使用Simulink 和Stateflow成建模、仿真和飞行控制设计_吴菁完

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© 2013 The MathWorks, Inc. 1

基于Simulink/Stateflow对飞机进行建模、仿真和飞行控制的设计

吴菁高级应用工程师

© 2013 The MathWorks, Inc. 2

内容议程

飞行控制系统基于模型的设计流程飞行器动力学系统及环境的建模– Aerospace Toolbox(DATCOM导入)– Aerospace Blockset(飞行方程及环境模型)–模块化设计(Variant Manager)

控制器的开发–

PID Tuner

–––

Stateflow三维可视化 SDI Simulink Coder Embedded Coder

代码生成(控制算法)––

我问你答答对有奖

飞行控制系统基于模型的设计流程1.确定飞行器的几何形状，包括机翼和机尾翼型特性，以及操控面定型和几何尺寸

2.确定飞行器的空气动力学特性 3.创建仿真环境来验证设计

4.设计飞行控制率

5.创建硬件在环系统来测试实时性能

6.创建硬件和软件，进行飞行测试

7.飞行数据分析和可视化

设计一个轻量级的飞机:目标

模拟飞机的动力学系统– DATCOM软件计算空气动力学–三自由度的纵向飞行动力学–风,阵风,湍流和地心引力

设计两种飞行模式的飞控系统––––高度跟踪最大推力爬升自动PID调节模式切换的可视化

三维可视化效果– Simulink与FlightGear的接口

Step1:飞机动力学系统的建模

所用到的工具：航空航天工具箱和航空航天模块库

主要功能–模拟、仿真和分析航空器、航天器和推进系统的工具

优势–可以快速仿真、可视化分析航空航天系统

关键特性– DATCOM导入和Simulink接口–具有固定或可变质量的三自由度和六自由度运动方程–基于气动系数的推力和力矩–标准参考模型，比如WGS84、国际标准大气模型、NRLMSISE-00大气模型、德莱顿风湍流模型– FlightGear 3D可视化接口

Simulink中的模块化设计管理设计中的不同备选方案

不同发动机的选择

针对多种可选方案我们该如何设计软件?不同的外形尺寸不同的飞机动力学模型描述不同的控制器

困难:如何转换和配置？各种可能的组合！传感器执行机构外形尺寸发动机软件模型一

模型二

模型三模型四模型五模型六…… 10

解决方案:在同一个模型中管理不同的设计方案

模型多样化,变种子系统变种管理器

较少的模型 容易在多个模型中切换 较少的错误 用单一的代码库来配置软件

Simulink中的模块化设计管理设计的备选方案我们今天应该采取什么行动？ 汽车、军工和工业界的用户使用Simulink改进的模块化设计能力来管理设计多样性模块化设计的优势? 用更少的模型表达和管理更多的组成 更

方便和完整的代码生成

有奖问答1

关于Variant Subsystem和 Configurable Subsystem,下面那些说法是正确的？– A:它们都可以集成子系统的不同描述和结构– B: Configurable Subsystem必须用在库模型中– C:可以通过Variant Manager管理Variant Subsystem中的各种模型变种– D: Variant Subsystem必须用在库模型中

Step2:设计两种飞行模式的飞控系统

设计两种飞行模式的飞控系统

高度跟踪–跟踪指定高度信号

最大推力爬升–校正空速

自动PID调节––– PID模块 Simulink控制设计‘调节’按钮用于带宽、增益/相位裕度、阶跃和波特响应的调节

飞行模式––– Stateflow用于简化逻辑和状态的实现仿真过程中的状态可视化基于时间转换条件的实现

所用到的工具：Stateflow

使用状态机和流程图来开发，扩展了Simulink的设计环境设计的系统包括控制、监控逻辑和运行模式调度等用一种自然和可理解的形式来描述逻辑，使用的是确定性的执行语义