飞控大作业.docx

飞行控制系统课程实验飞行控制系统课程实验报告 班 级 0314103 学 号 031410329 姓 名 嵇 程 成 绩 南京航空航天大学2017年4月 飞行控制系统课程实验（8学时）一、目标 通过本实验，学生能够掌握基本的飞行控制系统的结构，设计的方法，仿真验证方法及控制性能的分析，加深对课堂教学内容的理解。二、环境 在windows操作系统下，matlab/simulink下进行设计与仿真。三、内容 （一）飞机纵向飞行控制系统的设计与仿真 （4学时） 1、飞机纵向自然特性的分析与仿真，包括短周期模态，长周期模态的分析，求解阻尼与自然频率，分析开环响应特性。 2、飞机俯仰角控制系统的设计；3、飞机速度控制系统的设计；4、飞机纵向运动的仿真与分析 （二）飞机侧向飞行控制系统的设计与仿真 （4学时） 1、飞机纵向自然特性的分析与仿真，包括滚转模态，荷兰滚及螺旋模态的分析，求解阻尼与自然频率，分析开环响应特性。 2、飞机滚转角控制系统的设计；3、飞机航向控制系统的设计；4、飞机侧向航向协调控制仿真与分析 四要求 1.在matlab下进行编程，系统设计与仿真； 2.撰写实验报告，要求给出设计的参数，实验结果及曲线。 3.报告封面采用模板给定格式。 4.报告需提交打印稿，沿左侧装订。 （一）飞机纵向俯仰角与速度控制系统设计某飞机的纵向线性小扰动方程为： 其中 状态，控制量问题：1、 分析飞机纵向动力学模态，求飞机的长周期与短周期阻尼与自然频率。输入：Wn,z,p=damp(alon)%系统的自然频率、阻尼比和闭环极点输出：Wnzp2.71272.71270.07080.07080.00300.38900.38900.08750.08751.0000-1.0553 + 2.4990i-1.0553 - 2.4990i-0.0062 + 0.0706i-0.0062 - 0.0706i-0.0030 + 0.0000i29表1-1-1p1p2Wn长周期-0.0062 + 0.0706i-0.0062 - 0.0706i0.08750.0708短周期-1.0553+2.4990i-1.0553 - 2.4990i0.38902.7127表1-1-22、 对升降舵及油门单位阶跃输入下的飞机自然特性进行仿真，画出相应的状态曲线。输入：sys=ss(alon,blon,clon,dlon);y,t=step(sys,600);subplot(221)plot(t,y(:,1,1)xlabel(t(s)ylabel(Deltau(m/s)subplot(222)plot(t,y(:,1,2)xlabel(t(s)ylabel(Deltau(m/s)subplot(223)plot(t,y(:,2,1)xlabel(t(s)ylabel(Deltaalpha(deg)subplot(224)plot(t,y(:,2,2)xlabel(t(s)ylabel(Deltaalpha(deg)输入：sys=ss(alon,blon,clon,dlon);y,t=step(sys,600);subplot(221)plot(t,y(:,3,1)xlabel(t(s)ylabel(Deltaq(deg/s)subplot(222)plot(t,y(:,3,2)xlabel(t(s)ylabel(Deltaq(deg/s)subplot(223)plot(t,y(:,4,1)xlabel(t(s)ylabel(Deltatheta(deg)subplot(224)plot(t,y(:,4,2)xlabel(t(s)ylabel(Deltatheta(deg)输入：sys=ss(alon,blon,clon,dlon);y,t=step(sys,600);subplot(221)plot(t,y(:,5,1)xlabel(t(s)ylabel(Deltah(m)subplot(222)plot(t,y(:,5,2)xlabel(t(s)ylabel(Deltah(m)输出：左侧为加入阶跃信号产生的输出，右侧为加入阶跃信号产生的输出图1-2-13、 采用短周期简化方法，求出传递函数。采用根轨迹方法设计飞机的俯仰角控制系统，并进行仿真。输入：A=alon(2:3),(2:3);B=blon(2:3),:);C=clon(2:3),(2:3);D=dlon(2:3),:);n,d=ss2tf(A,B,C,D,1);G=tf(n(2,:),d)输出：= -11.96 s - 13.5-s2 + 2.108 s + 7.354输入：G1=tf(-10,1 10);G2=series(G,G1);sisotool(G2)输出：选取=0.703，可以得到Kp=0.189图1-3-1输入：G3=feedback(G2,0.189);G4=tf(1,1 0);G5=series(G3,G4);sisotool(G5)输出：图1-3-2设计：K=1Simulink仿真：图1-3-3图1-3-44、 基于长周期简化方法，求出传递函数，设计飞机的速度控制系统，并进行仿真。输入：A=alon(1 4,1 4);B=blon(1 4,:);C=clon(1 4,1 4);D=dlon(1 4,:);n,d=ss2tf(A,B,C,D,2);G=tf(n(1,:),d)输出：= 5.295 s-s2 + 0.01811 sSimulink仿真：图1-4-1设计：P=1.5 I=0.1 D=0图1-4-25、 基于纵向线性模型（状态方程），分别对速度控制与俯仰角控制进行仿真。图1-5-1输入：subplot(221)plot(t,x1)xlabel(t(s)ylabel(Deltau(m/s)subplot(222)plot(t,x2)xlabel(t(s)ylabel(Deltatheta(deg)ylabel(Deltaalpha(deg)subplot(223)plot(t,x3)xlabel(t(s)ylabel(Deltaq(deg/s)subplot(224)plot(t,x4)xlabel(t(s)输入：subplot(221)plot(t,x5)xlabel(t(s)ylabel(Deltah(m)在速度通道加入输入信号：图1-5-2在俯仰角通道加入输入信号：图1-5-3（二） 飞机侧向滚转角控制系统设计某飞机的侧向线性小扰动方程为： 其中 状态，控制量 问题：1、 求出侧向运动方程的特征根，及对应的模态，求出荷兰滚模态的阻尼及自然频率。