Ⅱ型PIO抑制分析及优化

飞行控制系统(人工/自动)控制增益过大、自动飞行控制系统工作异常,会导致作动器饱和,产生飞行操控延时,引发PIO(驾驶员诱发振荡)。本文在阐述了PIO产生机理的基础上,分析了Ⅰ型和Ⅱ型2种软件速率限制,探究了它们的开环和闭环特性;并研究了一种新的PIO抑制方法:通过优化装置,减小驾驶员操控指令及其与舵面实际偏转角之间的相位差,从而减少飞行操控延时,避免作动器饱和而降低舵面控制效率情况的发生。仿真研究表明,采用该方法可以有效地解决因作动器速率限制而引发的PIO问题。     

预防Ⅱ型PIO的作动器设计

重点分析由作动器非线性因素(速率限制)引起的Ⅱ型PIO问题。将非线性因素线性化,采用赫尔维茨稳定性方法分析线性时不变系统的稳定性,采用二次型稳定性方法分析参数时变系统的稳定性。运用ROBAN算法确定稳定域,进而得到条件分析模型,分析了三种条件下的PIO趋势,给出合适的作动器设计方法。仿真研究表明,采用该方法设计的作动器使得某型飞机飞控系统具有良好的鲁棒性,可以有效避免Ⅱ型PIO的产生。     

某电传操纵飞机的Ⅱ型PIO预测和抑制对策研究

 由伺服作动器速率限制引起的 PIO被称为 型 PIO。采用描述函数方法分析了带有速率限制环节的某机人机系统特性,分析表明,当速率限制发生后,在 Nichols图上,系统幅相特性将出现突跃现象,相位滞后增加、幅值减小,此时系统可能出现极限环振荡,即 PIO。用突跃点的频率及其响应的幅值和相角来预测 型PIO,在飞控系统中引入了软件限制环节来减弱速率限制的不利影响。     

基于线性矩阵不等式的电传飞机人机闭环系统稳定域

 针对静不稳定电传飞机作动器速率限制环节引起的Ⅱ型驾驶员诱发振荡(PIO)严重威胁飞机飞行安全的问题,研究了考虑作动器速率限制因素的人机闭环系统稳定域。引入增广状态变量分离速率限制环节,建立了人机闭环系统饱和非线性模型。为得到尽可能大的人机闭环系统稳定域估计,首先将稳定域求解问题转化为凸优化问题,再通过Schur补引理将其转化为线性矩阵不等式的求解问题,最终得到了人机闭环系统椭球体稳定域估计的一般算法。时域仿真研究表明:所估计的稳定域略微保守但不冒进,静不稳定电传飞机的Ⅱ型PIO是一种发散很快的振荡而非极限环振荡,驾驶员操纵增益以及作动器速率限制值是影响稳定域的重要因素。稳定域法物理意义清晰、结果直观,可用于非线性人机闭环系统稳定性的评估。     

预防舰载机PIO的作动器分析方法研究

从人机系统的鲁棒稳定性分析入手,判断系统是否存在PIO趋势,并以保证闭环系统鲁棒稳定性为目的,提出确定选取合适参数的作动器型号的新方法,使系统性能得到改善,本研究可为防范舰载机PIO的作动器相关设计提供参考。     

前馈结构DASA抑制器在抑制PIO中的应用研究

现代电传飞行控制系统中由于作动器速率饱和产生的突然的附加相位滞后以及系统操纵增益的降低是触发非线性PIO的主要原因,对此通常采用相位补偿的方法进行抑制。为研究抑制器的抑制效能,建立了非线性的人机闭环系统模型。在分析基于前馈结构的DASA抑制器频域特性及其相位补偿能力的基础上,采用离散俯仰跟踪任务与正弦跟踪任务在时域内仿真研究了抑制器对PIO的抑制效能,结果表明该抑制器可以抑制非线性PIO。最后在地面飞行模拟器上进行了进一步验证,结果表明DASA抑制器可以改善飞机飞行品质,能用于PIO的抑制。     

反馈结构RLF补偿器在抑制Ⅱ型PIO中的应用研究

现代电传飞行控制系统中由于作动器速率饱和产生的突然的附加相位滞后以及系统操纵增益的降低,是触发Ⅱ型PIO的主要原因,对此通常采用相位补偿的方法进行抑制。为研究补偿器的抑制效能,建立了非线性的人机闭环系统模型。在分析基于反馈结构的RLF补偿器频域特性及其相位补偿能力的基础上,采用离散俯仰跟踪任务与正弦跟踪任务在时域内仿真研究了补偿器对Ⅱ型PIO的抑制效能。仿真结果表明,RLF补偿器可以有效抑制Ⅱ型PIO,经地面飞行模拟器进一步验证,表明补偿器明显改善了飞机飞行品质,可以用于Ⅱ型PIO的抑制。     

Ⅱ型PIO反馈与前馈抑制系统对比

 当舵机速率限制饱和时会产生附加时延,恶化飞行品质,触发Ⅱ型驾驶员诱发振荡（PIO）。运用描述函数法研究速率限制反馈（RLF）和死区增稳（DASA）Ⅱ型PIO抑制系统的开环相位补偿能力,提出RLF抑制系统的参数优化选择方法,分析了DASA抑制系统中死区和滤波器参数对相位补偿能力的影响。研究了两型抑制系统对正弦与偏差输入信号的开环响应特点。建立了含速率限制器的人机系统数学模型,基于描述函数法探究了Ⅱ型PIO的产生机理,推导了抑制Ⅱ型PIO发生的公式,应用连续信号相位补偿法抑制Ⅱ型PIO的发生。对阶跃、离散和正弦3种易于诱发PIO现象的跟踪任务进行数值仿真,对比了两种抑制系统的Ⅱ型PIO抑制能力。结果表明,反馈型RLF抑制系统对Ⅱ型PIO的抑制能力强于前馈型DASA抑制系统,有效降低了Ⅱ型PIO发生的可能性。     

