ضعیف

شبیه سازی سفت افزار خلبان خودکار در متلب
فرایند شبیه‌‌سازی هواپیما به دو صورت انجام می‌‌گیرد. شبیه‌‌سازی حلقه باز (Open Loop) و شبیه‌‌سازی حلقه بسته (Close Loop). در مرحله اول، پرواز حلقه باز مورد بررسی قرار می‌‌گیرد. در این مرحله هواپیمای شبیه‌‌سازی شده با شرایط اولیه مانند سرعت و ارتفاع مشخص و بدون هیچ‌‌گونه کنترلی پرواز داده می‌‌شود تا رفتار ذاتی هواپیما مشخص شود.
در هنگام پرواز زوایای وضعیت هواپیما و همچنین میزان تغییرات سرعت و ارتفاع پرونده مورد بررسی و ارزیابی قرار می‌‌گیرد. همان‌‌طور که در بالا اشاره شد تمامی ورودی‌‌ها و کنترل کننده‌‌ها در حالت ثابت می‌‌باشند.
بوسیله شبیه‌‌سازی حلقه باز ، اطلاعات مهمی را می‌‌توان بدست‌‌ آورد. از جمله‌‌ی این اطلاعات می‌‌توان به کیفیت طراحی پرنده اشاره کرد.
برای مشخص شدن رفتار پرنده سایه در حالت حلقه باز از نرم افزارهای شبیه سازی AeroSim و FlightGear استفاده شده است. به این صورت که مدل ریاضی هواپیما در نرم افزار AeroSim حل شده و نتایج به صورت گرافی و کمی به دست می‌‌آید. با بهره گرفتن از نرم افزار FlightGear نیز می‌‌توان رفتار تصویری و کیفی پرنده را نمایش داد.به منظور شبیه سازی پهپاد سایه در نرم افزار AeroSim در حالت حلقه باز از بلوک های شکل ۴‌.۱۱ استفاده می‌‌نماییم.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل ‏۴‌.۱۱ حلقه باز بلوک هواپیمای سایه
در ادامه گراف های زوایای وضعیت و همچنین نمودار تغییرات سرعت و ارتفاع پهپاد سایه در حالت حلقه باز نمایش داده میشود.
شکل ‏۴‌.۱۲ رفتار حلقه باز سایه در زاویه غلت
شکل ‏۴‌.۱۳ رفتار حلقه باز سایه در زاویه اوج
شکل ‏۴‌.۱۴ رفتار حلقه باز سایه در زاویه سمت
شکل ‏۴‌.۱۵ رفتار حلقه باز سایه در ارتفاع
شکل ‏۴‌.۱۶ رفتار حلقه باز سایه در سرعت

• همان طور که از گراف‌‌ها نیز مشاهده می‌‌شود پرنده سایه پس از رها شدن ، وارد حرکت مارپیچی^[۱۰۴] شده و پس از ۴۲ ثانیه سقوط می‌‌کند.

با بهره گرفتن از نرم افزار FlightGear می‌‌توان رفتار کیفی پهپاد را مورد مطالعه قرار داد. ولی با این حال نمی توان از نرم افزار مذکور برای بررسی رفتار کمی استفاده کرد. در ادامه تصاویر مدل های ساخته شده در نرم افزار مذکور ارئه می‌‌گردد.
شکل ‏۴‌.۱۷ تصویری از پرنده شبیه سازی شده سایه در Flight Gear
فاز بعدی شبیه‌‌سازی حلقه باز، استفاده از کنترل کننده‌‌های متغییر است. به این معنی که با بهره گرفتن از سطوح کنترلی و… و رفتار دینامیکی هواپیما مورد مطالعه قرار می‌‌گیرد و به این وسیله می‌‌توان میزان خوش‌‌دستی ^[۱۰۵] هواپیما را مشخص نمود. به این منظور می‌‌توان از بلوک Joystick استفاده کرد و در صورتی که یک سخت‌‌افزار به کامپیوتر متصل باشد می‌‌توان هواپیما را کاملاً شبیه‌‌سازی نمود و توسط خلبان به پرواز در آورد. از این روش می‌‌توان برای آموزش خلبان نیز استفاده کرد که خود باعث کاهش هزینه‌‌های سقوط و… می‌‌شود. از دیگر کاربرد‌‌های این روش می‌‌توان به تعیین کارایی^[۱۰۶] اشاره کرد زیرا می‌‌توان از طریق مدل شبیه‌‌سازی شده، پارامترهای کارایی مانند سرعت حداکثر، زاویه صعود حداکثر، برد و… را مشخص نمود.
۴-۳-۱ تعیین مشخصات خلبان خودکار
برای طراحی سیستم خلبان خودکار باید در ابتدا قادر باشد تا وضعیت پرواز را کنترل کند. مهم‌‌ترین شرایط پروازی عبارت است از:

