驾驶员模型对驾驶员诱发振荡评估结果的影响

在飞机设计中,应用不同的驾驶员模型来预测驾驶员诱发振荡(PIO)是避免人机系统出现不良耦合的重要途径之一。以人-机闭环系统为研究对象,以某一电传飞机为例,采用Ⅱ型PIO的开环发生点OLOP评估准则,分别使用增益驾驶员模型和修正Neal-Smith驾驶员模型对人机闭环系统中的PIO易感性进行了分析、评估,对比研究了不同驾驶员模型对OLOP评估准则评估结果的影响。仿真结果表明:不同的驾驶员模型对Ⅱ型PIO评估准则(OLOP)的评估结果有较大的影响,相同驾驶员模型下不同的驾驶员增益对评估结果也有影响。在使用OLOP评估准则时应充分考虑驾驶员模型对评估结论的影响。     

基于速率限制的二类驾驶员诱发振荡评估方法

速率限制问题已成为引起电传飞机驾驶员诱发振荡问题的主要原因。以人-机系统为研究对象,探究了驾驶员诱发振荡产生的机理,建立了人-机系统驾驶员模型和飞机模型,揭示了速率限制因素对人-机系统稳定性的影响规律,评估了基于速率限制的二类PIO的OLOP预测准则。该准则能否作为二类PIO评估准则进行了严格审查,评估了作为设计工具的潜在性。     

舰载机着舰下滑过程中的PIO趋势评估与防范

为了研究舰载机着舰安全性,首次提出了舰载机的驾驶员诱发震荡（PIO）问题,结合对陆基飞机飞行员诱发振荡的研究成果,分析了舰载机与陆基飞机在该问题上的异同点,构造了速率限制器前置滤波器来改进控制回路中的舵机速率保护结构,重点对舰载机着舰下滑过程可能发生PIO情况进行了仿真分析,并利用史密斯准则评估了过程的振荡趋势,说明了下滑过程发生PIO对着舰安全的影响,同时验证了所提出的防范方法的有效性。     

在速率限制情况下获取人—机特性

自从X－15飞机在进场着陆阶段出现驾驶员诱发振荡（PIO）以来差不多有40年了，速率限制就一直成为引起PIO现象的常见因素。遗憾的是，由于缺乏有效的飞行试验数据，使得对由速率限制引起的PIO研究受到了限制。在1990年初，美国海军进行了一项F－14飞机模拟双液压故障时的操纵品质评价。在这种情况下，F－14飞行员必须依靠速率被大大限制的备份飞控模块（BUFCM）。尽管在编队飞行中操纵得心应手，量严重的PIO困境着空中加油和有偏着陆的飞行尝试。由于评价飞机当时装有完善的测试仪器，因而建立了完整的数据库。数据段包括扫描、加油对接、对接跟踪和有偏着陆。数据的频域分析揭示出在速率限制情况下可以提取到包含重要操纵品质的人－机系统特性和PIO准则，并且观测到期望幅值减小、相位延迟增加以及监视与速度限制有关的输入振幅。通过检查飞行员杆力输入的功率谱密度，能确定PIO频率和任务带宽。最终证明，在加油对接和跟踪任务方面由速率限制引起的过大的相位延迟导致了PIO。     

Gap准则在纵向Ⅱ类驾驶员诱发振荡预测中的应用

研究了Gap准则,建立了速率限制舵机的描述函数模型、改进的Neal-Smith模型,介绍了描述函数法研究I类驾驶员诱发振荡(PIO)的机理,得到了Gap准则在预测纵向I类PIO中的计算方法。并应用Gap准则对飞机纵向I类PIO进行了预测,结果表明Gap准则能够有效的预测纵向I类PIO。     

神经网络模型在TDNS准则中的应用研究

时域Neal-Smith（TDNS）准则源于频域Neal-Smith（FDNS）准则和阶跃目标跟踪准则,被广泛应用于纵向驾驶员诱发振荡（PIO）趋势的预测研究。在该准则采用的人机闭环系统中,广泛运用结构简单且能反映飞行员基本行为特征的拟线性驾驶员模型。但在实际情况中,驾驶员的行为通常具有高度的非线性,为了更精确地描述驾驶员的非线性特性,采用神经网络方法建立驾驶员模型。利用某机的试飞数据对神经网络进行了训练和测试,生成了神经网络模型。针对TDNS预测准则,建立了相应的仿真模型,通过仿真运算,得到了该飞机的P10预测结果。研究表明：相对于传统的驾驶员模型,神经网络模型能够更好与真实驾驶员相匹配;在TDNS评估准则中运用神经网络模型具有实际的意义。     

Neal-Smith准则改进分析

驾驶员在环振荡判定准则较多,其中Neal-Smith准则的应用较为普遍.但Neal-Smith准则并不能准确反映PIO趋势,与驾驶员评估结论也存在一定差异.根据Neal-Smith准则进行飞机纵向驾驶员在环振荡分析的基本方法与程序,结合系统频域响应估算工具,分析得出满足系统性能要求的驾驶员相位补偿和增益区域,并基于该区域面积定义了新的PIO判断准则.与现有Neal-Smith准则相比,新的PIO判断准则可反映一类和二类PIO趋势随闭环系统参数的连续变化情况.     

