src/FDM/JSBSim/initialization/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 Lesser 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 Lesser General Public License for more
  17  details.
  18
  19  You should have received a copy of the GNU Lesser 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 Lesser 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
  30
  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 "FGTrimAxis.h"
  56
  57 #include <vector>
  58
  59 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  60 DEFINITIONS
  61 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  62
  63 #define ID_TRIM "$Id: FGTrim.h,v 1.8 2011/01/24 13:01:55 jberndt Exp $"
  64
  65 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  66 FORWARD DECLARATIONS
  67 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  68
  69 namespace JSBSim {
  70
  71 typedef enum { tLongitudinal=0, tFull, tGround, tPullup,
  72                tCustom, tTurn, tNone } TrimMode;
  73
  74 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  75 CLASS DOCUMENTATION
  76 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  77
  78 /** The trimming routine for JSBSim.
  79     FGTrim finds the aircraft attitude and control settings needed to maintain
  80     the steady state described by the FGInitialCondition object .  It does this
  81     iteratively by assigning a control to each state and adjusting that control
  82     until the state is within a specified tolerance of zero. States include the
  83     recti-linear accelerations udot, vdot, and wdot, the angular accelerations
  84     qdot, pdot, and rdot, and the difference between heading and ground track.
  85     Controls include the usual flight deck controls available to the pilot plus
  86     angle of attack (alpha), sideslip angle(beta), flight path angle (gamma),
  87     pitch attitude(theta), roll attitude(phi), and altitude above ground.  The
  88     last three are used for on-ground trimming. The state-control pairs used in
  89     a given trim are completely user configurable and several pre-defined modes
  90     are provided as well. They are:
  91     - tLongitudinal: Trim wdot with alpha, udot with thrust, qdot with elevator
  92     - tFull: tLongitudinal + vdot with phi, pdot with aileron, rdot with rudder
  93              and heading minus ground track (hmgt) with beta
  94     - tPullup: tLongitudinal but adjust alpha to achieve load factor input
  95                with SetTargetNlf()
  96     - tGround: wdot with altitude, qdot with theta, and pdot with phi
  97
  98     The remaining modes include <b>tCustom</b>, which is completely user defined and
  99     <b>tNone</b>.
 100
 101     Note that trims can (and do) fail for reasons that are completely outside
 102     the control of the trimming routine itself. The most common problem is the
 103     initial conditions: is the model capable of steady state flight
 104     at those conditions?  Check the speed, altitude, configuration (flaps,
 105     gear, etc.), weight, cg, and anything else that may be relevant.
 106
 107     Example usage:
 108     @code
 109     FGFDMExec* FDMExec = new FGFDMExec();
 110
 111     FGInitialCondition* fgic = new FGInitialCondition(FDMExec);
 112     FGTrim fgt(FDMExec, fgic, tFull);
 113     fgic->SetVcaibratedKtsIC(100);
 114     fgic->SetAltitudeFtIC(1000);
 115     fgic->SetClimbRate(500);
 116     if( !fgt.DoTrim() ) {
 117       cout << "Trim Failed" << endl;
 118     }
 119     fgt.Report();
 120     @endcode
 121
 122     @author Tony Peden
 123     @version "$Id: FGTrim.h,v 1.8 2011/01/24 13:01:55 jberndt Exp $"
 124 */
 125
 126 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 127 CLASS DECLARATION
 128 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
 129
 130 class FGTrim : public FGJSBBase
 131 {
 132 private:
 133
 134   vector<FGTrimAxis*> TrimAxes;
 135   unsigned int current_axis;
 136   int N, Nsub;
 137   TrimMode mode;
 138   int DebugLevel, Debug;
 139   double Tolerance, A_Tolerance;
 140   double wdot,udot,qdot;
 141   double dth;
 142   double *sub_iterations;
 143   double *successful;
 144   bool *solution;
 145   int max_sub_iterations;
 146   int max_iterations;
 147   int total_its;
 148   bool trimudot;
 149   bool gamma_fallback;
 150   bool trim_failed;
 151   unsigned int axis_count;
 152   int solutionDomain;
 153   double xlo,xhi,alo,ahi;
 154   double targetNlf;
 155   int debug_axis;
 156
 157   double psidot,thetadot;
 158
 159   FGFDMExec* fdmex;
 160   FGInitialCondition* fgic;
 161
 162   bool solve(void);
 163
 164   /** @return false if there is no change in the current axis accel
 165       between accel(control_min) and accel(control_max). If there is a
 166       change, sets solutionDomain to:
 167       0 for no sign change,
 168      -1 if sign change between accel(control_min) and accel(0)
 169       1 if sign between accel(0) and accel(control_max)
 170   */
 171   bool findInterval(void);
 172
 173   bool checkLimits(void);
 174
 175   void setupPullup(void);
 176   void setupTurn(void);
 177
 178   void updateRates(void);
 179   void setDebug(void);
 180
 181 public:
 182   /** Initializes the trimming class
 183       @param FDMExec pointer to a JSBSim executive object.