输入：Wn,z,p=damp(alat)%系统的自然频率、阻尼比和闭环极点输出：Wnzp03.04710.01383.23373.2337-1.00001.00001.00000.16120.16120-3.0471-0.0138-0.5213 + 3.1914i-0.5213 - 3.1914i表2-1-1侧向运动方程特征根0螺旋模态-0.0138滚转模态-3.0471荷兰滚模态-0.5213 + 3.1914i；-0.5213 - 3.1914i阻尼0.1612自然频率3.2337表2-1-22、 对副翼与方向舵单位阶跃输入下的自然特性进行仿真。输入：sys=ss(alat,blat,clat,dlat)y,t=step(sys,600)subplot(221)plot(t,y(:,1,1)xlabel(t(s)ylabel(Deltabeta(deg)subplot(222)plot(t,y(:,1,2)xlabel(t(s)ylabel(Deltabeta(deg)subplot(223)plot(t,y(:,2,1)xlabel(t(s)ylabel(Deltap(deg/s)subplot(224)plot(t,y(:,2,2)xlabel(t(s)ylabel(Deltap(deg/s)输入：sys=ss(alat,blat,clat,dlat)y,t=step(sys,600)subplot(221)plot(t,y(:,3,1)xlabel(t(s)ylabel(Deltar(deg/s)subplot(222)plot(t,y(:,3,2)xlabel(t(s)ylabel(Deltar(deg/s)subplot(223)plot(t,y(:,4,1)xlabel(t(s)ylabel(Deltaphi(deg)subplot(224)plot(t,y(:,4,2)xlabel(t(s)ylabel(Deltaphi(deg)输入：sys=ss(alat,blat,clat,dlat)y,t=step(sys,600)subplot(221)plot(t,y(:,5,1)xlabel(t(s)ylabel(Deltapsi(deg)subplot(222)plot(t,y(:,5,2)xlabel(t(s)ylabel(Deltapsi(deg)输出：图 2-2-13、 采用简化方法，求出传递函数。采用根轨迹方法设计飞机的滚转角控制系统，并进行仿真。输入：a1=alat(2,4,2,4)b1=blat(2,4,:)c1=clat(2,4,2,4)d1=dlat(2,4,:)n,d=ss2tf(a1,b1,c1,d1,1)g=tf(n(1,:),d)输出：= -49.29 s - 1.431e-020-s2 + 3.254 s + 9.444e-022输入：g1=tf(-10,1 10)g2=series(g,g1)sisotool(g2)选取=0.701，可以得到Kp=0.115图 2-3-1输入：g3=feedback(g2,0.115);g4=tf(1,1 0);g5=series(g3,g4);sisotool(g5)输出：图 2-3-2设计：K=0.5Simulink仿真：图 2-3-3图 2-3-44、 设计飞机航向控制系统，并进行仿真。输入：a1=alat(1,3,1,3)b1=blat(1,3,:)c1=clat(1,3,1,3)d1=dlat(1,3,:)n,d=ss2tf(a1,b1,c1,d1,2)g=tf(n(2,:),d)g1=tf(-10,1 10)g2=series(g,g1)sisotool(g2)输出：图 2-4-1最大阻尼为0.664，kr=0.333输入：b,a=ss2tf(alat,blat,clat,dlat,2);g4=tf(b(1,:),a);num1=-10;den1=1 10;g1=tf(num1,den1);g=tf(b(3,:),a);g2=0.333*g;g3=feedback(g1,g2);g5=series(g3,g4);sisotool(g5)输出：图 2-4-2设计：K=0.7，K=10图 2-4-3图 2-4-45、 设计飞机方向舵协调控制律，基于侧向线性模型（状态方程），进行航向控制系统的仿真。图 2-5-1发现输出波形不理想，对K进行调整，取8输入：subplot(221)plot(t,x)xlabel(t(s)ylabel(Deltabeta)subplot(222)plot(t,x1)xlabel(t(s)ylabel(Deltap)subplot(223)plot(t,x2)xlabel(t(s)ylabel(Deltar)subplot(224)plot(t,x3)xlabel(t(s)ylabel(Deltaphi)subplot(221)plot(t,x4)xlabel(t(s)ylabel(Deltapsi)输出：图 2-5-2总结本次课程实验花费近15个小时，经过反复修改调整后完成实验任务，在此过程中遇到各种困难和麻烦，也因此收获颇多。实验前，由于自身的理论根底不扎实，在刚接触到题目时非常茫然，不知道要做什么，该怎么展开。即使参考了学长学姐的作业，也不得其意。所有只能先将书本上的知识点大体的梳理一遍后，通过翻阅资料，请教老师，和同学交流沟通，才慢慢理解课程实验正真要做的是，利用根轨迹和PID控制等方式，构建系统模型，完成相应的任务。本次实验，让我认识到理论知识的重要性。在仿真过程中，有的步骤不知道该怎么做，参数该怎么选。在查找资料后发现，许多地方都是上课时老师强调的，而自己却没有引起重视。比如说在设计纵向线性模型时，由于忽视了输入u的顺序，导致输出波形和理想情况出入很大，思考了一个晚上也没有发现问题所在，后来请教了同学，才发现是控制量的位置错颠倒。此外，实践出真知