飛機下滑定高控制GUI設計與仿真實驗

曲東才， 盧建華， 謝孔樹

(1. 海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001；2. 91515部隊，海南 三亞 572016)

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飛機下滑定高控制GUI設計與仿真實驗

曲東才1， 盧建華1， 謝孔樹2

(1. 海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001；2. 91515部隊，海南 三亞 572016)

為提高控制系統結構設計的高效性及其控制規律實驗室仿真驗證的直觀性，設計一個圖形用戶界面(GUI)實現對所設計控制系統結構的顯示、控制規律參數的輸入、調整及控制性能的輸出是一種重要途徑，也是節約實驗成本、提高學員學習興趣、培養其分析問題和解決問題能力的重要舉措。為此基于Matlab提供的GUI程序開發環境Guide及其自身的Simulink仿真建模功能，以飛機下滑定高控制方案為例，設計了該方案的GUI，并基于所設計的GUI對該方案實現了仿真驗證。仿真驗證表明，該GUI層次分明、簡潔方便、功能多樣，可方便、快捷的對所設計控制方案的仿真研究。

下滑定高控制； 軌跡設計； PID； GUI設計與實現

0 引 言

飛機下滑定高控制系統是飛機著陸和定高飛行的一種重要功能系統，一般著陸前飛機需做低空定高飛行，并要求其下滑定高控制精度高、改平迅速、過載適當、動/靜態性能良好。為達到此要求，不僅需要建立結構合理的下滑定高控制方案，還要設計性能優異的控制規律，因此需對所設計的下滑定高控制系統方案進行實驗室條件下的大量調試和仿真驗證。為了在實驗室條件下對控制方案設計、調試和仿真驗證的簡潔方便，設計了一種飛機下滑定高控制的仿真圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI)，并對所建立的飛機下滑定高控制方案及其相關控制規律進行了高效仿真研究。

1 飛機下滑定高控制方案及控制規律

飛機下滑定高控制系統通常是通過控制飛機升降舵來改變飛機俯仰姿態，進而達到縱向航跡即飛行高度的改變，并基于相關控制規律，對給定高度實施穩定與控制，實現飛機低空定高飛行。至今出現多種飛機下滑定高控制方案[1-2]，本文主要對分別加入俯仰角信號和延遲接通定高系統這一控制方案實施GUI的設計與實現。其設計的控制方案結構如圖1所示[3-5]。

圖1 控制系統結構方案

當系統不設PID環節時，設tdg(>0)時刻接通定高系統，則此時信號的作用可分為兩個階段：改平階段(0≤t

(1)

飛機改平階段主要是利用俯仰角控制回路控制飛機的姿態角改變，從而改變航跡傾斜角使飛行軌跡發生變化，控制飛機下滑降低高度。而在定高階段，飛行的實際高度基本達到了預定范圍內，但由于阻尼不足，飛機定高軌跡有可能還不穩定，即飛機在作衰減性的沉浮運動，這時需要接入定高環節，以穩定飛機的高度。

當系統設置PID補償環節時，如在定高階段，其控制規律修改如式(2)形式[3]，[6-8]：

(2)

2 下滑定高控制軌跡設計

在縱向平面內，飛機下滑定高控制軌跡設計如下：飛機按圖2所示軌跡由高空下滑至100 m高度左右，并在100 m高度上作低空定高飛行。即由圖2中(a)所示的姿態下滑，到達某高度A點進行改平，然后按圖2中(b)所示的姿態作100 m定高飛行[2-3，9-10]。

圖2 下滑定高控制軌跡圖

飛機在下滑狀態(a)時具有Va=V0、θa=θ0、αa=α0、?a=?0、δza=δz0。在飛機按圖示軌跡下滑過程中，要求改平時間小于5 s，迎角變化量不大于5度，并超調量較小。

由于改平過程中速度與高度變化不大，認為改平后飛機具有與下滑狀態相同的動力學特性。要控制飛機從下滑姿態(a)到改平姿態(b)的軌跡符合要求，需控制飛機的航跡傾斜角θ發生改變，使其由θ0變到0，即Δθ=|θ0|。由于迎角不變，那么其姿態角就要相應地改變|θ0|，亦即Δ?=Δθ=|θ0|。

3 GUI設計與實現

3.1 GUI設計

該GUI是通過Matlab R2008b設計和實現的。其GUI設計原理：在仿真GUI上輸入下滑定高控制方案的相應模型參數，界面接收這些參數并將參數值傳遞到Simulink模型中，根據輸入的參數值設置相應環節的參數，然后進行系統仿真；仿真的輸出結果傳到工作空間，進行相應的處理和運算，得出控制系統響應的各性能數據；最后利用輸出數據繪制仿真曲線并將性能數據顯示在界面上。同時，GUI還應該具有比較、保持仿真曲線等的其他輔助功能[11-12]。

