曲東才， 盧建華， 謝孔樹

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

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飛機(jī)下滑定高控制GUI設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)

曲東才1， 盧建華1， 謝孔樹2

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

為提高控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高效性及其控制規(guī)律實(shí)驗(yàn)室仿真驗(yàn)證的直觀性，設(shè)計(jì)一個(gè)圖形用戶界面(GUI)實(shí)現(xiàn)對(duì)所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的顯示、控制規(guī)律參數(shù)的輸入、調(diào)整及控制性能的輸出是一種重要途徑，也是節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本、提高學(xué)員學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)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(fā)環(huán)境Guide及其自身的Simulink仿真建模功能，以飛機(jī)下滑定高控制方案為例，設(shè)計(jì)了該方案的GUI，并基于所設(shè)計(jì)的GUI對(duì)該方案實(shí)現(xiàn)了仿真驗(yàn)證。仿真驗(yàn)證表明，該GUI層次分明、簡(jiǎn)潔方便、功能多樣，可方便、快捷的對(duì)所設(shè)計(jì)控制方案的仿真研究。

下滑定高控制； 軌跡設(shè)計(jì)； PID； GUI設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言

飛機(jī)下滑定高控制系統(tǒng)是飛機(jī)著陸和定高飛行的一種重要功能系統(tǒng)，一般著陸前飛機(jī)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(dāng)、動(dòng)/靜態(tài)性能良好。為達(dá)到此要求，不僅需要建立結(jié)構(gòu)合理的下滑定高控制方案，還要設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的控制規(guī)律，因此需對(duì)所設(shè)計(jì)的下滑定高控制系統(tǒng)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室條件下的大量調(diào)試和仿真驗(yàn)證。為了在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)控制方案設(shè)計(jì)、調(diào)試和仿真驗(yàn)證的簡(jiǎn)潔方便，設(shè)計(jì)了一種飛機(jī)下滑定高控制的仿真圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI)，并對(duì)所建立的飛機(jī)下滑定高控制方案及其相關(guān)控制規(guī)律進(jìn)行了高效仿真研究。

1 飛機(jī)下滑定高控制方案及控制規(guī)律

飛機(jī)下滑定高控制系統(tǒng)通常是通過控制飛機(jī)升降舵來改變飛機(jī)俯仰姿態(tài)，進(jìn)而達(dá)到縱向航跡即飛行高度的改變，并基于相關(guān)控制規(guī)律，對(duì)給定高度實(shí)施穩(wěn)定與控制，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)低空定高飛行。至今出現(xiàn)多種飛機(jī)下滑定高控制方案[1-2]，本文主要對(duì)分別加入俯仰角信號(hào)和延遲接通定高系統(tǒng)這一控制方案實(shí)施GUI的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。其設(shè)計(jì)的控制方案結(jié)構(gòu)如圖1所示[3-5]。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

當(dāng)系統(tǒng)不設(shè)PID環(huán)節(jié)時(shí)，設(shè)tdg(>0)時(shí)刻接通定高系統(tǒng)，則此時(shí)信號(hào)的作用可分為兩個(gè)階段：改平階段(0≤t

(1)

飛機(jī)改平階段主要是利用俯仰角控制回路控制飛機(jī)的姿態(tài)角改變，從而改變航跡傾斜角使飛行軌跡發(fā)生變化，控制飛機(jī)下滑降低高度。而在定高階段，飛行的實(shí)際高度基本達(dá)到了預(yù)定范圍內(nèi)，但由于阻尼不足，飛機(jī)定高軌跡有可能還不穩(wěn)定，即飛機(jī)在作衰減性的沉浮運(yùn)動(dòng)，這時(shí)需要接入定高環(huán)節(jié)，以穩(wěn)定飛機(jī)的高度。

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置PID補(bǔ)償環(huán)節(jié)時(shí)，如在定高階段，其控制規(guī)律修改如式(2)形式[3]，[6-8]：

(2)

2 下滑定高控制軌跡設(shè)計(jì)

在縱向平面內(nèi)，飛機(jī)下滑定高控制軌跡設(shè)計(jì)如下：飛機(jī)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(tài)下滑，到達(dá)某高度A點(diǎn)進(jìn)行改平，然后按圖2中(b)所示的姿態(tài)作100 m定高飛行[2-3，9-10]。