大型电传民用飞机人机耦合（APC）分析与评估

大型民用客机电传操纵系统的应用,使驾驶员诱发振荡（PIO）的可能性大大增加,直接影响到飞机的安全性。通过对PIO的分析,介绍了三个工程上实用的Ⅰ类PIO趋势评估准则：姿态带宽准则、Smith-Geddes准则、综合（姿态带宽加回落）准则,并结合准则给出了相应的算法和算例。最后提出了防范不利人机耦合的改进方案和设计措施。     

引入杆位移抑制滤波器的驾驶员诱发振荡防范方法

对人-机闭环系统进行数学建模,基于 Neal-Smith频域准则,对建立的模型进行参数匹配。在该模型条件下,以对驾驶员诱发振荡(Pilot Induced Oscillation,PIO)现象的产生机理及诱发因素的研究为基础,深入探讨了在恶劣环境下 PIO的防范方法,并利用 Neal-Smith频域准则对该防范方法进行评估。通过开环特性和闭环特性分析,确立了引入杆位移抑制滤波器的方法来有效抑制 PIO的发生,为飞机设计研制过程中有效防范 PIO提供借鉴和参考。     

基于人机闭环稳定性的舵机速率限制边界

舵机速率限制是造成电传操纵飞机人机耦合的主要原因。利用描述函数法对舵机速率限制非线性进行建模,分析舵机速率限制非线性、人机耦合发生频率及人机闭环稳定性间的关系,并基于此提出舵机速率边界的确定方法;以典型放宽静稳定性飞机为例,基于最优McRuer驾驶员模型,确定人机闭环稳定性所需的最小舵机偏转速率;基于开环起始点(OLOP)准则对所确定的速率限制边界进行验证。结果表明:本文提出的舵机速率边界的确定方法最小成本地避免了人机耦合;所确定的舵机速率限制边界与OLOP准则边界对应的舵机速率基本吻合,即所建立的舵机速率限制边界确定方法合理。     

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。     

现代飞机驾驶员诱发振荡机理和预测研究

在说明驾驶员诱发振荡的定义，简单介绍了现代飞机的ＰＩＯ类型之后，详细分析了影响ＰＩＯ的各种因素（如飞机的动态特性、操纵面伺服器，座舱操纵感觉系统，驾驶员及诱发因素等）；为了探讨驾驶员操纵行为对ＰＩＯ的影响，采用优化控制理论，建立等效驾驶员操纵动态模型；研究飞行品质与ＰＩＯ的关系，建立相应的预测ＰＩＯ的准则。     

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。     

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。     

用新飞行模拟器试验由速率饱和引起的驾驶员在回路中的振荡

本文介绍了现代飞控系统由速率饱和引起的驾驶员的回路中振荡（ＰＩＯ）的新数据库生成。由五名有经验的试飞员在ＦＦＡ的地面模拟器上进行了大量的飞行模拟试验。鉴定了用三个横向数据库的飞机模型。总共进行了３４２次模拟器试验。介绍了两种不同驾驶任务的影响、模拟器运动系统的影响和不同驾驶员特点的模拟结果。按照在ＤＬＲ发展的新非线性ＰＩＯ预测准则－ＯＬＯＰ（开环起始点）准则分析了模拟数据。驾驶员模型几乎接近测得的数据，并用来验证ＯＬＯＰ准则。最后，讨论了用ＯＬＯＰ准则进行试验的结果。     

俯仰轴飞行品质的PIO准则计算

由于新技术的采用,现代飞机出现驾驶员诱发振荡(PIO)现象大大增加,因此PIO已成为危及飞行安全的主要因素之一。介绍了MIL—STD—1797A规范中的PIO预测准则和美国“人机耦合对飞行安全影响委员会”提出的准则,论述了这些准则要求的背景、机理和计算方法,最后以某机为例进行了PIO预测计算和分析。     

飞机纵向振荡的试飞研究

介绍了产生驾驶员诱发振荡(PIO)的原因,并以某飞机发生PIO为例,分析了产生PIO的机理——法向过载相位对纵向杆力的滞后接近于180°,驾驶员模态和飞机短周期模态出现了严重耦合。操纵系统时间延迟、相位滞后、质量不平衡力以及驾驶员的输入等,都会对飞机的动态特性产生影响,在飞机的设计过程中,综合考虑各方面的因素就能极大地降低产生PIO的条件和可能性。     

横航向驾驶员诱发振荡研究及地面模拟验证

本文建立了包括非线性环节在内的横航向驾驶员—操纵系统—飞机本体组合系统的数学模型,采用闭环控制原理,对JJ-7飞机横航向驾驶员诱发振荡PIO问题进行了研究,并详细地讨论了驾驶员参数及其各种操纵动作、操纵系统和飞机本体气动参数对横航向PIO的影响,探讨了横航向PIO产生的机理。文中以JJ-7飞机为例,采用时域法在整个飞行包线各点进行了检查,并用固基飞行模拟器进行模拟验证。其结果与理论计算结果相一致。     

驾驶员诱发振荡飞行培训和评定方法研究

总结了驾驶员诱发振荡(PIO)飞行培训和PIO等级评定(PIOR)方法.根据PIO发生的机理,分析了诱发PIO的因素.在某变稳飞机中,设置可能产生PIO的关键系统参数,设计了高增益的飞行培训任务,由3名飞行员完成任务后利用PIOR定量评估飞机的PIO趋势,研究了PIO飞行培训方法和等级评定方法.结果表明,用变稳机进行飞行员PIO飞行培训的方法合理可行,用PIOR可有效评定发生PIO的趋势等级.     

基于序列二次规划的PIO易感性时域评估方法

时域Neal-Smith准则是评估PIO易感性比较理想的量化准则,但驾驶员的自适应特性给该准则的使用带来了困难。以某机型为算例,将序列二次规划算法应用于时域Neal-Smith准则,对其PIO易感性进行了评估。评估结果表明,将序列二次规划算法用于时域Neal-Smith准则来评估飞机的PIO易感性是可行的。