 184       @param tm trim mode
 185   */
 186   FGTrim(FGFDMExec *FDMExec, TrimMode tm=tGround );
 187
 188   ~FGTrim(void);
 189
 190   /** Execute the trim
 191   */
 192   bool DoTrim(void);
 193
 194   /** Print the results of the trim. For each axis trimmed, this
 195       includes the final state value, control value, and tolerance
 196       used.
 197       @return true if trim succeeds
 198   */
 199   void Report(void);
 200
 201   /** Iteration statistics
 202   */
 203   void TrimStats();
 204
 205   /** Clear all state-control pairs and set a predefined trim mode
 206       @param tm the set of axes to trim. Can be:
 207              tLongitudinal, tFull, tGround, tCustom, or tNone
 208   */
 209   void SetMode(TrimMode tm);
 210
 211   /** Clear all state-control pairs from the current configuration.
 212       The trimming routine must have at least one state-control pair
 213       configured to be useful
 214   */
 215   void ClearStates(void);
 216
 217   /** Add a state-control pair to the current configuration. See the enums
 218       State and Control in FGTrimAxis.h for the available options.
 219       Will fail if the given state is already configured.
 220       @param state the accel or other condition to zero
 221       @param control the control used to zero the state
 222       @return true if add is successful
 223   */
 224   bool AddState( State state, Control control );
 225
 226   /** Remove a specific state-control pair from the current configuration
 227       @param state the state to remove
 228       @return true if removal is successful
 229   */
 230   bool RemoveState( State state );
 231
 232   /** Change the control used to zero a state previously configured
 233       @param state the accel or other condition to zero
 234       @param new_control the control used to zero the state
 235   */
 236   bool EditState( State state, Control new_control );
 237
 238   /** automatically switch to trimming longitudinal acceleration with
 239       flight path angle (gamma) once it becomes apparent that there
 240       is not enough/too much thrust.
 241       @param bb true to enable fallback
 242   */
 243   inline void SetGammaFallback(bool bb) { gamma_fallback=bb; }
 244
 245   /** query the fallback state
 246       @return true if fallback is enabled.
 247   */
 248   inline bool GetGammaFallback(void) { return gamma_fallback; }
 249
 250   /** Set the iteration limit. DoTrim() will return false if limit
 251       iterations are reached before trim is achieved.  The default
 252       is 60.  This does not ordinarily need to be changed.
 253       @param ii integer iteration limit
 254   */
 255   inline void SetMaxCycles(int ii) { max_iterations = ii; }
 256
 257   /** Set the per-axis iteration limit.  Attempt to zero each state
 258       by iterating limit times before moving on to the next. The
 259       default limit is 100 and also does not ordinarily need to
 260       be changed.
 261       @param ii integer iteration limit
 262   */
 263   inline void SetMaxCyclesPerAxis(int ii) { max_sub_iterations = ii; }
 264
 265   /** Set the tolerance for declaring a state trimmed. Angular accels are
 266       held to a tolerance of 1/10th of the given.  The default is
 267       0.001 for the recti-linear accelerations and 0.0001 for the angular.
 268   */
 269   inline void SetTolerance(double tt) {
 270     Tolerance = tt;
 271     A_Tolerance = tt / 10;
 272   }
 273
 274   /**
 275     Debug level 1 shows results of each top-level iteration
 276     Debug level 2 shows level 1 & results of each per-axis iteration
 277   */
 278   inline void SetDebug(int level) { DebugLevel = level; }
 279   inline void ClearDebug(void) { DebugLevel = 0; }
 280
 281   /**
 282     Output debug data for one of the axes
 283     The State enum is defined in FGTrimAxis.h
 284   */
 285   inline void DebugState(State state) { debug_axis=state; }
 286
 287   inline void SetTargetNlf(double nlf) { targetNlf=nlf; }
 288   inline double GetTargetNlf(void) { return targetNlf; }
 289
 290 };
 291 }
 292
 293 #endif