圖2 下滑定高控制軌跡圖

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

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

3 GUI設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 GUI設(shè)計(jì)

該GUI是通過Matlab R2008b設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的。其GUI設(shè)計(jì)原理：在仿真GUI上輸入下滑定高控制方案的相應(yīng)模型參數(shù)，界面接收這些參數(shù)并將參數(shù)值傳遞到Simulink模型中，根據(jù)輸入的參數(shù)值設(shè)置相應(yīng)環(huán)節(jié)的參數(shù)，然后進(jìn)行系統(tǒng)仿真；仿真的輸出結(jié)果傳到工作空間，進(jìn)行相應(yīng)的處理和運(yùn)算，得出控制系統(tǒng)響應(yīng)的各性能數(shù)據(jù)；最后利用輸出數(shù)據(jù)繪制仿真曲線并將性能數(shù)據(jù)顯示在界面上。同時(shí)，GUI還應(yīng)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(shè)計(jì)GUI主要包括M文件編程方式、基于GUIDE輔助的GUI設(shè)計(jì)方式等，而基于GUIDE輔助的GUI設(shè)計(jì)方式具有如下鮮明特點(diǎn)[13-15]：設(shè)計(jì)者毋須了解圖形實(shí)現(xiàn)的具體底層細(xì)節(jié)，就可繪制非常復(fù)雜的圖形；只需幾個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù)以及鼠標(biāo)拖拽等操作就可簡(jiǎn)單、快捷地設(shè)計(jì)出美觀、方便的菜單化和控件式的人機(jī)交互界面；可根據(jù)需要來規(guī)劃、設(shè)計(jì)圖形外觀，不斷完善，直至繪圖結(jié)果完全符合用戶要求。

Matlab R2008b具有多種不同控制框，均用函數(shù)Uicontrol建立，屬性Styles決定了所建控制框的類型。Callback屬性值是當(dāng)控制框激活時(shí)，傳給eval在命令窗口空間執(zhí)行的Matlab字符串。它們主要包括按鈕(Push Button)、滑動(dòng)條(Slider)、單選按鈕(Radio Button)、復(fù)選框(Check Box)、文本框(Edith Text)、文本標(biāo)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(biāo)軸(Axes)。另外還有面板(Panel)、按鈕組(Button Group)和ActiveX控件(ActiveX Control)。

當(dāng)設(shè)計(jì)者在Guide設(shè)計(jì)界面上設(shè)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(gè)文件。前者保存有圖形句柄，后者是實(shí)現(xiàn)交互功能的核心程序，用戶可以在其中添加相應(yīng)代碼，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能[13-15]。

GUI設(shè)計(jì)的基本步驟包括草圖構(gòu)思、繪制、控件調(diào)整、設(shè)置控件屬性、界面美化、創(chuàng)建菜單等[7]。如本文設(shè)計(jì)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(biāo)題區(qū)、模型庫(kù)區(qū)等內(nèi)容，而仿真子界面包括基于飛機(jī)不同飛行狀態(tài)以及采用的不同控制規(guī)律下的多個(gè)子模型結(jié)構(gòu)顯示區(qū)、控制規(guī)律有關(guān)參數(shù)輸入框區(qū)、控制系統(tǒng)性能輸出區(qū)、仿真曲線繪制區(qū)等，其仿真主/子界面的構(gòu)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(shí)現(xiàn)

在完成仿真主/子界面草圖構(gòu)思并保存后，下面的工作就是對(duì)所生成的“仿真界面名.M”文件添加實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的代碼，重點(diǎn)是對(duì)各回調(diào)函數(shù)內(nèi)容的編寫，達(dá)到完成各項(xiàng)功能的目的。這是實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的GUI核心內(nèi)容。

實(shí)際設(shè)計(jì)的GUI層次關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 實(shí)現(xiàn)的GUI仿真界面層次關(guān)系

下面將編寫的部分內(nèi)容簡(jiǎn)述如下：

在打開GUI主界面程序時(shí)，須在“Opening Fcn”中，寫入加載圖片、加載模型、初始化參數(shù)、繪圖、計(jì)算結(jié)果等的相應(yīng)代碼，這樣在以后改變仿真參數(shù)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(jù)用戶需求，自編的輔助程序

