src/FDM/JSBSim/FGPropeller.cpp

   1 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
   2
   3  Module:       FGPropeller.cpp
   4  Author:       Jon S. Berndt
   5  Date started: 08/24/00
   6  Purpose:      Encapsulates the propeller object
   7
   8  ------------- Copyright (C) 2000  Jon S. Berndt (jsb@hal-pc.org) -------------
   9
  10  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  11  the terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
  12  Foundation; either version 2 of the License, or (at your option) any later
  13  version.
  14
  15  This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
  16  ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
  17  FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more
  18  details.
  19
  20  You should have received a copy of the GNU General Public License along with
  21  this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple
  22  Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
  23
  24  Further information about the GNU General Public License can also be found on
  25  the world wide web at http://www.gnu.org.
  26
  27 FUNCTIONAL DESCRIPTION
  28 --------------------------------------------------------------------------------
  29
  30 HISTORY
  31 --------------------------------------------------------------------------------
  32 08/24/00  JSB  Created
  33
  34 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  35 INCLUDES
  36 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  37
  38 #include <sstream>
  39
  40 #include "FGPropeller.h"
  41 #include "FGPropagate.h"
  42 #include "FGAtmosphere.h"
  43 #include "FGAuxiliary.h"
  44
  45 namespace JSBSim {
  46
  47 static const char *IdSrc = "$Id$";
  48 static const char *IdHdr = ID_PROPELLER;
  49
  50 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  51 CLASS IMPLEMENTATION
  52 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  53
  54 // This class currently makes certain assumptions when calculating torque and
  55 // p-factor. That is, that the axis of rotation is the X axis of the aircraft -
  56 // not just the X-axis of the engine/propeller. This may or may not work for a
  57 // helicopter.
  58
  59 FGPropeller::FGPropeller(FGFDMExec* exec, FGConfigFile* Prop_cfg, int num) : FGThruster(exec)
  60 {
  61   string token;
  62   int rows, cols;
  63
  64   MaxPitch = MinPitch = P_Factor = Sense = Pitch = Advance = 0.0;
  65   GearRatio = 1.0;
  66
  67   Name = Prop_cfg->GetValue("NAME");
  68   Prop_cfg->GetNextConfigLine();
  69   while (Prop_cfg->GetValue() != string("/FG_PROPELLER")) {
  70     *Prop_cfg >> token;
  71     if (token == "IXX") {
  72       *Prop_cfg >> Ixx;
  73     } else if (token == "DIAMETER") {
  74       *Prop_cfg >> Diameter;
  75       Diameter /= 12.0;
  76     } else if (token == "NUMBLADES") {
  77       *Prop_cfg >> numBlades;
  78     } else if (token == "GEARRATIO") {
  79       *Prop_cfg >> GearRatio;
  80     } else if (token == "MINPITCH") {
  81       *Prop_cfg >> MinPitch;
  82     } else if (token == "MAXPITCH") {
  83       *Prop_cfg >> MaxPitch;
  84     } else if (token == "MINRPM") {
  85       *Prop_cfg >> MinRPM;
  86     } else if (token == "MAXRPM") {
  87       *Prop_cfg >> MaxRPM;
  88     } else if (token == "C_THRUST") {
  89       *Prop_cfg >> rows >> cols;
  90       if (cols == 1) cThrust = new FGTable(rows);
  91       else           cThrust = new FGTable(rows, cols);
  92       *cThrust << *Prop_cfg;
  93     } else if (token == "C_POWER") {
  94       *Prop_cfg >> rows >> cols;
  95       if (cols == 1) cPower = new FGTable(rows);
  96       else           cPower = new FGTable(rows, cols);
  97       *cPower << *Prop_cfg;
  98     } else if (token == "EOF") {
  99       cerr << "      End of file reached" <<  endl;
 100       break;
 101     } else {
 102       cerr << "Unhandled token in Propeller config file: " << token << endl;
 103     }
 104   }
 105
 106   Type = ttPropeller;
 107   RPM = 0;
 108   vTorque.InitMatrix();
 109
 110   char property_name[80];
 111   snprintf(property_name, 80, "propulsion/c-thrust[%u]", EngineNum);
 112   PropertyManager->Tie( property_name, &ThrustCoeff );
 113
 114   Debug(0);
 115 }
 116
 117 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 118
 119 FGPropeller::~FGPropeller()
 120 {
 121   if (cThrust)    delete cThrust;
 122   if (cPower)     delete cPower;
 123
 124   char property_name[80];
 125   snprintf(property_name, 80, "propulsion/c-thrust[%u]", EngineNum);
 126   PropertyManager->Untie( property_name );
 127
 128   Debug(1);
 129 }
 130
 131 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 132 //
 133 // We must be getting the aerodynamic velocity here, NOT the inertial velocity.
