直升机飞控系统集成仿真平台开发

a, e, p
M atlab 引擎是一系 列允许 用户 在别的 程序 中与 M atlab ] 交互的函数库和 程序 库 [ 6] , M a tlab 引擎 工作 在后 台 , 比起 其 它由外部程序调用 M atlab 的方式 , 直接调用 M atlab 引擎的方 法高效、 灵活 , 功能 更 加全 面。 仿真 平 台 实 际是 对 M a tlab / Si m ulink 通过 M atlab 引擎 进行 封装 , 设计 数据 传输 接 口 , 命 令传输接口 , 模型 运行管 理模 块和 三维可 视化 模块 , 使得 仿 X = A X +B U ( 2) 真平台主程序可 以方 便地控 制 S i m u link 仿 真模 型的 运行 并 进行三维可视化显示 , 这 些接 口和功 能模 块主要 通过 VC + + 调用 M a tlab 和 V eg a提 供的 C + + AP I 函数 的 形式 实现。 仿真系统主程序通过引擎访问 接口访问 S i m ulink 仿 真模块 , 进行动态的命令和数 据交 互 , 模型运 行管 理模块 控制 Si mu link 仿真模型的运行 , 可视 化模块 通过仿 真主程 序实时 接收 Si m ulink 仿真运算结果进行 三维可视化显示。
1 2 2 3
( 1. Co lleg e o fM echatronic Eng inee ring and Autom ation, N ationa lU n iversity o f D efense T echno logy ,
பைடு நூலகம்1 引言
现代直 升机以 其独特 的环境 适应性 在军事 和民用领 域 得到了广泛应用 , 但直升 机系 统本身 具有 高阶 非线性、 轴间 耦合复杂、 静不稳定等特点 , 在飞行的时 候 , 还 会遇到诸 如风 向突变等外部干扰以及设备性能改变 等不确定因 素的影响。 同时 , 为了适应各 种具体 任务 及其所 对应 的实 际环境 , 直 升 机还需要优良的操 纵性 能和大 机动 飞行特 性。作 为直升 机 的核心 , 飞行控制 系统 对直升 机的 性能具 有决 定性的 影响 , 因此设计、 开发性 能完善、 运 行可 靠的飞 行控 制系 统一直 是
2 直升机飞行控制系统设计开发概述
[3 , 4]
1 所示。
在忽略弹性振动及变形的情况下 , 直升机 的运动可 以看 成是六 个自由 度的刚 体运动。对 于直升 机的 6 个运动自 由 度 , 只有 4 个 直接 的 飞行 操 纵 ( 不 包括 对 发 动 机转 速 的 控 制 ): 总距
c
( 垂 向 升降 ) 、 横 向 周期 变 距
3 直升机飞行控制系统仿真平台方案设计
从仿真支撑工具开发的角度而言 , 本平 台主要从两 个角 度对 M a tlab /S i m ulink 进行功 能扩 展 : 一是三 维可 视化 , 实 现 仿真结果的实时三 维可视 化显 示 ; 二是仿 真管 理 , 基于控 制 菜单方便的实现暂停、 回退 , 动态的修 改模型参数 , 数据 的实 时保存、 察看等仿真进程的控制 。仿真平台 的系统结构 如图
收稿日期 : 2008- 12 - 20 修回日期 : 2009 - 02 - 02
也新添了虚拟现实工 具箱 ( VR too lbox ), 但其 三维 可视化 功
64
能及效果与专业可视化工具相比尚 有较大差距。 当前 , 各种 三维视景仿真系统 , 一般 采用 分布式 结构 , 通 过复 杂的共 享 内存、 S 函数串口通信或专 用中间 件实现 仿真计 算与视景 显 示的互连 , 开 发工作量 大 , 多应用 于后期 的演示、 培训 , 不 适 用于前期的设计开发工作需求 , 而且随着计算 机硬件处 理速 度的飞速发展 , 一台 PC 机也完 全可以 同时胜 任一 般的实 时 仿真计算与视景显示任务。 V ega是应用于实时视景仿真、 虚 拟现实及其他可视化领域的、 世界领先的软件 环境 , 基于 V C + + 开发环境 , 可以满足可 视化领域开发人员 所要求的 最大 限度的灵活性和功能定制。因此 , 基于 M a tlab /Si m ulink 和三 维视景 仿真 软 件 V ega , 在一 台 PC 机 上开 发 一个 集仿 真 管 理、 控制算法设计 与优化、 三 维可 视化于 一体 的直 升机飞 行 控制系统仿真平台 , 满足 各种 仿真任 务需 求 , 为直 升机飞 行 控制系统的设计开发提供集成平台支持 , 可使 设计人员 集中 于飞行控制系统的开 发 , 提高 系统开 发效 率 , 在实 际系统 设 计开发过程中具有重要的实用价值。
具备以下三项基本 功能 : 增稳 , 调 整或 消除飞 机轴 间的交 叉 耦合效应 , 对输 入 指令 的 良好 响应。 直升 机飞 行 品质 规 范 ADS- 33[ 5] 定义了直 升机 的不 同飞 行模 态 , 种类 繁多 , 可 将 不同飞 行 模 态 分 解 为 三 种 基 本 类 型 : 姿 态 角 速 率 指 令 ( RCAH ) 、 姿 态角 指令 ( ACAH ) 和 速度 向 量指 令 ( TRCPH ), 基于上述三种基本 模态 进行飞 行控 制系 统的设 计开 发。在 控制律设计开发过 程中 , 需要 不断 地调整 有关 参数 , 最终 实 现优化设计。在完成控制律设计开发 后 , 还 需要进行全 包线 飞行仿真 , 以进一步验 证、 完善飞行控 制系统 , 同时给出 飞行 品质评价。
第 27 卷
第 3期
计
算
机
仿
真
2010 年 3 月
