دسنامه ششم نرم افزار CEASIOM | هوافضای جوان

درسنامه ششم از سری آموزش نرم افزار CEASIOM

در این قسمت از مجموعه درسنامه های آموزش نرم افزار CEASIOM ماژول SDSA معرفی شده است. در نرم افزار CEASIOM، پس از بدست آوردن اطلاعات ضرایب آیرودینامیکی می توان فرایند پایداری و کنترل، Stability and Control را توسط ماژول SDSA انجام داد. ماژول SDSA شامل زیر مجموعه های زیر می باشد:

  • تحلیل پایداری، Stability Analysis
    • تحلیل مقادیر ویژه مدل های خطی شده در حالت های حلقه باز و بسته
    • شناسایی پیشینه ی زمانی برای مدل های غیر خطی
  • شبیه ساز پرواز شش درجه آزادی
    • تست پرواز، شامل بازخورد تریم
    • توربولانس
  • سیستم کنترل پرواز بر اساس تئوری تنظیم کننده درجه دو خطی LQR، Linear Quadratic Regulator Theory، شامل:
    • مدل خلبان انسانی
    • سیستم پایداری افزایشی
    • مدل سیستم محرک Actuator، یا LQR بر اساس FCS
  • پیش بینی عملکرد
  • داده های گوناگون (بازبینی داده، بازبینی نتایج و غیره)

تصویر زیر ساختار زیر مجموعه های این ماژول را نشان می دهد. با توجه به این تصویر، اطلاعات خروجی از ماژول AMB شامل ضرایب آیرودینامیکی، وزن و اینرسی، پیشرانش و هندسه به عنوان اطلاعات اولیه به SDSA برای تحلیل پایداری و کنترل وارد می شود. همچنین، ارتباط بین زیر مجموعه های SDSA که در بالا توضیح داده شد، در قسمت راست این تصویر به نمایش در آمده است.

تصویری از ساختار و عملکرد زیر مجموعه های ماژول SDSA

آشنایی با نحوه ی انجام محاسبه و شبیه سازی ماژول SDSA

ماژول SDSA برای برخورد با مسائل پایداری و کنترل بر اساس قوانین JAR/FAR، ICAO و MIL مناسب می باشد. در این ماژول شبیه سازی با شش درجه آزادی به کمک سیستم کنترل پرواز بر اساس تئوری تنظیم درجه دوم خطی، Linear quadratic regulatory theory، انجام می شود. همچنین، بررسی کلی عملکردی نیز در این بخش قابل انجام است. ماژول SDSA دارای آنالیز مقادیر ویژه است که به کمک محاسبه ی ماتریس جاکوبی، Jacobi Matrix، مشتق حول مقدار تعادل خطی می شود.

برای استفاده از این ماژول چندین شرط که در پایین لیست شده اند برای ارضاء مدل فیزیکی لازم است.

  • هواپیما جسم صلب در نظر گرفته می شود که شش درجه آزادی دارد.
    • سه حرکت در راستای x، y، و z
    • سه حرکت چرخشی چرخش، پیچش و غلط
  • فرامین کنترلی قابلیت تغییر شکل دارند اما قادر به انجام ارتعاشات آزاد را ندارند.
  • نیروهای آیرودینامیکی به صورت شبه پایدار در نظر گرفته می شوند.
  • استفاده از مدل اتمسفر استاندارد بدون اختلال

سیستم های مختصات به کار برده شده در ماژول SDSA به شکل زیر است.

سیستم مختصات استفاده شده در SDSA برای مدل فیزیکی هواپیما

در این تصویر O1-x1y1z1 سیستم مختصات ثابت زمین است. سیستم مختصات قابل حمل O-xgygzg موازی با سیستم مختصات جاذبه است. در سیستم موقعیت بدنه، OX به صورت موازی بدنه هواپیما و رو به جلو است، OZ به سمت پایین و OY به سمت بال راست امتداد دارد.

