点的纵向短 周期小扰动模型方程和作动器模型 E M Z qMM Z q E E q δαα δ δ α α ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ＋1& & act act Ts TsACT +=)( 16 纵向飞行控制律设计与仿真举例 F16飞机纵向飞行控制律构型 eδ∈ α 图 指令俯仰角速度控制律构型 17 纵向飞行控制律设计与仿真举例 ¾如图所示的控制律构型可以较好的完成 指令俯仰角速度的功能 ¾控制律设计的目的是寻找一组值，使得 系统输出的俯仰角速度跟踪输入指令。 ¾问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 是图中的四个参数未知，经典设计 方法需要依靠经验经过多次试凑才能确定 一组满意的，但不一定是最优的值。 18 纵向飞行控制律设计与仿真举例 满足飞行品质要求的理想参考模型GT，GT 为理想的单输入单输出二阶系统，设定GT 传递函数如式 22 2 4.74.7*9.0*2 4.7)( ++= ssGT 0 0.5 1 1.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Step Response Time (sec) A m p l i t u d e 19 纵向飞行控制律设计与仿真举例 1 Out1 kq kq ke ke -K- kalpha 20 s+20 Transfer Fcn1 54.76 s +13.32s+54.762 Transfer Fcn x' = Ax+Bu y = Cx+Du State-Space 1 s ki Gain Add1 Add 1 In1 deltaE 闭环系统与理想模型并列连接的simulink框图 20 纵向飞行控制律设计与仿真举例 ¾将理想模型与指定控制律构型的闭环系 统并列连接后的simulink框图如图所示。 ¾应用优化函数进行参数优化 ¾优化目标：输入In1到输出out1的H∞范 数最小 21 纵向飞行控制律设计与仿真举例 ¾genetic algorithm and direct search toolbox工具箱ga函数 [Kopt0, fval, rsn, output, popu, scores] = ga(@Cost_value,4,options) ¾optimization toolbox工具箱 fminsearch函数 [Kopt,fval,exitflag,output] = fminsearch(@Cost_value,Kopt0) 22 纵向飞行控制律设计与仿真举例 F16飞机在高度1000米，速度200米/秒条 件下，经配平线性化处理后的小扰动线性 模型方程如式 E qq δαα ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ − −=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ 12.02- 0.23- 54.194.4 122.1 ＋& & 0 0.5 1 1.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Step Response Time (sec) A m p l i t u d e 23 纵向飞行控制律设计与仿真举例 F16飞机模型在高度5000米，速度280米/ 秒条件下，经配平线性化处理后的小扰动 线性模型方程如式 E qq δαα ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ − −=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ 10.1146- 0.1238- 08.1822.0 102.1 ＋& & 0 0.5 1 1.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Step Response Time (sec) A m p l i t u d e 24 纵向飞行控制律设计与仿真举例 F16飞机6自由度非线性仿真 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 angle of attack vs. time a n g l e o f a t t a c k ( r a d ) time (sec) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 pitch rate vs. time p i t c h r a t e ( r a d / s e c ) time (sec) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0.05 0.1 angle of attack vs. time a n g l e o f a t t a c k ( r a d ) time (sec) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 pitch rate vs. time p i t c h r a t e ( r a d / s e c ) time (sec) 25 ¾飞行控制律设计的经典方法 ¾应用matlab&simulink设计飞行控制律 ¾纵向飞行控制律设计与仿真举例 ¾结论 应用matlab&simulink设计指定构型的飞行控制律 26 总结 ¾用simulink直接指定飞行控 制律构型 ¾用理想模型和H∞范数定义 优化目标 ¾用matlab优化函数优化参数 ¾所设计控制律控制效果良 好、自动化程度高 ¾节省大量人力物力、 缩短开发时间 27 展望 ¾飞机非线性仿真系统 ¾配平、小扰动线性化软件 ¾飞行控制律设计辅助程序 28 二二OOOO六年十月六年十月