%% (可選)

h=waitbar(0,'請(qǐng)稍等,正在打開系統(tǒng)....');

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(jì)算控制系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)時(shí)，可采用調(diào)用外部函數(shù)形式，這樣就非常便于在相應(yīng)的“Callback”函數(shù)下實(shí)現(xiàn)所需的計(jì)算功能。

在子界面的“仿真”按鈕所對(duì)應(yīng)的“Callback”下，需要寫入取得界面參數(shù)、設(shè)置模型參數(shù)、仿真、繪圖、處理數(shù)據(jù)、顯示結(jié)果等代碼。根據(jù)各個(gè)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(shù)值，之后，就可以利用以下命令設(shè)置相應(yīng)環(huán)節(jié)的參數(shù)、仿真并取得輸出值：

set_param(‘模塊名’,’參數(shù)名’,預(yù)設(shè)值)；

[t，x，out1…out5]=sim(‘模型名’,options)；options選項(xiàng)包括很多內(nèi)容，這里主要設(shè)置仿真時(shí)間。

取得輸出數(shù)據(jù)之后就可以進(jìn)行繪制圖形、性能計(jì)算等數(shù)據(jù)處理工作。

根據(jù)所得的性能數(shù)據(jù)再利用set(Hobject,”屬性名”,預(yù)設(shè)值)命令設(shè)置相應(yīng)交互組件的屬性值，從而將結(jié)果顯示在界面上。

再相應(yīng)地添加其他組件、菜單項(xiàng)的Callbcak代碼，就能夠完全的實(shí)現(xiàn)所需要的功能。

4 基于GUI控制方案的仿真

基于某型飛機(jī)下滑飛行狀態(tài)的氣動(dòng)數(shù)據(jù)，建立其運(yùn)動(dòng)方程，并推出其相應(yīng)傳遞函數(shù)模型，如Δ?(s)/Δδz(s),Δθ/Δ?(s),ΔV(s)/Δδz(s)，進(jìn)而建立Simulink仿真模型，如模型1、2、3。

基于所設(shè)計(jì)的GUI，對(duì)飛機(jī)下滑定高控制方案進(jìn)行仿真研究，其運(yùn)行主界面如圖6所示。點(diǎn)擊“模型3”后，進(jìn)入對(duì)模型3進(jìn)行仿真的子界面，并顯示出控制方案結(jié)構(gòu)圖，在“傳動(dòng)比參數(shù)”、“PID補(bǔ)償器”等輸入框中輸入相關(guān)參數(shù)后，單擊“仿真”按鈕，即可在“控制系統(tǒng)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(shù)輸出相應(yīng)仿真曲線。如果控制系統(tǒng)性能不滿足要求，可以重新調(diào)節(jié)傳動(dòng)比參數(shù)、PID補(bǔ)償器參數(shù)，再次仿真，直到滿足相關(guān)要求。如圖7所示。

圖6 實(shí)現(xiàn)的GUI仿真主界面

(a) 定高系統(tǒng)延遲2 s接入，定高誤差帶為5%的ΔH,Δα

(b)定高系統(tǒng)延遲5 s接入，定高誤差帶為2%的ΔH,Δα

(c)定高系統(tǒng)延遲5 s接入，定高誤差帶為2%，具有550縱向

(d)定高系統(tǒng)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(jié) 語

基于Matlab提供的GUI程序開發(fā)環(huán)境Guide和Simulink仿真建模功能，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)下滑定高控制方案的GUI設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并基于所設(shè)計(jì)的GUI實(shí)現(xiàn)了多模型的控制方案的仿真驗(yàn)證。所設(shè)計(jì)的GUI層次分明、簡(jiǎn)潔方便、功能強(qiáng)大，可在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，高效實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)參數(shù)整定、控制規(guī)律設(shè)計(jì)等多方面的仿真研究，對(duì)提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)員分析問題和解決問題能力大有裨益，對(duì)飛行控制系統(tǒng)課程的控制結(jié)構(gòu)及其控制規(guī)律的實(shí)驗(yàn)室仿真教學(xué)具有積極參考意義。

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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(tái)人，博士，教授，主要研究方向：飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的教學(xué)和科研。

Tel.：0535-6635641；E-mail：qdc@yeah.net

TP 391.9; TP 23

A

1006-7167(2015)10-0111-05