src/FDM/JSBSim/FGTrim.h

   1 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
   2
   3  Header:       FGTrim.h
   4  Author:       Tony Peden
   5  Date started: 7/1/99
   6
   7  ------------- Copyright (C) 1999  Anthony K. Peden (apeden@earthlink.net) -------------
   8
   9  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  10  the terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
  11  Foundation; either version 2 of the License, or (at your option) any later
  12  version.
  13
  14  This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
  15  ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
  16  FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more
  17  details.
  18
  19  You should have received a copy of the GNU General Public License along with
  20  this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple
  21  Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
  22
  23  Further information about the GNU General Public License can also be found on
  24  the world wide web at http://www.gnu.org.
  25
  26
  27  HISTORY
  28 --------------------------------------------------------------------------------
  29 9/8/99   TP   Created
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  31
  32 FUNCTIONAL DESCRIPTION
  33 --------------------------------------------------------------------------------
  34
  35 This class takes the given set of IC's and finds the aircraft state required to
  36 maintain a specified flight condition.  This flight condition can be
  37 steady-level with non-zero sideslip, a steady turn, a pull-up or pushover.
  38 On-ground conditions can be trimmed as well, but this is currently limited to
  39 adjusting altitude and pitch angle only. It is implemented using an iterative,
  40 one-axis-at-a-time scheme.
  41
  42 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  43 SENTRY
  44 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  45
  46 #ifndef FGTRIM_H
  47 #define FGTRIM_H
  48
  49 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  50 INCLUDES
  51 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  52
  53 #include "FGFDMExec.h"
  54 #include "FGJSBBase.h"
  55 #include "FGRotation.h"
  56 #include "FGAtmosphere.h"
  57 #include "FGState.h"
  58 #include "FGFCS.h"
  59 #include "FGAircraft.h"
  60 #include "FGTranslation.h"
  61 #include "FGPosition.h"
  62 #include "FGAuxiliary.h"
  63 #include "FGOutput.h"
  64 #include "FGTrim.h"
  65 #include "FGTrimAxis.h"
  66
  67 #include <vector>
  68
  69 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  70 DEFINITIONS
  71 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  72
  73 #define ID_TRIM "$Id$"
  74
  75 typedef enum { tLongitudinal, tFull, tGround, tPullup,
  76                tCustom, tNone, tTurn
  77              } TrimMode;
  78
  79 #ifdef _MSC_VER
  80 #define snprintf _snprintf
  81 #endif
  82
  83 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  84 FORWARD DECLARATIONS
  85 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  86
  87 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  88 COMMENTS, REFERENCES, and NOTES [use "class documentation" below for API docs]
  89 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  90
  91 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  92 CLASS DOCUMENTATION
  93 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  94
  95 /** FGTrim -- the trimming routine for JSBSim.
  96     FGTrim finds the aircraft attitude and control settings needed to maintain
  97     the steady state described by the FGInitialCondition object .  It does this
  98     iteratively by assigning a control to each state and adjusting that control
  99     until the state is within a specified tolerance of zero. States include the
 100     recti-linear accelerations udot, vdot, and wdot, the angular accelerations
 101     qdot, pdot, and rdot, and the difference between heading and ground track.
 102     Controls include the usual flight deck controls available to the pilot plus
 103     angle of attack (alpha), sideslip angle(beta), flight path angle (gamma),
 104     pitch attitude(theta), roll attitude(phi), and altitude above ground.  The
 105     last three are used for on-ground trimming. The state-control pairs used in
 106     a given trim are completely user configurable and several pre-defined modes
 107     are provided as well. They are:
 108     <ul>
 109     <li> tLongitudinal: Trim wdot with alpha, udot with thrust, qdot with elevator</li>
 110     <li> tFull: tLongitudinal + vdot with phi, pdot with aileron, rdot with rudder
 111                 and heading minus ground track (hmgt) with beta</li>
 112     <li> tPullup: tLongitudinal but adjust alpha to achieve load factor input
 113          with SetTargetNlf()
 114
 115     <li> tGround: wdot with altitude, qdot with theta, and pdot with phi</li>
 116
 117     The remaining modes include <b>tCustom</b>, which is completely user defined and
 118     <b>tNone</b>.
 119     </ul>
 120
 121     Note that trims can (and do) fail for reasons that are completely outside
 122     the control of the trimming routine itself. The most common problem is the
 123     initial conditions: is the model capable of steady state flight
 124     at those conditions?  Check the speed, altitude, configuration (flaps,
 125     gear, etc.), weight, cg, and anything else that may be relevant.
 126
 127     Example usage:
 128     FGFDMExec* FDMExec = new FGFDMExec();
 129     .
 130     .
 131     .