 134 // We need the velocity with respect to the wind.
 135 //
 136 // Note that PowerAvailable is the excess power available after the drag of the
 137 // propeller has been subtracted. At equilibrium, PowerAvailable will be zero -
 138 // indicating that the propeller will not accelerate or decelerate.
 139 // Remembering that Torque * omega = Power, we can derive the torque on the
 140 // propeller and its acceleration to give a new RPM. The current RPM will be
 141 // used to calculate thrust.
 142 //
 143 // Because RPM could be zero, we need to be creative about what RPM is stated as.
 144
 145 double FGPropeller::Calculate(double PowerAvailable)
 146 {
 147   double J, omega;
 148   double Vel = fdmex->GetAuxiliary()->GetAeroUVW(eU);
 149   double rho = fdmex->GetAtmosphere()->GetDensity();
 150   double RPS = RPM/60.0;
 151   double alpha, beta;
 152
 153   if (RPM > 0.10) {
 154     J = Vel / (Diameter * RPS);
 155   } else {
 156     J = 0.0;
 157   }
 158
 159   if (MaxPitch == MinPitch) { // Fixed pitch prop
 160     ThrustCoeff = cThrust->GetValue(J);
 161   } else {                    // Variable pitch prop
 162     ThrustCoeff = cThrust->GetValue(J, Pitch);
 163   }
 164
 165   if (P_Factor > 0.0001) {
 166     alpha = fdmex->GetAuxiliary()->Getalpha();
 167     beta  = fdmex->GetAuxiliary()->Getbeta();
 168     SetActingLocationY( GetLocationY() + P_Factor*alpha*Sense);
 169     SetActingLocationZ( GetLocationZ() + P_Factor*beta*Sense);
 170   } else if (P_Factor < 0.000) {
 171     cerr << "P-Factor value in config file must be greater than zero" << endl;
 172   }
 173
 174   Thrust = ThrustCoeff*RPS*RPS*Diameter*Diameter*Diameter*Diameter*rho;
 175   omega = RPS*2.0*M_PI;
 176
 177   vFn(1) = Thrust;
 178
 179   // The Ixx value and rotation speed given below are for rotation about the
 180   // natural axis of the engine. The transform takes place in the base class
 181   // FGForce::GetBodyForces() function.
 182
 183   vH(eX) = Ixx*omega*Sense;
 184   vH(eY) = 0.0;
 185   vH(eZ) = 0.0;
 186
 187   if (omega <= 5) omega = 1.0;
 188
 189   ExcessTorque = PowerAvailable / omega * GearRatio;
 190   RPM = (RPS + ((ExcessTorque / Ixx) / (2.0 * M_PI)) * deltaT) * 60.0;
 191
 192         // The friction from the engine should
 193         // stop it somewhere; I chose an
 194         // arbitrary point.
 195   if (RPM < 5.0)
 196     RPM = 0;
 197
 198   vMn = fdmex->GetPropagate()->GetPQR()*vH + vTorque*Sense;
 199
 200   return Thrust; // return thrust in pounds
 201 }
 202
 203 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 204
 205 double FGPropeller::GetPowerRequired(void)
 206 {
 207   if (RPM <= 0.10) return 0.0; // If the prop ain't turnin', the fuel ain't burnin'.
