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1、飞行控制系统课程实验报告 班 级 0314102 学 号 姓 名 孙旭东 成 绩 南京航空航天大学4月 （一）飞机纵向飞行控制系统设计与仿真 1、分析飞机纵向动力学模态，求飞机长周期与短周期阻尼与自然频率。在MATLAB环境下导入数据文献，输入damp(alon),得出成果： 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 -3.16e-002 1.00e+000 3.16e-002 -7.30e-00
2、3 + 3.35e-002i 2.13e-001 3.42e-002 -7.30e-003 - 3.35e-002i 2.13e-001 3.42e-002 长周期根为 -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、对升降舵及油门单位阶跃输入下飞机自然特性进行仿真，画出相应状态曲线。sys=s
3、s(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(Deltaalpha(deg)subplot(221)plot(t,y(:,3,1)xl
4、abel(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)subplot(121)plot(t,y(:,5,1)xlabel(t(s)ylabel(Deltah(m)subplot(122)plot(t,y(:,5,2)xlabel(t(s)y
5、label(Deltah(m) 以上各图为升降舵及油门单位阶跃输入下飞机自然特性行仿真，左边一列为升降舵阶跃输入，右边一列为油门阶跃输入。3、采用短周期简化办法，求出传递函数。采用根轨迹办法设计飞机俯仰角控制系统，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=dlon(2:3),:)n,d=ss2tf(a1,b1,c1,d1,1)g1=tf(n(2,:),d)得到传递函数为 ： -34.17 s - 82.55-s2 + 4.579 s + 22.01根轨迹设计：输入命令：g1=tf(n(2,:),d)g2=
6、tf(-10,1 10)g3=series(g1,g2)sisotool(g3)选用阻尼比为0.55时，根轨迹增益为Kq=0.173g4=feedback(g3,0.173)g5=tf(1,1 0)g6=series(g4,g5)sisotool(g6)同样，可得Kth=1在Simulink中搭建系统仿真模型：进行仿真：4、基于长周期简化办法，求出传递函数，设计飞机速度控制系统，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,:),
7、d)得到传递函数为：7.971 s-s2 + 0.04847 s在Simulink中搭建系统模型：使用经验试凑法得到PID控制器参数：Kp=0.9 Ki=0.2 Kd=0仿真成果如下：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：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)
8、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)得到如下曲线：再在俯仰角通道加阶跃信号，重复以上命令，得到如下曲线： （二）飞机侧向滚转角控制系统设计1、求出侧向运动方程特性根，及相应模态，求出荷兰滚模态阻尼及自然频率。在MATLAB环境下导入数据文献，输入damp(alon),得出成果： Eigenvalue Damping Freq. (rad/s) 0.00e+000 -1.00e+000 0.00e+000 -
9、6.89e+000 1.00e+000 6.89e+000 -1.55e-002 1.00e+000 1.55e-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侧向运动方程特性根为：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）荷兰滚模态阻尼为：1.97e-001自然频率为：5.19e+000(r
10、ad/s)2、对副翼与方向舵单位阶跃输入下自然特性进行仿真sys=ss(alat,blat,clat,dlat)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
11、(deg/s) 得到如下曲线：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)得到如下曲线：subplot(121)plot(t,y(:,5,1)xlabel(t(s)ylabel(D
12、eltapsi(deg)subplot(122)plot(t,y(:,5,2)xlabel(t(s)ylabel(Deltapsi(deg)得到如下曲线：以上各图中左边为副翼输入单位阶跃响应曲线，右边为方向舵输入单位阶跃响应曲线。3、采用简化办法，求出传递函数。采用根轨迹办法设计飞机滚转角控制系统，并进行仿真。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：-135.1 s + 3.894e-020-s2 + 7.19
13、6 s - 2.073e-021根轨迹设计：输入命令：g2=tf(-10,1 10)g3=series(g1,g2)sisotool(g3)选用阻尼比为0.7左右时，得到Kp=0.054再输入：g4=feedback(g3,0.054)g5=tf(1,1 0)g6=series(g4,g5)sisotool(g6)得到Kth=0.211在Simulink中搭建系统模型：输入：plot(t,x1)xlabel(t(s)ylabel(Deltaphi)得到响应曲线：4、设计飞机航向控制系统，并进行仿真。在Simulink中搭建系统仿真模型：运用寻优模块获得：Kps=9.87响应为：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），进行航向控制系统仿真。假设作动器特性为。使用根轨迹办法设计Kr：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)g1=tf(n(2,:),d)g2=tf(-10,1 10)g3=series(g1,g2)sisotool(g3)拟定Kr=0.21在Simulink中搭建如下系统模型：经实验，Kpsi取3.1，Kbeta取-1时响应效果较好。如下为仿真成果：