飞机襟翼作动器维修测试系统方案设计

为了解决飞机襟翼维修测试问题,提出了一种飞机襟翼作动器维修与性能测试系统的设计方案。该系统采用伺服电机作为驱动端,采用液压加载来模拟飞机襟翼作动器的负载,由PLC控制液压加载并伺服驱动机构,实现了襟翼作动器负载模拟和性能测试。基于Win CC组态软件,开发了测试系统上位监控软件。模拟测试结果显示,襟翼作动器维修测试系统方案设计合理,能够满足飞机襟翼维修测试要求。     

主动侧杆引导下的Ⅱ型驾驶员诱发振荡抑制

现代飞机采用放宽静稳定性构型和侧杆控制器操纵,使得舵面速率饱和引起的驾驶员诱发振荡（PIO）成为影响飞行品质的一个重要因素。针对舵面速率饱和引起的Ⅱ型PIO问题,设计了主动侧杆人感系统,其弹性系数随着舵面偏转速率饱和的发生而改变,从而达到抑制速率饱和的作用。基于主动侧杆引导下的人机闭环系统模型,仿真分析和飞行品质评价验证表明,基于系统误差在线调整人感系统弹性系数,能够降低舵机速率饱和的程度,改善飞行品质,有效抑制舵机速率饱和引起的Ⅱ型PIO。     

防止Ⅱ型驾驶员诱发振荡技术的研究

许多严重的飞行事故都与由速率限制引起的Ⅱ型PIO有关。针对如何预防PIO，首先介绍了自适应杆增益和软件限制环节的设计原理。然后以某带速率限制的电传飞机为例，运用同一理论，分析采用自适应杆增益和软件限制环节来改善速率限制的不利影响。仿真结果表明，自适应杆增益环节和软件限制环节都能抑制住PIO的发生，但两者组合加入抑制效果更好，飞行品质也能达到满意的程度。     

Flight testing of a rate saturation compensation scheme on the ATTAS aircraft

This paper presents the application of a rate saturation compensation scheme to the DLR Advanced Technologies Testing Aircraft (ATTAS) and the results of the subsequent flight tests. Details of the design philosophy and the flight tests, termed SAIFE (Saturation Alleviation In-Flight Experiment), which employed the HQDT (Handling Qualities During Tracking) test technique, are presented, as well as pilot flight test reports (PFRs). The rate saturation compensators were designed based on the anti-windup (AW) control philosophy, with the aim to reduce the deleterious effects of rate saturation on the piloted aircraft dynamics, and hence provide an increased flight envelope (operating envelope) for acceptable aircraft handling qualities and reduced PIO (Pilot-in-the-Loop/Pilot-involved Oscillation) tendencies. The achievement of this goal was primarily determined by subjective pilot handling qualities ratings and PIO ratings, and secondly by supporting flight test data. The results show that the compensation scheme greatly reduced the level of rate saturation in all instances (flight conditions), making the aircraft less PIO prone in almost all investigated cases, while exhibiting either unchanged or improved handling qualities. Most notably, the flight tests demonstrated the definite potential for well designed AW compensators to improve the safety and handling qualities of aircraft during rate saturation, with some flight conditions exhibiting dramatic improvements.     

驾驶员诱发振荡的抑制方法

对电传操纵系统驾驶员诱发振荡（ＰＩＯ）的现象进行了分析，指出了舵回路速率饱和是造成ＰＩＯ的主要原因，并有针对对给出了一种非常规的用于解决饱和非线性问题的程序控制方法。这种方法主要是通过舵回路反馈的状态信息来改变驾驶杆输入信号的放大系数，从而达到有效抑制ＰＩＯ的目的，同时用Ｈｕｒｗｉｔｚ稳定判据进行了机理分析，最后给出了仿真验证结果，证明该方法是简单而有效的。     

速率限制对PIO的影响分析

针对在现代飞行控制系统中存在的典型非线性速率限制环节,从描述函数的基本定义出发分析了其频率特性,然后将速率限制环节置于人机闭环系统中,利用描述函数法以架驶员诱发振荡（ＰＩＯ）进行了研究,应用于某飞机模型的仿真结果表明,研究结果对于揭示速度限制环节对于ＰＩＯ的影响具有一定参考价值。     

Closed-loop dynamic control allocation for aircraft with multiple actuators

A closed-loop control allocation method is proposed for a class of aircraft with multiple actuators. Nonlinear dynamic inversion is used to design the baseline attitude controller and derive the desired moment increment. And a feedback loop for the moment increment produced by the deflections of actuators is added to the angular rate loop, then the error between the desired and actual moment increment is the input of the dynamic control allocation. Subsequently, the stability of the closed-loop dynamic control allocation system is analyzed in detail. Especially, the closedloop system stability is also analyzed in the presence of two types of actuator failures: loss of effectiveness and lock-in-place actuator failures, where a fault detection subsystem to identify the actuator failures is absent. Finally, the proposed method is applied to a canard rotor/wing (CRW) aircraft model in fixed-wing mode, which has multiple actuators for flight control. The nonlinear simulation demonstrates that this method can guarantee the stability and tracking performance whether the actuators are healthy or fail.