 208
 209   double cPReq, RPS = RPM / 60.0;
 210
 211   double J = fdmex->GetAuxiliary()->GetAeroUVW(eU) / (Diameter * RPS);
 212   double rho = fdmex->GetAtmosphere()->GetDensity();
 213
 214   if (MaxPitch == MinPitch) { // Fixed pitch prop
 215     Pitch = MinPitch;
 216     cPReq = cPower->GetValue(J);
 217   } else {                    // Variable pitch prop
 218
 219     if (MaxRPM != MinRPM) {   // fixed-speed prop
 220       double rpmReq = MinRPM + (MaxRPM - MinRPM) * Advance;
 221       double dRPM = rpmReq - RPM;
 222
 223       Pitch -= dRPM / 10;
 224
 225       if (Pitch < MinPitch)       Pitch = MinPitch;
 226       else if (Pitch > MaxPitch)  Pitch = MaxPitch;
 227
 228     } else {
 229       Pitch = MinPitch + (MaxPitch - MinPitch) * Advance;
 230     }
 231     cPReq = cPower->GetValue(J, Pitch);
 232   }
 233
 234   PowerRequired = cPReq*RPS*RPS*RPS*Diameter*Diameter*Diameter*Diameter
 235                                                        *Diameter*rho;
 236   vTorque(eX) = -Sense*PowerRequired / (RPS*2.0*M_PI);
 237
 238   return PowerRequired;
 239 }
 240
 241 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 242
 243 FGColumnVector3 FGPropeller::GetPFactor()
 244 {
 245   double px=0.0, py, pz;
 246
 247   py = Thrust * Sense * (GetActingLocationY() - GetLocationY()) / 12.0;
 248   pz = Thrust * Sense * (GetActingLocationZ() - GetLocationZ()) / 12.0;
 249
 250   return FGColumnVector3(px, py, pz);
 251 }
 252
 253 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 254
 255 string FGPropeller::GetThrusterLabels(int id)
 256 {
 257   std::ostringstream buf;
 258
 259   buf << Name << "_Torque[" << id << "], "
 260       << Name << "_PFactor_Pitch[" << id << "], "
 261       << Name << "_PFactor_Yaw[" << id << "], "
 262       << Name << "_Thrust[" << id << "], ";
 263   if (IsVPitch())
 264     buf << Name << "_Pitch[" << id << "], ";
 265   buf << Name << "_RPM[" << id << "]";
 266
 267   return buf.str();
 268 }
 269
 270 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 271
 272 string FGPropeller::GetThrusterValues(int id)
 273 {
 274   std::ostringstream buf;
 275
 276   FGColumnVector3 vPFactor = GetPFactor();
 277   buf << vTorque(eX) << ", "
 278       << vPFactor(ePitch) << ", "
 279       << vPFactor(eYaw) << ", "
 280       << Thrust << ", ";
 281   if (IsVPitch())
 282     buf << Pitch << ", ";
 283   buf << RPM;
 284
 285   return buf.str();
 286 }
 287
 288 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 289 //    The bitmasked value choices are as follows:
 290 //    unset: In this case (the default) JSBSim would only print
 291 //       out the normally expected messages, essentially echoing
 292 //       the config files as they are read. If the environment
 293 //       variable is not set, debug_lvl is set to 1 internally
 294 //    0: This requests JSBSim not to output any messages
 295 //       whatsoever.
 296 //    1: This value explicity requests the normal JSBSim
 297 //       startup messages
 298 //    2: This value asks for a message to be printed out when
 299 //       a class is instantiated
 300 //    4: When this value is set, a message is displayed when a
 301 //       FGModel object executes its Run() method
 302 //    8: When this value is set, various runtime state variables
 303 //       are printed out periodically
 304 //    16: When set various parameters are sanity checked and
 305 //       a message is printed out when they go out of bounds
 306
 307 void FGPropeller::Debug(int from)
 308 {
 309   if (debug_lvl <= 0) return;
 310
 311   if (debug_lvl & 1) { // Standard console startup message output
 312     if (from == 0) { // Constructor
 313       cout << "\n    Propeller Name: " << Name << endl;
 314       cout << "      IXX = " << Ixx << endl;
 315       cout << "      Diameter = " << Diameter << " ft." << endl;
 316       cout << "      Number of Blades  = " << numBlades << endl;
 317       cout << "      Minimum Pitch  = " << MinPitch << endl;
 318       cout << "      Maximum Pitch  = " << MaxPitch << endl;
 319       cout << "      Thrust Coefficient: " <<  endl;
 320       cThrust->Print();
 321       cout << "      Power Coefficient: " <<  endl;
 322       cPower->Print();
 323     }
 324   }
 325   if (debug_lvl & 2 ) { // Instantiation/Destruction notification
 326     if (from == 0) cout << "Instantiated: FGPropeller" << endl;
 327     if (from == 1) cout << "Destroyed:    FGPropeller" << endl;
 328   }
 329   if (debug_lvl & 4 ) { // Run() method entry print for FGModel-derived objects
 330   }
 331   if (debug_lvl & 8 ) { // Runtime state variables
 332   }
 333   if (debug_lvl & 16) { // Sanity checking
 334   }
 335   if (debug_lvl & 64) {
 336     if (from == 0) { // Constructor
 337       cout << IdSrc << endl;
 338       cout << IdHdr << endl;
 339     }
 340   }
 341 }
 342 }