• کنترل حرکت سمتی^[۱۰۷] هواپیما

• کنترل حرکت ارتفاع^[۱۰۸] هواپیما

در ادامه به تشریح و طراحی سیستمی که بتواند شرایط هواپیما را تحت کنترل قرار دهد، خواهیم پرداخت.
مشخصات کنترل کننده حرکت سمتی
همان‌‌طور که می‌‌دانیم برای حرکت سمتی هواپیما دو سطح کنترلی وجود دارد، شهپر و سکان. اغلب از سکان برای اصلاح خطاهای کوچک و تغییرات اندک مسیر پرواز استفاده می‌‌شود. در شرایط پرواز معمولی، استفاده از شهپر باعث نتایج بهتری خواهد شد.
هدف از این نوع کنترل، حفظ کردن مسیر پرواز برای رسیدن به نقطه‌‌ای مشخص است. در شرایط واقعی، به علت اختلالات جوی و یا عدم تقارن نیروی پرتاب^[۱۰۹] در هواپیما‌‌های دو یا چند موتوره، حفظ مسیر پرواز بسیار سخت و طاقت فرسا می‌‌باشد. بوسیله سیستم کنترلی، می‌‌توان وظیفه خلبان را تا حد زیادی کاهش داد.
با بهره گرفتن از سیستم GPS ، زاویه سمت لحظه‌‌ای هواپیما مشخص می‌‌شود. برای طراحی سیستم کنترل‌‌کننده، نیاز است قسمتی در سیستم تعریف شود که زاویه‌‌ی سمت لحظه‌ای را از زاویه‌ی سمت هدف^[۱۱۰] کم کند تا میزان خطا مشخص شود. این خطا بیان‌‌گر مقدار زاویه است که هواپیما برای قرارگیری در مسیر صحیح به آن نیاز دارد. برای تصحیح این خطا سطوح کنترلی شهپر باید واکنش نشان دهد. البته میزان زاویه انحراف^[۱۱۱] شهپر باید کاملاً کنترل شده و حساب شده باشد، زیرا در صورتی که تغییر سطوح بزرگ باشد ممکن است باعث واماندگی^[۱۱۲] و در نهایت سقوط هواپیما شود. تجربه نشان داده است که در صورتی که زاویه خطای سمتی به طور مستقیم به شهپر انتقال یابد، نتیجه خوبی بدست نمی‌‌آید و سیستم کنترلی دچار مشکل می‌‌شود. برای حل این مشکل ابتدا زاویه خطای سمتی را به وسیله کنترل‌‌کننده PID به زاویه‌‌ی گردش هدف تبدیل می‌کنند و آن را از زاویه گردش لحظه‌‌ای هواپیما کم می‌‌کنند، به این ترتیب زاویه خطا بدست می‌‌آید . این خطا بیانگر مقدار زاویه غلت است که هواپیما برای قرارگیری در مسیر صحیح به آن نیاز دارد. سپس این خطای زاویه گردش بوسیله یک سیستم کنترل‌‌کننده PID دیگر به میزان جابجایی شهپر تبدیل می‌‌شود. این روند آن‌‌ قدر تکرار می‌‌شود تا هواپیما در مسیر صحیح قرار گیرد.
برای این که سیستم کنترلی عملکرد بهتری داشته باشد، پیشنهاد می‌‌گردد که از یک محدود‌‌کننده^[۱۱۳] یا عدم اشباع‌‌کننده^[۱۱۴] در بین لوپ‌‌های داخلی و خارجی استفاده شود. این قسمت باعث می‌‌شود که زاویه گردش هدف از مقدار معینی بیشتر نشود و هواپیما در محدوده‌‌ی مجاز عمل غلتیدگی را انجام دهد. این محدوده به طور تقریبی بین °۲۰± تا °۳۵± برای زاویه چرخش می‌‌باشد. محدود‌‌کننده‌‌ی دیگری که در سیستم‌‌های حلقه بسته مورد استفاده قرار می‌‌گیرد، باعث محدود شدن خروجی حلقه داخلی (حلقه دوم) می‌‌شود. این امر سبب می‌‌شود که میزان تغییر سطوح کنترلی در محدوده‌‌ی ایمنی کنترل شود.
