飞行控制仿真实验报告

飞行控制飞行控制 仿真实验报告仿真实验报告 学学 号 号 姓姓 名 名 专专 业 业 指导教师 指导教师 2016 年 6 月 8 日 目目 录录 1 实验内容 1 1 1 俯仰操纵 1 1 1 1 实验要求 1 1 1 2 俯仰控制原理 1 1 2 滚转操纵 1 1 2 1 实验要求 1 1 2 2 滚转操纵原理 1 1 3 航向操纵 2 1 3 1 实验要求 2 1 3 2 航向操纵原理 2 1 4 速度控制 2 1 4 1 实验要求 2 1 4 2 速度控制原理 2 1 5 复合控制 3 1 5 1 实验要求 3 2 实验过程 3 3 仿真 3 3 1 俯仰通道 3 3 2 滚转通道 6 3 3 偏航通道 8 3 4 速度通道 10 4 实验结论 13 5 思考题 13 5 1 分析飞机的长周期运动和短周期运动 13 5 2 分析飞机的静稳定性和动态稳定性原理 14 0 1 实验内容实验内容 1 11 1 俯仰操纵俯仰操纵 1 1 1 实验要求实验要求 控制俯仰角保持在 10 度 并记录飞机的状态数据 绘制俯仰角变化曲线 滚转角变化曲线 速度变化曲线 航向变化曲线以及飞机运动轨迹 完成试验 后分析仿真结果 同时 并分析俯仰角能够稳定的原因 1 1 2 俯仰控制原理俯仰控制原理 俯仰角是由升降舵控制的 升降舵偏角的变化会产生对应的俯仰力矩 俯 仰力矩会产生相应的机体角速度 正是因为机体角速度的存在 才会使得俯仰 角发生变化 对于常规飞行器而言 一定的操作杆行程会稳定在一个确定的姿 态角 于是要想使得俯仰角能够稳定的住 那么最终要使得机体角速度为 0 才 行 这就需要引入反馈的概念 由飞机的动力学方程可以看出 姿态角作为反 馈信号 反馈给了机体角速度 这样就形成一个耦合回路 保证了俯仰角控制 的稳定 1 21 2 滚转操纵滚转操纵 1 2 1 实验要求实验要求 控制滚转角保持在 30 度 并记录飞机的状态数据 绘制俯仰角变化曲线 滚转角变化曲线 速度变化曲线 航向变化曲线以及飞机运动轨迹 完成试验 后分析仿真结果 同时 并分析滚转角能够稳定的原因 1 2 2 滚转操纵原理滚转操纵原理 滚转角的控制由副翼实现 同时方向舵偏角也会引起一定的滚转角 但是 方向舵引起的滚转是较小的 滚转通道和偏航通道是相互耦合的 左右副翼不 同极性的偏转会产生不同极性的滚转转矩 于是会产生不同极性的机体角速度 1 正是由于机体角速度的存在 产生了对应的滚转角速度 最终引起了一定的滚 转角 如俯仰角一样 对于常规飞机而言 一定的副翼偏转角会使得滚转角稳 定在一个确定的值 同样 要想使得滚转角可以稳定的住 也需要将滚转角和 滚转角速度反馈回机体角速度 通过形成一个闭环控制才能使得飞机的滚转角 稳定住 1 31 3 航向操纵航向操纵 1 3 1 实验要求实验要求 控制航向角保持在 100 度 并记录飞机的状态数据 绘制俯仰角变化曲线 滚转角变化曲线 速度变化曲线 航向变化曲线以及飞机运动轨迹 完成试验 后分析仿真结果 1 3 2 航向操纵原理航向操纵原理 航向控制主要是通过副翼舵偏角实现的 左右副翼上下偏转产生不同极性 的滚转力矩 最终产生对应的滚转角 因为滚转角的存在 使得飞机的升力部 分转换为向心力 于是产生了对应的偏航力矩 滚转控制和偏航通道会产生一 定的耦合 且通过产生一定滚转角去控制航向效率较方向舵更高 同样 改变 方向舵偏角也会产生偏航力矩 也可改变飞机的航向 只是这种控制效率较副 