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摘 要 本文利用MATLAB及其所带的SIMULINK工具箱强大的数值仿真和数据处理能力,根据经典控制理论中根轨迹法,采用内外回路的反馈控制系统对飞机的偏航控制系统进行设计,调节航向运动的阻尼比和无阻尼固有频率,使飞机的航向模态满足飞行品质规范的要求. 提高飞行控制系统的设计水平缩短设计时间.
关 键 词 偏航控制；MATLAB；仿真
中图分类号V1 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）85-0221-01
0引言
为了提高飞机的机动性,仅仅依靠改变飞机的气动外形布局已经不能满足飞行品质规范的要求.飞行品质规范要求在整个飞行包线内,高机动性飞机均应具有良好的模态特性,尤其对横航向的荷兰滚模态和滚转模态特性都提出了严格的要求,因此常规飞机仅靠改变气动外形很难达到,要解决这个问题,只能借助于飞行控制系统.如何将控制理论应用到飞行力学领域内,实现飞机的飞行控制一直是我们研究的重点,目前适用于飞行控制的设计方法有两大类,分别是经典控制与现代控制.对于单变量和弱藕合的多变量系统,普遍采用经典设计方法,而对于强藕合的多变量系统,则多采用现代控制技术.迄今为止,多数飞控系统的控制律主要是利用经典的单回路频域或根轨迹方法设计的.
在进行飞行控制系统控制律设计的时候,MATLAB 软件是我们常用的一款软件,MATLAB 软件广泛应用于信号和图像处理、通讯、控制系统设计等领域,尤其在数值分析、矩阵计算及系统的建模和仿真方面有强大的功能.其所带的SIMULINK工具箱在进行飞行控制系统建模和仿真时为我们提供了一个功能强大的可视化环境.本文完成利用MATLAB软件对飞机的偏航控制系统进行设计的案例.根据经典控制理论中根轨迹法,采用内外回路的反馈控制设计对飞机的偏航控制系统进行校正,调节航向运动的阻尼比和调节时间,使飞机的航向模态满足飞行品质规范的要求.
1偏航运动设计参数要求
设飞机偏航运动的运动方程为：,其中等于2.0s-2,Nr等于-0.5s-1,等于-10s-2,设计一个航向控制系统使得模型具有下面的闭环性能,即等于0.6,ts≤2.5s. 假设方向舵伺服机构传递函数为.
2.利用matlab软件对系统进行设计
对方程进行拉普拉斯变换后,可以得到该机偏航运动的传递函数：.由于要同时满足阻尼比和调节时间的要求,故要采用多回路的设计思想,给内环加一个速率反馈.采用偏航角速率作为内反馈,偏航角外反馈的方法.首先进行内反馈设计,求出内环向前通路的开环传递函数：.
利用matlab软件调节内回路的反馈增益,得到合适的闭环极点.再以该闭环极点作为整个系统的开环极点,进行外回路设计.取内反馈的增益k1等于2.1,则可知道内环闭环传递函数的三个极点分别-6.8284、-2.5和-1.1716.内环系统的闭环传递函数为：.
接着进行外回路设计,由于等于0.6,在根轨迹图上画出阻尼等于0.6的直线,即与实轴负方向的夹角,另外调节时间ts≤2.5s,则无阻尼固有频率大于2.3,画一个以2.3为半径的圆,选择外回路的合适增益,使得闭环特征根与阻尼比等于0.6的直线相交,并且位于圆外.图2为设计好后系统的根轨迹.外环增益选取11.2,则系统满足设计性能要求.
3.系统仿真
系统的单位阶跃响应中超调量为6%,调节时间2.5s.系统响应性能良好.
4.结论
利用Matlab及其所带的simulink工具箱强大的数值仿真和数据处理能力,可以帮助工程技术人员在相关领域进行控制系统设计.本文利用matlab软件对飞机的偏航控制系统进行设计,使其满足飞行品质规范的要求.