采用Matlab設計GUI主要包括M文件編程方式、基于GUIDE輔助的GUI設計方式等，而基于GUIDE輔助的GUI設計方式具有如下鮮明特點[13-15]：設計者毋須了解圖形實現的具體底層細節，就可繪制非常復雜的圖形；只需幾個簡單函數以及鼠標拖拽等操作就可簡單、快捷地設計出美觀、方便的菜單化和控件式的人機交互界面；可根據需要來規劃、設計圖形外觀，不斷完善，直至繪圖結果完全符合用戶要求。

Matlab R2008b具有多種不同控制框，均用函數Uicontrol建立，屬性Styles決定了所建控制框的類型。Callback屬性值是當控制框激活時，傳給eval在命令窗口空間執行的Matlab字符串。它們主要包括按鈕(Push Button)、滑動條(Slider)、單選按鈕(Radio Button)、復選框(Check Box)、文本框(Edith Text)、文本標簽(Static Text)、下拉菜單(Pop-Up Menu)、下拉列表框(List Box)、雙位按鈕(Toggle Button)和坐標軸(Axes)。另外還有面板(Panel)、按鈕組(Button Group)和ActiveX控件(ActiveX Control)。

當設計者在Guide設計界面上設置好各組件后，保存界面將生成 “用戶命名.fig”和“用戶命名.m”兩個文件。前者保存有圖形句柄，后者是實現交互功能的核心程序，用戶可以在其中添加相應代碼，實現預定的功能[13-15]。

GUI設計的基本步驟包括草圖構思、繪制、控件調整、設置控件屬性、界面美化、創建菜單等[7]。如本文設計的GUI包括仿真主界面和模型仿真子界面兩層，其中仿真主界面包括標題區、模型庫區等內容，而仿真子界面包括基于飛機不同飛行狀態以及采用的不同控制規律下的多個子模型結構顯示區、控制規律有關參數輸入框區、控制系統性能輸出區、仿真曲線繪制區等，其仿真主/子界面的構思草圖如圖3、圖4所示。

圖3 仿真主界面草圖

圖4 仿真子界面草圖

3.2 GUI實現

在完成仿真主/子界面草圖構思并保存后，下面的工作就是對所生成的“仿真界面名.M”文件添加實現各項功能的代碼，重點是對各回調函數內容的編寫，達到完成各項功能的目的。這是實現所設計的GUI核心內容。

實際設計的GUI層次關系圖如圖5所示。

圖5 實現的GUI仿真界面層次關系

下面將編寫的部分內容簡述如下：

在打開GUI主界面程序時，須在“Opening Fcn”中，寫入加載圖片、加載模型、初始化參數、繪圖、計算結果等的相應代碼，這樣在以后改變仿真參數后，依然可以使用已加載的模型。其程序編制如下：

function fzjm_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)

handles.output = hObject;

% 以下為根據用戶需求，自編的輔助程序

%% (可選)

h=waitbar(0,'請稍等,正在打開系統....');

pause(0.5); waitbar(0.5,h,'正在加載...');

pause(0.5); waitbar(1,h,'打開完成');

pause(2); delete(h);

I=imread('fzmodle.bmp','bmp'); %打開Model1的模型圖

axes(handles.axes1); imshow(I)

axis off

%% 以上為添加的自編程序

guidata(hObject, handles);

在計算控制系統性能數據時，可采用調用外部函數形式，這樣就非常便于在相應的“Callback”函數下實現所需的計算功能。

在子界面的“仿真”按鈕所對應的“Callback”下，需要寫入取得界面參數、設置模型參數、仿真、繪圖、處理數據、顯示結果等代碼。根據各個交互組件的屬性，可以利用，

get(Hobject,”屬性名”)命令取得所輸入的參數值，之后，就可以利用以下命令設置相應環節的參數、仿真并取得輸出值：

set_param(‘模塊名’,’參數名’,預設值)；

[t，x，out1…out5]=sim(‘模型名’,options)；options選項包括很多內容，這里主要設置仿真時間。

取得輸出數據之后就可以進行繪制圖形、性能計算等數據處理工作。

根據所得的性能數據再利用set(Hobject,”屬性名”,預設值)命令設置相應交互組件的屬性值，從而將結果顯示在界面上。

再相應地添加其他組件、菜單項的Callbcak代碼，就能夠完全的實現所需要的功能。

4 基于GUI控制方案的仿真

基于某型飛機下滑飛行狀態的氣動數據，建立其運動方程，并推出其相應傳遞函數模型，如Δ?(s)/Δδz(s),Δθ/Δ?(s),ΔV(s)/Δδz(s)，進而建立Simulink仿真模型，如模型1、2、3。

基于所設計的GUI，對飛機下滑定高控制方案進行仿真研究，其運行主界面如圖6所示。點擊“模型3”后，進入對模型3進行仿真的子界面，并顯示出控制方案結構圖，在“傳動比參數”、“PID補償器”等輸入框中輸入相關參數后，單擊“仿真”按鈕，即可在“控制系統性能”一欄中輸出該控制方案的控制性能，并按選擇的仿真參數輸出相應仿真曲線。如果控制系統性能不滿足要求，可以重新調節傳動比參數、PID補償器參數，再次仿真，直到滿足相關要求。如圖7所示。