翼而言效率低的多 1 41 4 速度控制速度控制 1 4 1 实验要求实验要求 控制速度保持在 700m s 并记录飞机的状态数据 绘制俯仰角变化曲线 滚转角变化曲线 速度变化曲线 航向变化曲线以及飞机运动轨迹 完成试验 后分析仿真结果 2 1 4 2 速度控制原理速度控制原理 通过控制飞机的升降舵 改变飞机俯仰角的大小来控制速度的物理实质是 控制飞机升降舵后 飞机的俯仰角发生了变化 因此重力在速度方向的分量也 会随之变化 所以实现了速度的改变 1 5 复合控制复合控制 1 5 1 实验要求实验要求 控制飞机起飞后 先爬升高度到 5000 米 然后保持滚转角为 20 度 在航 向控制在 120 度后 使得高度下降到 3000 米后保持直线平飞 2 实验过程实验过程 本实验是利用 RTX61 及 MATLAB 软件完成的 仿真开始前 首先初始化定位系统 在 RXT61 下完成初始化编程 根据实 验要求在初始程序下对俯仰 滚转 航向 速度改动来获取飞行状态数据 开 始仿真 自动生成飞行状态数据并储存在对应文件中 待数据稳定后结束仿真 3 仿真仿真 3 13 1 俯仰通道俯仰通道 1 俯仰角变化曲线 3 2 滚转角变化曲线 3 航向角变化曲线 4 4 速度变化曲线 5 飞行运动轨迹 5 3 23 2 滚转通道滚转通道 1 俯仰角变化曲线 6 2 滚转角变化曲线 3 航向角变化曲线 4 速度变化曲线 7 5 飞行运动轨迹 3 33 3 偏航通道偏航通道 1 俯仰角变化曲线 8 2 滚转角变化曲线 3 航向角变化曲线 9 4 速度变化曲线 5 飞行运动轨迹 10 3 43 4 速度通道速度通道 1 俯仰角变化曲线 2 滚转角变化曲线 11 3 航向角变化曲线 4 速度变化曲线 12 5 飞行运动轨迹 4 实验结论实验结论 飞行器的运动状态是受飞行器的四个控制输入影响的 四个控制输入分别 为升降舵偏角 副翼舵偏角 方向舵偏角以及油门输入 四个控制输入是根据 13 操纵杆以及油门推杆行程确定的 不同的行程对应不同的输入 其中升降舵控 制飞机的纵向运动 即控制飞机的俯仰姿态 副翼和方向舵控制飞机的横侧向 运动 横侧向运动包括滚转和偏航两个通道 且这两个通道存在严重耦合 滚 转会影响偏航 反之偏航也会影响滚转运动 就操纵效率而言 用副翼去操纵 偏航效率更好 因为在存在滚转角时 飞机的升力会提供一部分转向的向心力 这样将增加偏航角速度 提高转向效率 5 思考题思考题 5 15 1 分析飞机的长周期运动和短周期运动分析飞机的长周期运动和短周期运动 在通常情况下 刚性飞行器的纵向扰动运动有两个模态 即长周期模态和 短周期模态 长周期模态 又称沉浮模态 主要反映飞行器质心的运动特性 是 弱衰减或弱发散的低频振荡 其中主要是速度大小和俯仰角的周期性变化 而 迎角的变化很小 短周期模态主要反映飞行器俯仰转动的特性 相对于长周期 模态而言是衰减快 振荡频率高 其中主要是飞机俯仰角速度和迎角的变化 而速度的变化很小 短周期模态只在扰动运动的初始阶段 约几秒钟内 起作用 很快即衰减掉 而长周期模态则在相当长的时间内起作用 5 25 2 分析飞机的静稳定性和动态稳定性原理分析飞机的静稳定性和动态稳定性原理 如果飞机在外界瞬时扰动的作用下偏离平衡状态 在最初瞬间所产生的是 恢复力矩 使飞机具有自动恢复到原来平衡状态的趋势 则称飞机具有静稳定 性 反之 若产生的是不稳定力矩 飞机便没有自动恢复到平衡状态的趋势 故称为没有静稳定性 静稳定性只