飛機偏航阻尼器設計

馮楊林 李自成

摘?要：一般情況下，飛機在飛行的過程中，為了滿足飛行品質要求，必須具備一點的靜穩定性和動穩定性，飛機的縱向運動和側向運動都需要有能夠連續工作的阻尼器，我們目的是：通過對某型飛機偏航阻尼器的設計過程的介紹，說明運用MATLAB的經典控制系統設計工具進行系統設計的方法。

關鍵詞：MATLAB仿真;阻尼器;參數優化

1?數學模型及MATLAB描述

2?校正前系統性能分析

2.1?計算開環特征值

繪制零極點，程序如下：

運行結果可知，此模型有一對共軛極點接近虛軸，對應“荷蘭滾”模態。

2.2?計算系統的單位脈沖響應

程序如下：

impulse（sys）

運行后得到的單位脈沖響應曲線可知，系統過渡過程振蕩劇烈，而行駛員在意的是飛機在最開始的情況。因此畫出最初20s以內單位脈沖曲線。程序如下：

得到的脈沖響應曲線圖1所示。

在經典設計中，方向舵偏角作輸入，偏航角速度作輸出，得到相應的頻率響應，程序如下：

得到的Bode圖2所示，可見方向舵的變化對小阻尼的荷蘭滾模態具有影響。

3?改進裝置設計

3.1?根軌跡法設計

如前所示，合理設計目標是確保自然頻率小于1.0rad/s時，阻尼比大于等于0.30。最簡單的改進就是改變系統的增益，用根軌跡法確定合適增益值K。

程序如下：

rlocus（sys11）

運行后得為負反饋的根軌跡圖。而負反饋連接會不穩定，應使用正反饋連接。由圖3所示，正反饋的連接方法比負反饋要好，使得ξ≥0.3的設計要求，在圖上中找出一點。此時程序如下：

接著運行負反饋系統cl12，求出系統響應時間為20s的單位脈沖響應，在與前面開環單位脈沖比較，程序如下：

得到圖4所示閉環單位脈沖曲線，可以知道閉環響應比開環單位速度快且沒有很大波動。

3.2?下洗濾波器設計（Gc（s）=s/s+a）

閉環時，為了確保螺旋模態不能移動到左半平面，在原點安置1個零點，然后將螺旋模態的極點控制在原點附近。SISO調整反饋增益系數K和a，確定最佳組合。當時間為5s時，a=0.2，用根軌跡法確定濾波器增益Gc（s）再與設計模型sysl1串聯連接得到開環模型。程序如下：

繪制此開環模型的另外一個根軌跡圖。程序如下：

rlocus（-oloop）;sgrid

運行后得到開環模型的根軌跡曲線。采用與前述相同的設計方法，在上部分支中確定ξ=0.3，此時增益約為3.59，得到此時的開環根軌跡曲線圖5所示。

4?校正后系統性能分析

方向舵到偏航角速度通道的閉環脈沖響應

構成閉環回路，程序如下：

得到單位脈沖曲線如圖6所示，可見此時的響應較為平穩良好，但阻尼比小于前面。

本例設計雖然沒有完全按照阻尼比的設計要求，但是這里設計減小了ξ，增加了系統阻尼比，因此本例在根軌跡的設計上進一步優化了開環系數和阻尼比。

參考文獻：

[1]胡壽松.自動控制原理第七版[M].科學出版社.

[2]吳曉燕，張雙選.MATLAB在自動控制中的應用[M].西安電子科大出版社.

[3]劉坤.MATLAB自動控制原理習題精解[M].國防大學出版社.

作者簡介：馮楊林（1999—?），男，漢族，本科，學生，研究方向：電氣及自動化。