文章编号 : 1006- 9348 ( 2010 ) 03- 0064 - 05
直升机飞控系统集成仿真平台开发
李石磊 , 梁加红 , 刘欣添 , 张
1 1 2
勇
3
( 1. 国防科技大学机电工程与自动化学院 , 湖南 长沙 410073 ; 2 . 东北大学信息科学与工程学院 , 辽宁 沈阳 110004 ; 3 . 南京航空航天大学振动工程研究所 , 江苏 南京 210016) 摘要 : 研究直升机飞行控制系统的设计开发需求 , 根据系统集成的开发理念 , 实现 V C + + 开发环境下 M atlab / S i m ul ink和三 维实时视景仿真软件 V ega的综合集成 , 利用现有成熟软件工具 , 在一台普通 PC 机上开发了一个集仿真管理、 控制算法设计 与优化、 三维可视化于一体的直升机飞行控制系统仿真平台 , 对直 升机飞行控制 系统的设计开发 提供集成平 台支持。集成 平台可充分满足用户的仿真任务需求 , 可提高系统开发效率 , 同时具 有通用的集成开 发思路对类似 系统研制和开 发具有一 定的参考价值。 关键词 : 飞行控制 ; 仿真平台 ; 集成 ; 视景仿真 ; 直升机 中图分类号 : TP391 . 9 文献标识码 : B
a
(左 右 侧 移 , 滚
p
动 )、 纵向周期变距 性动力学系统 :
尾桨 距 e ( 前后 进退 , 俯 仰 ) 、
( 偏航 转
向 ), 各个控制通道之间耦合严重 , 直升机是一 个复杂的 非线
X = f ( t, X, U )
( 1)
图 1 直行机飞行控制系统仿真平台总体框图
其中 X = [X B ; X F ; X V ] 表征 直升机动力学方程的全部状 态量 , 分别为机体运动量 X B 、 旋翼挥舞运 动量 X F 和诱导速度 X V, 操纵量。 U = [ c,
Integrated Si m ulation P latfor m for H elicopter F light Control System
L I Sh i- le i , L I ANG J ia- hong , L I U X in- tian , ZHANG Yong
Changsha H unan 410073 , Ch ina ; 2. College o f In fo r m ation Sc ience and Eng ineering , N ortheastern U niversity , Shenyang L iaon ing 110004, Ch ina ; 3. Institution of V ibrating Eng ineer , N an jing U niversity of A e ronautics and A stronautics , N anjing Jiangsu 210016, China) ABSTRACT: A cco rding to the design and deve lopm ent requ irem ents for he licopte r flight con tro l syste m and based on the conception of system integration, the integ ration o fM a tlab /Si m ulink and the rea l- ti m e three- d i m ensiona l v isu a liza tion si m ulation so ftwa re V ega is realized to prov ide the si m u lation p la tfor m fo r the des ign o f he licopte r flight con tro l sy stem under the VC + + deve lop ing environment . Based on co mm erc ially ex isting soft w are , the integ ra ted si mu lation platfo r m for helicopter flight con tro l sy stem wh ich co m bines si m ulation m anag e m ent , contro l algor ithm s des ign and opti m iza tion and three di m ension v isua lization toge ther is rea lized in one PC. T he integ rated si m u la tion platfo r m can satisfy diffe rent kinds o f si m ulation require m en ts and i m prove the deve lopm ent efficiency of he licopter flight con tro l sy stem g rea tly . T he integrated developm ent m ethod has a h igh genera lity and can be used in the deve lopm ent o f o ther si m ilar systems. K EYW ORDS : F light contro ; l Si m u lation p latfor m; Integration; V isual s i m u lation; H e licopte r