برای جابجایی از سیستم مختصات O-xgygzg به سیستم مختصات بدنی می توان سه حرکت چرخشی را به صورت زیر به کار برد:

  • چرخش یاو، Yaw، حول راستای Ozg با زاویه ی Ψ
  • چرخش پیچ، Pitch، حول راستای جدید Oy (پس از چرخش یاو) با زاویه ی Θ
  • چرخش رول، Roll، حول راستای جدید Ox (بعد از چرخش های یاو و پیچ) با زاویه ی Φ

در تصویر بالا بردار سرعت (V0(U,V,W و همچنین سرعت های زاویه ای (Ω (P,Q,R می باشد.

همچنین، در پایین، سیستم مختصات سرعت ها ارائه شده است. در این سیستم جریان هوا موازی راستای OXa است و زاویه ی حمله α بر حسب چرخش OY به OYa و زاویه ی طرفین β با چرخش OZ به OZa تعیین می شود. نقطه ی مرکزی می تواند توسط کاربر تعیین شود.

سیستم مختصات سرعت

سیستم های مختصات برای بدست آوردن روابط دینامیکی و معادلات حرکت بسیار مهم است. به همین دلیل در این بخش، روابط بین سیستم های جاذبه، اینرسی و سرعت های خطی مشخص می شود. همچنین، روابط بین زوایای شبه اویلر و سرعت زاویه ای در معادلات در نظر گرفته شده است.

هسته ی ماژول SDSA تحلیل پایداری است. در شکل پایین، چارت تحلیل پایداری به کمک این ماژول ارائه شده است. برای بدست آوردن نتایج، مدل ریاضی به کار برده شده در این بخش به شکل ماتریسی تبدیل شده است. برای خطی کردن معادلات برای قابل حل شدن با هزینه ی محاسباتی پایین تر، می توان به دو روش معادلات را خطی سازی کرد. روش اول در نظر گرفتن قید ها و فرض های اضافی مانند حل معادله با فرض کوچک بودن زوایا. روش بعدی خطی سازی مستقیم بردار های نیرو با محاسبه ی ماتریس ژاکوبین برای شرایط پرواز معین می باشد. به کمک ماتریس ژاکوبین، معادلات مقادیر ویژه را می توان محاسبه کرد و ضرایب دمپینگ، مد های حرکتی، فرکانس های مختلف و در نهایت مشخصات پایداری را بدست آورد.

چارت تحلیل پایداری ماژول SDSA، بخش های ورودی و خروجی این ماژول را می توان مشاهده کرد.

برای محاسبه ی شرایط اولیه مسئله و تعریف کردن حالت های مسئله ی مقادیر ویژه، بخش جداگانه ای در ماژول SDSA به نام حالت تعادلی در نظر گرفته شده است. برای حل مسئله ی غیر خطی، که از معادلات حرکت گرفته می شود، در این بخش مشتق زمانی بردار وضعیت صفر در نظر گرفته می شود.

با استفاده از مدل شبیه ساز پرواز، می توان در لحظه پارامتر های پرواز را محاسبه کرد. بدین وسیله، پارامتر های پایداری می توانند با استفاده از مدل های کاملا غیر خطی بازبینی شوند. در شکل پایین بخش هایی که در انجام محاسبات به کار گرفته شده اند نشان داده شده است.

چارت شبیه ساز پرواز

ماژول SDSA همچنین دارای سیستم کنترل پرواز است که دارای مدل خلبان انسانی، سیستم پایداری اضافه، مدل محرک و سیستم تثبیت بر اساس روش LQR است. جزئیات بیشتر را می توان در فایل پی دی اف تئوری های به کار رفته در ماژول SDSA، که در سایت اصلی نرم افزار CEASIOM قرار دارد، مطالعه کرد.

در درسنامه ی بعد با محیط ماژول SDSA و نحوه ی کار با آن آَشنا خواهیم شد.

منابع:

https://www.meil.pw.edu.pl/add/ADD/Teaching/Software/SDSA

https://www.ceasiom.com

 


 

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.