2022年飞行控制系统大作业 .pdf

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1、飞行控制系统课程实验报告班级 0314102 学号 031410224 姓名孙旭东成绩南京航空航天大学2017年 4 月名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 18 页 -（一）飞机纵向飞行控制系统的设计与仿真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。在 MATLAB 环境下导入数据文件，输入damp(alon),得出结果：Eigenvalue Damping Freq.(rad/s)-2.29e+000+4.10e+000i 4.88e-001 4.69e+000 -2.29e+000-4.10e+000i 4.88e-001 4.69e+000

2、 -3.16e-002 1.00e+000 3.16e-002 -7.30e-003+3.35e-002i 2.13e-001 3.42e-002 -7.30e-003-3.35e-002i 2.13e-001 3.42e-002 长周期的根为 -7.30e-003+3.35e-002i 和-7.30e-003-3.35e-002i 阻尼为 2.13e-001 自然频率为 3.42e-002(rad/s)短周期的根为 -2.29e+000+4.10e+000i 和-2.29e+000-4.10e+000i 阻尼为 4.88e-001 自然频率为 4.69e+000(rad/s)2、对升降舵及油

3、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。sys=ss(alon,blon,clon,dlon)y,t=step(sys,500)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(Deltaalph

4、a(deg)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 18 页 -0200400600-10-505t(s)q(deg/s)0200400600-4-2024t(s)q(deg/s)0200400600-150-100-50050t(s)(deg)0200400600-50050100t(s)(deg)0200400600-2000200400t(s)u(m/s)0200400600-6-4-20t(s)(deg)0200400600-2000200400t(s)u(m/s)0200400600-2024t(s)(deg)subplot(221)plot(t,y(:,3,1

5、)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)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 18 页 -subplot(121)plot(t,y(:,5,1)xlabel(t(s)ylabel(Deltah(m

6、)subplot(122)plot(t,y(:,5,2)xlabel(t(s)ylabel(Deltah(m)0200400600-0.500.511.522.5x 104t(s)h(m)0200400600-2.5-2-1.5-1-0.50 x 104t(s)h(m)以上各图为升降舵及油门单位阶跃输入下的飞机自然特性行仿真，左边一列为升降舵的阶跃输入，右边一列为油门的阶跃输入。3、采用短周期简化方法，求出传递函数()eqGs。采用根轨迹方法设计飞机的俯仰角控制系统，并进行仿真。输入命令：a1=alon(2:3),(2:3)b1=blon(2:3),:)c1=clon(2:3),(2:3)d1

7、=dlon(2:3),:)n,d=ss2tf(a1,b1,c1,d1,1)g1=tf(n(2,:),d)得到传递函数()eqGs 为：-34.17 s-82.55-s2+4.579 s+22.01 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 18 页 -根轨迹设计：输入命令：g1=tf(n(2,:),d)g2=tf(-10,1 10)g3=series(g1,g2)sisotool(g3)10-1100101102103-180-135-90-45045P.M.:107 degFreq:5.6 rad/secFrequency(rad/sec)Phase(deg)-80-60

8、-40-200G.M.:InfFreq:InfStable loopOpen-Loop Bode E ditor for Open Loop 1(OL1)Magnitude(dB)-10-8-6-4-20-25-20-15-10-50510152025Root Locus E ditor for Open Loop 1(OL1)Real AxisImagAxis选取阻尼比为 0.55 时，根轨迹增益为Kq=0.173 10-1100101102103-180-135-90-45045P.M.:95.4 degFreq:6.29 rad/secFrequency(rad/sec)Phase(de

9、g)-80-60-40-20020G.M.:InfFreq:InfStable loopOpen-Loop Bode E ditor for Open Loop 1(OL1)Magnitude(dB)-10-8-6-4-20-25-20-15-10-50510152025Root Locus E ditor for Open Loop 1(OL1)Real AxisImagAxisg4=feedback(g3,0.173)g5=tf(1,1 0)g6=series(g4,g5)sisotool(g6)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 18 页 -10-1100101

10、102103-270-225-180-135-90-45P.M.:82.9 degFreq:3.18 rad/secFrequency(rad/sec)Phase(deg)-120-100-80-60-40-2002040G.M.:10.2 dBFreq:10 rad/secStable loopOpen-Loop Bode Editor for Open Loop 1(OL1)Magnitude(dB)-35-30-25-20-15-10-50510-25-20-15-10-50510152025Root Locus Editor for Open Loop 1(OL1)Real AxisI