 132     FGInitialCondition* fgic = new FGInitialCondition(FDMExec);
 133     FGTrim *fgt(FDMExec,fgic,tFull);
 134     fgic->SetVcaibratedKtsIC(100);
 135     fgic->SetAltitudeFtIC(1000);
 136     fgic->SetClimbRate(500);
 137     if( !fgt->DoTrim() ) {
 138       cout << "Trim Failed" << endl;
 139     }
 140     fgt->ReportState();
 141     @author Tony Peden
 142     @version $Id$
 143 */
 144
 145 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 146 CLASS DECLARATION
 147 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
 148
 149 class FGTrim : public FGJSBBase
 150 {
 151 private:
 152
 153   vector<FGTrimAxis*> TrimAxes;
 154   unsigned int current_axis;
 155   int N, Nsub;
 156   TrimMode mode;
 157   int DebugLevel, Debug;
 158   double Tolerance, A_Tolerance;
 159   double wdot,udot,qdot;
 160   double dth;
 161   double *sub_iterations;
 162   double *successful;
 163   bool *solution;
 164   int max_sub_iterations;
 165   int max_iterations;
 166   int total_its;
 167   bool trimudot;
 168   bool gamma_fallback;
 169   bool trim_failed;
 170   unsigned int axis_count;
 171   int solutionDomain;
 172   double xlo,xhi,alo,ahi;
 173   double targetNlf;
 174   int debug_axis;
 175
 176   double psidot,thetadot;
 177
 178   FGFDMExec* fdmex;
 179   FGInitialCondition* fgic;
 180
 181   bool solve(void);
 182
 183   /** @return false if there is no change in the current axis accel
 184       between accel(control_min) and accel(control_max). If there is a
 185       change, sets solutionDomain to:
 186       0 for no sign change,
 187      -1 if sign change between accel(control_min) and accel(0)
 188       1 if sign between accel(0) and accel(control_max)
 189   */
 190   bool findInterval(void);
 191
 192   bool checkLimits(void);
 193
 194   void setupPullup(void);
 195   void setupTurn(void);
 196
 197   void updateRates(void);
 198
 199   void setDebug(void);
 200
 201 public:
 202   /** Initializes the trimming class
 203       @param FDMExec pointer to a JSBSim executive object.
 204       @param FGIC pointer to a FGInitialCondition object
 205       @param TrimMode the set of axes to trim. Can be:
 206              tLongitudinal, tFull, tGround, tCustom, or tNone
 207   */
 208   FGTrim(FGFDMExec *FDMExec, FGInitialCondition *FGIC, TrimMode tt);
 209
 210     ~FGTrim(void);
 211
 212   /** Execute the trim
 213   */
 214   bool DoTrim(void);
 215
 216   /** Print the results of the trim. For each axis trimmed, this
 217       includes the final state value, control value, and tolerance
 218       used.
 219       @return true if trim succeeds
 220   */
 221   void Report(void);
 222
 223   /** Iteration statistics
 224   */
 225   void TrimStats();
 226
 227   /** Clear all state-control pairs from the current configuration.
 228       The trimming routine must have at least one state-control pair
 229       configured to be useful
 230   */
 231   void ClearStates(void);
 232
 233   /** Add a state-control pair to the current configuration. See the enums
 234       State and Control in FGTrimAxis.h for the available options.
 235       Will fail if the given state is already configured.
 236       @param state the accel or other condition to zero
 237       @param control the control used to zero the state
 238       @return true if add is successful
 239   */
 240   bool AddState( State state, Control control );
 241
 242   /** Remove a specific state-control pair from the current configuration
 243       @param state the state to remove
 244       @return true if removal is successful
 245   */
 246   bool RemoveState( State state );
 247
 248   /** Change the control used to zero a state previously configured
 249       @param state the accel or other condition to zero
 250       @param control the control used to zero the state
 251   */
 252   bool EditState( State state, Control new_control );
 253
 254   /** automatically switch to trimming longitudinal acceleration with
 255       flight path angle (gamma) once it becomes apparent that there
 256       is not enough/too much thrust.
 257       @param gamma_fallback true to enable fallback
 258   */
 259   inline void SetGammaFallback(bool bb) { gamma_fallback=true; }
 260
 261   /** query the fallback state
 262       @return true if fallback is enabled.
 263   */
 264   inline bool GetGammaFallback(void) { return gamma_fallback; }
 265
 266   /** Set the iteration limit. DoTrim() will return false if limit
 267       iterations are reached before trim is achieved.  The default
 268       is 60.  This does not ordinarily need to be changed.
 269       @param ii integer iteration limit
 270   */
 271   inline void SetMaxCycles(int ii) { max_iterations = ii; }
 272
 273   /** Set the per-axis iteration limit.  Attempt to zero each state
 274       by iterating limit times before moving on to the next. The
 275       default limit is 100 and also does not ordinarily need to
 276       be changed.
 277       @param ii integer iteration limit
 278   */
 279   inline void SetMaxCyclesPerAxis(int ii) { max_sub_iterations = ii; }
 280
 281   /** Set the tolerance for declaring a state trimmed. Angular accels are
 282       held to a tolerance of 1/10th of the given.  The default is
 283       0.001 for the recti-linear accelerations and 0.0001 for the angular.
 284   */
 285   inline void SetTolerance(double tt) {
 286     Tolerance = tt;
 287     A_Tolerance = tt / 10;
 288   }
 289
 290   /**
 291     Debug level 1 shows results of each top-level iteration
 292     Debug level 2 shows level 1 & results of each per-axis iteration
 293   */
 294   inline void SetDebug(int level) { DebugLevel = level; }
 295   inline void ClearDebug(void) { DebugLevel = 0; }
 296
 297   /**
 298     Output debug data for one of the axes
 299     The State enum is defined in FGTrimAxis.h
 300   */
 301   inline void DebugState(State state) { debug_axis=state; }
 302
 303   inline void SetTargetNlf(float nlf) { targetNlf=nlf; }
 304   inline double GetTargetNlf(void) { return targetNlf; }
 305
 306 };
 307
 308
 309 #endif
 310
 311
 312
 313
 314
 315
 316
 317
 318