FDC飞行动力学与控制工具箱

资 源 简 介

该项目旨在开发一套完整的MATLAB飞行动力学与控制（FDC）工具箱，为飞控系统的研究与设计提供强大的分析与仿真环境。系统核心基于非线性六自由度（6-DOF）运动方程，能够对各种构型的飞行器在复杂的飞行环境下进行高精确度动力学建模。工具箱集成了国际标准大气模型、地球引力模型以及包含推力、升力、阻力和力矩的复杂气动载荷计算模块。 通过该工具箱，用户可以高效地执行飞行器的配平（Trim）分析，即在给定的稳态飞行条件下（如平飞、爬升、盘旋等）寻找控制舵面和发动机推力的平衡点。同时，系统支持对非线性模型进行自动线

详 情 说 明

FDC 飞行动力学与控制工具箱 (FDC Toolbox)

项目介绍

FDC飞行动力学与控制工具箱是一个专为航空工程研究与飞行控制系统设计开发的仿真实践平台。该工具箱利用MATLAB环境，实现了从基础物理参数定义、大气环境建模、非线性六自由度（6-DOF）动力学仿真到自动化配平分析及线性化处理的全流程功能。工具箱旨在为研究人员提供一个高精度的飞行器行为预测模型，支持对飞行器稳定性、操纵性能以及闭环控制律的快速验证与评估。

功能特性

• 非线性六自由度动力学建模：基于牛顿-欧拉方程，实现了描述飞行器平移与旋转运动的完整状态方程。
• 自动化配平分析：能够根据指定的飞行高度和速度，自动搜索控制舵面与推力的平衡点，实现稳态平飞。
• 数值线性化工具：通过有限差分技术，在任意飞行点生成线性状态空间模型（A、B矩阵）。
• 标准大气与气动模块：集成国际标准大气模型（ISA），提供包含升力、阻力、侧向力及三轴力矩的复杂气动载荷计算。
• 稳定性检查：具备自动计算系统特征值的功能，用于评估飞行器的开环动态稳定性。
• 多维度结果可视化：支持高度、空速、姿态角的时域响应分析，以及三维真实飞行轨迹的重构显示。

使用方法

1. 环境配置：确保MATLAB环境已安装并可运行基础数学与优化算法。
2. 参数设定：根据具体飞行器型号，在初始化模块中修改质量、惯量、机翼几何尺寸及各项气动导数。
3. 设定任务目标：指定所需的配平高度（米）与目标空速（米/秒）。
4. 执行仿真：运行主程序流程，系统将依次执行配平计算、线性化建模、特征值分析及非线性动态仿真。
5. 结果分析：通过生成的时域响应图谱和轨迹图评估飞行器的动态特性。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本。
• 需要 MATLAB 基础数学库支持，配平功能依赖数值优化算法。

实现逻辑与功能详细说明

1. 初始化与参数定义 程序通过专门的初始化函数定义飞行器的物理特性。这包括基础质量（12,000kg）、转动惯量矩阵（包含交叉惯性矩 Ixz）以及气动参考量（S, c, b）。气动模型采用参数化表达，涵盖了失速前线性区的升力导数、二次型阻力导数、以及影响纵向与横侧向运动的关键力矩系数。

2. 环境与大气模型 内置简易版国际标准大气（ISA）模型。该模块根据当前高度实时计算大气密度和音速。大气密度直接影响动压计算，进而决定了所有气动力和力矩的大小，确保了不同海拔高度下仿真的真实性。

3. 非线性动力学核心 系统核心包含12个状态变量：体轴坐标系下的三个平移速度、三个旋转角速度、三轴姿态角（欧拉角）以及三个地面位置坐标。

• 受力分析：模型计算了包含气动升力、阻力、侧力在内的总空气动力，并将其转换至机体坐标系，同时计入推力和重力的影响。
• 转动动力学：考虑了刚体转动时的角动量耦合效应，精确处理了非对称机体的惯性力矩。
• 运动学变换：通过姿态阵实现了从机体坐标系到地理坐标系的速度与角速度转换。

4. 配平（Trim）计算细节 配平功能由数值优化驱动。其核心逻辑是寻找一组状态变量（如迎角）和控制输入（如升降舵偏角、推力大小），使得飞行器在特定速度和高度下的各轴加速度和角加速度之和趋于零。通过最小化状态导数的平方和，系统能够精确锁定平直飞行的稳态工作点。

5. 线性化与稳定性分析 程序具备自动线性化功能。在配平点的邻域内，通过对状态向量和控制向量施加极小的扰动（1e-5），利用有限差分法计算雅可比矩阵，从而获得 A 和 B 状态空间矩阵。基于生成的 A 矩阵计算特征值，可直接观察到飞行器典型的模态特性（如长周期、短周期等）。

6. 动态仿真与扰动测试 系统支持在稳态配平点基础上施加控制扰动。在示例文档中，程序在仿真第2秒时施加了2度的升降舵阶跃偏转，通过常微分方程求解器（ode45）计算飞行器在60秒内的非线性动态响应。

7. 结果可视化输出 仿真结束后，系统自动生成多组图表：

• 高度与空速响应图：监测飞行过程中的能量转换与高度保持情况。
• 姿态响应图：同时对比迎角与俯仰角的变化，显示飞行器的纵向操纵特性。
• 垂直剖面与3D轨迹：直观呈现飞行器在地理坐标系下的位移路径，包括爬升高程和空间机动轨迹。