飞行模拟器飞控系统设计方法研究

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飞行模拟器是一种能够实时模拟出飞机在空中飞行时各种状态和机舱外景象的地面设备,在研究飞机性能、飞行品质、飞行控制方法和训练飞行员等诸多领域有较多应用,其高效性、经济性和安全性使得飞行模拟器在科研和军事方面具有非常重要的应用价值。飞行控制系统对改善飞机的整体稳定性、操作性和机动性有着非常重要的作用,直接影响飞机的飞行安全和飞行任务的完成,而飞行控制系统的仿真效果直接影响着飞行模拟器的整体仿真效果。因此,本文主要进行飞行模拟器电传飞行控制系统设计。首先,为了便于创建飞行模拟器仿真模型,首先介绍常用飞行运动参数的定义。在此基础上,根据小扰动理论建立飞机仿真模型的纵向和侧向线性化运动方程,并介绍了大气基础知识,为线性化模型中气动导数的计算奠定了基础;此外,还建立了McRuer传递函数驾驶员模型。其次,介绍了飞机纵向和侧向飞行品质评价准则,为飞行模拟器电传飞行控制系统的设计和评价提供依据。在研究隐模型跟踪最优二次型方法和输出反馈特征结构配置方法设计原理的基础上,在Matlab软件中使用隐模型跟踪最优二次型方法对飞行模拟器纵向电传飞行控制系统进行设计,使用输出反馈特征结构配置方法对侧向电传飞行控制系统进行设计。纵向设计过程中,通过进行多组对比不同加权矩阵下仿真曲线的试验确定系统的反馈增益矩阵,最终得到飞控系统纵向控制律。根据飞机侧向滚转、荷兰滚和螺旋三模态一级飞行品质要求以及侧向运动特点设计了系统期望特征值和特征向量,并根据输出反馈特征结构配置设计原理进行编程,解算出系统实际特征值和特征向量,最终得到反馈增益矩阵,完成侧向控制律设计。经过数据分析和仿真研究,本文设计的纵向和侧向电传飞行控制系统均符合一级飞行品质要求。同时,分别对纵向、侧向电传飞行控制系统进行了仿真及结果分析。再次,将驾驶员模型和飞行指引系统模型加入到飞行模拟器的电传飞行控制系统中,得到人在回路的飞机纵向(俯仰、高度)和侧向(偏航角、侧向偏离)航迹跟踪控制系统。通过仿真分析,表明该系统能够准确地跟踪控制飞机的姿态和航迹。最后,将Matlab软件中的综合航迹跟踪控制系统框架转化到VC++软件中,建立了飞行模拟器的视景仿真系统,设计出三维仿真模型和仿真环境、平视显示器、数据实时显示对话框等,使飞行员在飞行模拟器中进行训练时获取更加形象、逼真的仿真场景和实时飞行参数数据,从而提高飞行训练的效果。
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