11、magAxis同样，可得 Kth=1 在 Simulink中搭建系统仿真模型：num(s)den(s)Transfer Fcn1-10s+10Transfer Fcnx1To Workspace1tTo WorkspaceStepScope1sIntegrator-K-Gain21GainClock进行仿真：01234567891000.20.40.60.81t(s)(deg)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 18 页 -01234567891000.20.40.60.811.21.4ut(s)4、基于长周期简化方法，求出传递函数()TuGs，设计飞机的速度控制系统

12、，并进行仿真。输入命令：a1=alon(1,4,1,4)b1=blon(1,4,:)c1=clon(1,4,1,4)d1=dlon(1,4,:)n,d=ss2tf(a1,b1,c1,d1,2);g1=tf(n(1,:),d)得到传递函数为：7.971 s-s2+0.04847 s 在 Simulink中搭建系统模型：7.971ss +0.04847s2Transfer Fcn110s+10Transfer Fcnx1To Workspace1tTo WorkspaceStepScopePIDPID ControllerClock使用经验试凑法得到PID 控制器参数：Kp=0.9 Ki=0.2

13、Kd=0 仿真结果如下：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 18 页 -5、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。在 Simulink中搭建仿真模型：-10s+10Transfer Fcn110s+10Transfer Fcnxx2To Workspace7xx1To Workspace6x4To Workspace5x3To Workspace4x2To Workspace3x1To Workspace2x5To Workspace1tTo WorkspaceStepx=Ax+Bu y=Cx+DuState-SpacePIDPID Con

14、troller-K-Gain11GainClock先在速度通道加阶跃信号，输入命令：subplot(221)plot(t,x1)xlabel(t(s)ylabel(Deltau(m/s)subplot(222)plot(t,x2)xlabel(t(s)ylabel(Deltaalpha(deg)subplot(223)plot(t,x3)xlabel(t(s)ylabel(Deltaq(deg/s)subplot(224)plot(t,x4)xlabel(t(s)ylabel(Deltatheta(deg)和plot(t,x5)xlabel(t(s)ylabel(Deltah(m)得到以下曲线

15、：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 18 页 -0246810-1.5-1-0.50t(s)h(m)0510-0.015-0.01-0.0050t(s)u(m/s)0510-0.500.51t(s)(deg)0510-10123t(s)q(deg/s)051000.511.5t(s)(deg)051000.511.5t(s)u(m/s)0510-0.4-0.200.20.4t(s)(deg)0510-4-2024t(s)q(deg/s)0510-0.200.20.40.6t(s)(deg)再在俯仰角通道加阶跃信号，重复以上命令，得到如下曲线：名师资料总结-精品资料欢

16、迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 18 页 -0246810-30-20-10010t(s)h(m)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 18 页 -（二）飞机侧向滚转角控制系统设计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。在 MATLAB 环境下导入数据文件，输入damp(alon),得出结果：Eigenvalue Damping Freq.(rad/s)0.00e+000 -1.00e+000 0.00e+000 -6.89e+000 1.00e+000 6.89e+000 -1.55e-002 1.00e+000 1.55e

17、-002 -1.02e+000+5.08e+000i 1.97e-001 5.19e+000 -1.02e+000-5.08e+000i 1.97e-001 5.19e+000 侧向运动方程的特征根为：0.00e+000（航向随遇平衡模态）-1.55e-002（螺旋模态）-1.02e-001+5.08e+000i，-1.02e-001 5.08e+000i（荷兰滚模态）-6.89e+000（侧向滚转收敛模态）荷兰滚模态的阻尼为：1.97e-001 自然频率为：5.19e+000(rad/s)2、对副翼与方向舵单位阶跃输入下的自然特性进行仿真sys=ss(alat,blat,clat,dlat)

18、y,t=step(sys,400)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)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 18 页 -得到以下曲线：0100

19、200300400-3-2-101t(s)(deg)0100200300400-0.500.511.5t(s)(deg)0100200300400-30-20-100t(s)p(deg/s)0100200300400-15-10-50t(s)p(deg/s)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(d

20、eg)subplot(224)plot(t,y(:,4,2)xlabel(t(s)ylabel(Deltaphi(deg)得到以下曲线：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 18 页 -0100200300400-2.5-2-1.5-1-0.50 x 104t(s)(deg)0200400-14000-12000-10000-8000-6000-4000-20000t(s)(deg)0100200300400-80-60-40-200t(s)r(deg/s)0100200300400-40-20020t(s)r(deg/s)0100200300400-1500-100

