MATLAB軟件在偏航控製係統設計中的應用
信息技術
作者：餘泉 馮瑞娜
摘 要 本文利用MATLAB及其所帶的SIMULINK工具箱強大的數值仿真和數據處理能力，根據經典控製理論中根軌跡法，采用內外回路的反饋控製係統對飛機的偏航控製係統進行設計，調節航向運動的阻尼比和無阻尼固有頻率，使飛機的航向模態滿足飛行品質規範的要求。 提高飛行控製係統的設計水平縮短設計時間。
關鍵詞 偏航控製；MATLAB；仿真
中圖分類號V1 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2013）85-0221-01
0引言
為了提高飛機的機動性，僅僅依靠改變飛機的氣動外形布局已經不能滿足飛行品質規範的要求。飛行品質規範要求在整個飛行包線內，高機動性飛機均應具有良好的模態特性，尤其對橫航向的荷蘭滾模態和滾轉模態特性都提出了嚴格的要求，因此常規飛機僅靠改變氣動外形很難達到，要解決這個問題，隻能借助於飛行控製係統。如何將控製理論應用到飛行力學領域內，實現飛機的飛行控製一直是我們研究的重點，目前適用於飛行控製的設計方法有兩大類，分別是經典控製與現代控製。對於單變量和弱藕合的多變量係統，普遍采用經典設計方法，而對於強藕合的多變量係統，則多采用現代控製技術。迄今為止，多數飛控係統的控製律主要是利用經典的單回路頻域或根軌跡方法設計的。
在進行飛行控製係統控製律設計的時候，MATLAB 軟件是我們常用的一款軟件，MATLAB 軟件廣泛應用於信號和圖像處理、通訊、控製係統設計等領域，尤其在數值分析、矩陣計算及係統的建模和仿真方麵有強大的功能。其所帶的SIMULINK工具箱在進行飛行控製係統建模和仿真時為我們提供了一個功能強大的可視化環境。本文完成利用MATLAB軟件對飛機的偏航控製係統進行設計的案例。根據經典控製理論中根軌跡法，采用內外回路的反饋控製設計對飛機的偏航控製係統進行校正，調節航向運動的阻尼比和調節時間，使飛機的航向模態滿足飛行品質規範的要求。
1偏航運動設計參數要求
設飛機偏航運動的運動方程為：，其中=2.0s-2，Nr=-0.5s-1，=-10s-2，設計一個航向控製係統使得模型具有下麵的閉環性能，即=0.6，ts≤2.5s. 假設方向舵伺服機構傳遞函數為。
2 利用matlab軟件對係統進行設計
對方程進行拉普拉斯變換後，可以得到該機偏航運動的傳遞函數：。由於要同時滿足阻尼比和調節時間的要求，故要采用多回路的設計思想，給內環加一個速率反饋。采用偏航角速率作為內反饋，偏航角外反饋的方法。首先進行內反饋設計，求出內環向前通路的開環傳遞函數：。
利用matlab軟件調節內回路的反饋增益，得到合適的閉環極點。再以該閉環極點作為整個係統的開環極點，進行外回路設計。取內反饋的增益k1=2.1，則可知道內環閉環傳遞函數的三個極點分別-6.8284、-2.5和-1.1716。內環係統的閉環傳遞函數為：。
接著進行外回路設計，由於=0.6，在根軌跡圖上畫出阻尼等於0.6的直線，即與實軸負方向的夾角，另外調節時間ts≤2.5s，則無阻尼固有頻率大於2.3，畫一個以2.3為半徑的圓，選擇外回路的合適增益，使得閉環特征根與阻尼比等於0.6的直線相交，並且位於圓外。設計好後係統的根軌跡。外環增益選取11.2，則係統滿足設計性能要求。
3 係統仿真
係統的單位階躍響應中超調量為6%，調節時間2.5s。係統響應性能良好。
4 結論
利用Matlab及其所帶的simulink工具箱強大的數值仿真和數據處理能力，可以幫助工程技術人員在相關領域進行控製係統設計。本文利用matlab軟件對飛機的偏航控製係統進行設計，使其滿足飛行品質規範的要求。
參考文獻
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