圖6 實現的GUI仿真主界面

(a) 定高系統延遲2 s接入，定高誤差帶為5%的ΔH,Δα

(b)定高系統延遲5 s接入，定高誤差帶為2%的ΔH,Δα

(c)定高系統延遲5 s接入，定高誤差帶為2%，具有550縱向

(d)定高系統延遲5 s接入，定高誤差帶為2%，具有550縱向干擾力矩的ΔH,Δα仿真曲線(ΔH0=-30 m)

5 結 語

基于Matlab提供的GUI程序開發環境Guide和Simulink仿真建模功能，實現了飛機下滑定高控制方案的GUI設計和實現，并基于所設計的GUI實現了多模型的控制方案的仿真驗證。所設計的GUI層次分明、簡潔方便、功能強大，可在實驗室環境下，高效實現控制系統參數整定、控制規律設計等多方面的仿真研究，對提高學員的學習興趣、培養學員分析問題和解決問題能力大有裨益，對飛行控制系統課程的控制結構及其控制規律的實驗室仿真教學具有積極參考意義。

[1] 文傳源．現代飛行控制系統[M]．北京：北京航空航天出版社，2004.

[2] 張明廉．飛行控制系統[M]．北京：國防工業出版社，1984.

[3] 曲東才，謝孔樹.一種飛機低空下滑定高控制方案改進設計及仿真[J]．海軍航空工程學院學報，2010,25(4): 416-420.

[4] 程繼紅，曲東才. 某型飛機角位移自動駕駛儀比例式控制規律設計與仿真[J]．海軍航空工程學院學報，2011，36(3)：241-245.

[5] 胡壽松．自動控制原理(第五版)[M]．北京：科學出版社，2010.

[6] 曲東才，謝曦鵬，曹 棟，等．飛機下滑波束導引系統設計及仿真研究 [J]．海軍航空工程學院學報，2014,29(3): 209-212.

[7] Niewoehner R J, Kaminer I. Design of an autoland controller for an F-14 aircraft using H-infinity control[J]. Journal of Guidance, Control and Dynamics, 1996,19(3):656-663.

[8] Shyh-Pying S, Agarwal R K. Design of automatic landing systems using mixed H2/H∞control [J].Journal of Guidance, Control and Dynamics,1999,22(1):103-114.

[9] 高 冰，李 鵬，張 學,等.基于自適應模糊控制的飛機自動著陸系統[J].電氣傳動,2011,41(8):24-27.

[10] 劉 冰,艾劍良.基于LQG/LTR方法的飛機自動著陸系統設計[J].動力學與控制學報, 2010,8(1)：92-96.

[11] 葉希立，丁 強，黃國輝，等.三容水箱計算機控制仿真與實驗系統的研發[J].實驗室研究與探索，2013，32(6)：81-83.

[12] 謝仕宏．MATLAB R2008 控制系統動態仿真實例教程[M]．北京：化學工業出版社，2009.

[13] 宗節保，段柳云，王 瑩.基于MATLAB GUI軟件制作方法的研究與實現[J].電子設計工程，2010，18(7)：54-56.

[14] 王默玉，宗 偉，劉春磊，等.基于MATLAB 的圖形用戶界面的構造方式與應用[J].現代電力，2002，19(1)：76-82.

[15] 陳垚光，毛濤濤，王正林，等．精通MATLAB GUI設計[M]．北京：電子工業出版社，2008.

GUI Design and Simulation Experiment for Aero Sliding Down to Fixed Height Control

QUDong-cai1,LUJian-hua1,XIEKong-shu2

(1. Department of Control Engineering, Naval Aeronautical Engineering Institute, Yantai 264001, China;2.Unit 91515 of PLA, Sanya 572016, China)

In order to improve high efficiency of control system design and intuition of laboratory simulation and verification of control laws, it is an important method to design a GUI which could display structure of the designed control system, input and adjust of parameters of the control law, performance output of control system. It is also an important step to economize the experiment cost, increase the interest in learning, and improve their abilities of analyzing and solving problems. For this target, based on the GUIDE of GUI procedure development environment and the SIMULINK simulation function provided by MATLAB, a GUI was designed to simulate and verify the project of controlling aeroplane sliding down to fixed height. The GUI has the following characteristics: clear hiberarchy, laconical convenience, diversiform function, and it can quickly and conveniently to complete simulation for aeroplane sliding down to fixed height control.

sliding down to fixed height control; trajectory design; PID; GUI design and realization

2015-01-24

曲東才(1964-)，男，山東煙臺人，博士，教授，主要研究方向：飛行控制系統設計與仿真的教學和科研。

Tel.：0535-6635641；E-mail：qdc@yeah.net

TP 391.9; TP 23

A

1006-7167(2015)10-0111-05