برای شبیه‌‌سازی ، از مدل ریاضی زیر استفاده میشود:
Sat(u)=
که u_max و u_min به ترتیب حد بالا و حد پایین محدود‌‌کننده می‌‌باشد.
با توجه به مطالب فوق ، طرح حلقه بسته سیستم کنترل‌‌کننده حرکت سمتی هواپیما به صورت زیر می‌‌باشد.
شکل ‏۴‌.۱۸ طرح حلقه بسته سیستم کنترل کننده حرکت سمتی (P)
به منظور کنترل زاویه چرخش پهپاد ، از مجموعه بلوک های زیر استفاده می‌‌نماییم :
شکل ‏۴‌.۱۹ طرح حلقه بسته سیستم کنترل کننده زاویه چرخش (PI)
پاسخ پهپاد سایه به سیستم کنترلی حلقه بسته ۴‌.۱۹ به صورت شکل۴‌.۲۰ می‌‌باشد .
شکل ‏۴‌.۲۰ پاسخ حلقه بسته سیستم کنترلی در زاویه غلت
شکل ‏۴‌.۲۱ پاسخ حلقه بسته سیستم کنترلی در زاویه سمت
مشخصات کنترل‌‌کننده ارتفاع
هدف از طراحی کنترل‌‌کننده ارتفاع ، پرواز هواپیما در ارتفاعی مشخص است. در شرایط واقعی، هواپیما ممکن است به دلایل مختلف از جمله فاصله محل نیروی پرتاب تا مرکز ثقل در راستای z و… تغییر ارتفاع دهد. بنابراین خلبان مجبور است همواره با اعمال نیرو بر رادیو کنترل و تغییر مقادیر فرمان سطوح ، ارتفاع را ثابت نگه دارد که این امر موجب خستگی وی خواهد شد. به وسیله سیستم کنترل‌‌کننده ارتفاع می‌‌توان به راحتی هواپیما را در هر ارتفاعی نگهداشت و در صورت استفاده از ایستگاه زمینی^[۱۱۵] و اتصال آن به هواپیما به صورت همزمان می‌‌توان به تغییر ارتفاع پرداخت. این عمل در پرنده‌‌های بدون سرنشین که وظیفه شناسایی را برعهده دارند، بسیار مهم و حیاتی می‌‌باشد در این سیستم نیز مانند سیستم کنترل سمت ، ارتفاع لحظه‌‌ای هواپیما به وسیله جی.پی.اس دریافت شده و با کم شدن از ارتفاع هدف ، خطای ارتفاع مشخص می‌‌شود. این خطا بوسیله یک کنترل‌‌کننده ثانوی به زاویه اوج فرمان تبدیل می‌‌شود. با تفریق این زاویه از زاویه اوج لحظه‌‌ای هواپیما ، خطای زاویه مورد نظر بدست می‌‌آید. این خطا مقدار زاویه اوجی است که هواپیما به وسیله آن می‌‌تواند به ارتفاع مورد نظر برسد. با بهره گرفتن از یک سیستم کنترل‌‌کننده‌‌ی دیگر می‌توان این خطا را به میزان تغییر سطح کنترلی بالابر تبدیل کرد.
استفاده از محدود‌‌کننده در این سیستم کنترلی نیز همانند سیستم قبل باعث افزایش عملکرد کنترل‌‌کننده‌‌ها می‌‌شود.
البته راه‌‌های دیگری نیز برای طراحی سیستم کنترل ارتفاع وجود دارد، در برخی از مراجع پیشنهاد شده است که حلقه خارجی، ارتفاع را به سرعت عمودی^[۱۱۶] مورد نظر تبدیل کند و سپس در حلقه داخلی سرعت عمودی به بالابر دستور دهد تا میزان افزایش ارتفاع مورد نظر بدست آید. در این نوع سیستم‌‌ها، نرخ صعود و نزول^[۱۱۷] هواپیما نیز وارد چرخه طراحی سیستم کنترل‌‌کننده‌‌ی ارتفاع خواهد شد و باعث پیچیدگی مضاعف می‌‌شود.
با توجه به مطالب فوق الذکر به منظور کنترل زاویه اوج پهپاد ، از مجموعه بلوک های زیر استفاده میشود .
شکل ‏۴‌.۲۲ طرح حلقه بسته سیستم کنترل کننده زاویه اوج (PI)