21、0-5000t(s)(deg)0100200300400-800-600-400-2000t(s)(deg)subplot(121)plot(t,y(:,5,1)xlabel(t(s)ylabel(Deltapsi(deg)subplot(122)plot(t,y(:,5,2)xlabel(t(s)ylabel(Deltapsi(deg)得到以下曲线：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 18 页 -以上各图中左边为副翼输入单位阶跃响应的曲线，右边为方向舵输入单位阶跃响应的曲线。3、采用简化方法，求出传递函数()apGs。采用根轨迹方法设计飞机的滚转角控制系统，并进行

22、仿真。输入命令：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)g1=tf(n(1,:),d)得到所求传递函数()apGs：-135.1 s+3.894e-020-s2+7.196 s-2.073e-021 根轨迹设计：输入命令：g2=tf(-10,1 10)g3=series(g1,g2)sisotool(g3)10-1100101102103-180-135-90-450P.M.:166 degFreq:0.998 rad/secFrequency(rad/sec)Pha

23、se(deg)-80-60-40-20020G.M.:InfFreq:InfUnstable loopOpen-Loop Bode E ditor for Open Loop 1(OL1)Magnitude(dB)-15-10-505-10-8-6-4-20246810Root Locus E ditor for Open Loop 1(OL1)Real AxisImagAxis选取阻尼比为 0.7 左右时，得到 Kp=0.054 再输入：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 18 页 -g4=feedback(g3,0.054)g5=tf(1,1 0)g6=seri

24、es(g4,g5)sisotool(g6)10-1100101102103-270-225-180-135-90P.M.:76.5 degFreq:1.96 rad/secFrequency(rad/sec)-120-100-80-60-40-20020G.M.:18.8 dBFreq:12 rad/secUnstable loopOpen-Loop Bode E ditor for Open Loop 1(OL1)-30-20-10010-25-20-15-10-50510152025Root Locus E ditor for Open Loop 1(OL1)Real Axis得到 Kth

25、=0.211 在 Simulink 中搭建系统模型：num(s)den(s)Transfer Fcn1-10s+10Transfer Fcnx1To Workspace1tTo WorkspaceStepScope1sIntegrator-K-Gain21GainClock名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 18 页 -输入：plot(t,x1)xlabel(t(s)ylabel(Deltaphi)得到响应曲线：01234567891000.10.20.30.40.50.60.70.80.91t(s)4、设计飞机航向控制系统，并进行仿真。在 Simulink中搭建系

26、统仿真模型：9.8150sTransfer Fcn2num(s)den(s)Transfer Fcn1-10s+10Transfer Fcnx1To Workspace1tTo WorkspaceStepSignal ConstraintScope1sIntegrator-K-Gain2-K-Gain1kpsGainClock利用寻优模块取得：Kps=9.87 响应为：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 18 页 -10-2100102104-180-135-90-4504590P.M.:67.3 degFreq:8.27 rad/secFrequency(rad/

27、sec)-80-60-40-20020G.M.:I nfFreq:InfStable loopOpen-Loop Bode Editor for Open Loop 1(OL1)-10-8-6-4-20-40-30-20-10010203040R oot Locus Editor for Open Loop 1(OL1)R eal Axis012345678910-0.200.20.40.60.811.2t(s)(deg)5、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。假设作动器特性为1010s。使用根轨迹的方法设计Kr：a1=alat(1,3,1,3)b1

28、=blat(1,3,:)c1=clat(1,3,1,3)d1=dlat(1,3,:)n,d=ss2tf(a1,b1,c1,d1,2)g1=tf(n(2,:),d)g2=tf(-10,1 10)g3=series(g1,g2)sisotool(g3)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 18 页 -024681000.20.40.60.81t(s)(deg)0510-0.0500.050.10.15t(s)(deg)0510-1001020t(s)p(deg/s)051000.20.40.60.8t(s)r(deg/s)051002468t(s)(deg)确定 Kr=0

29、.21 在 Simulink中搭建如下系统模型：-10s+10Transfer Fcn1-10s+10Transfer Fcnx4To Workspace5x3To Workspace4x2To Workspace3x1To Workspace2x5To Workspace1tTo WorkspaceStepx=Ax+Bu y=Cx+DuState-Space-K-Gain4-K-Gain33.1Gain2-K-Gain1-1GainClock经试验，Kpsi 取 3.1，Kbeta 取-1 时的响应效果较好。以下为仿真结果：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 18 页 -