用飛行員模型進行飛行品質自動評估技術研究

韓曉寧，趙欣凱

(中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所飛控部，陜西西安710065)

0 引言

飛行品質的好壞是關系到飛機性能和試飛員執(zhí)行任務難易程度的關鍵因素，因此飛行品質評估是飛機及飛行控制系統(tǒng)研制過程中的一個重要組成部分，是進行螺旋迭代式設計優(yōu)化的依據(jù)。目前，在進行飛控系統(tǒng)控制律開發(fā)和優(yōu)化設計時，評價飛行品質的方法通常有兩種:一是研發(fā)工程師根據(jù)項目要求的飛行品質規(guī)范，通過數(shù)值計算自行進行客觀的飛行品質評價，稱為客觀評估;二是讓試飛員通過模擬飛行對飛控系統(tǒng)進行評價，稱為主觀評估，在新機研制中，這種方法是飛機飛行品質最終鑒定性評估手段。在實際應用中，二者各有所長，需綜合使用。為了在飛控系統(tǒng)設計和優(yōu)化過程中部分取代試飛員進行人-機閉環(huán)飛行品質評定，減少試飛員參與品模試驗的次數(shù)，本文提出了將試飛員的主觀評價客觀量化的思想，以達到模擬人-機閉環(huán)系統(tǒng)飛行試驗，并自動進行飛行品質評定的目的。

1 理論依據(jù)

試飛員對飛行品質的評定主要是根據(jù)庫珀-哈珀評分標準進行［1］。庫珀-哈珀評分標準按照飛機的性能和試飛員完成各種飛行任務的工作負擔兩個方面，將飛行品質劃分成10個不同的評價尺度。庫珀-哈珀準則只是定性地給出了10個評價尺度，但并沒有給出定量的評價。依據(jù)美國軍用規(guī)范——有人駕駛飛機的飛行品質(MIL-F-8785)對飛行品質評估的定量描述，并間接引用了庫珀-哈珀的試飛員評分標準，將飛行品質分成如表1所示的3個等級［2］。

表1 MIL-F-8785C中規(guī)定的3個飛行品質等級Table 1 Three flight quality grades as specified in M IL-F-8785C

在本文中，首先根據(jù)飛行品質評價內(nèi)容，建立試飛員典型評估任務集。然后根據(jù)試飛員的行為特性，建立標準的試飛員行為特性數(shù)學模型。各評估任務中要求的操作動作模型與試飛員操作行為特性數(shù)學模型一起形成對飛機的最終輸入。最后依據(jù)庫珀-哈珀評分標準，結合飛行員的要求，建立飛行品質評定的專家知識庫，對采用試飛員數(shù)學模型進行的飛行試驗進行品質評定，從而指導飛控系統(tǒng)的設計修正，為試飛員最終參與飛控系統(tǒng)評定節(jié)約寶貴的時間。原理框圖如圖1所示。

圖1 飛行品質自動評估原理框圖Fig．1 Schematic diagram of automatic flight quality evaluation

2 試飛員飛行品質評估典型任務

根據(jù)多次品模試驗中試飛員在飛行任務中的典型動作及試驗目的、文獻［4］給出的飛行品質評估機動任務集，并結合飛行品質評定的需要，選定了12項飛行品質評估典型機動任務，其中包括:脈沖操縱、階躍操縱、模態(tài)轉換性能檢查等。

在建立起飛行品質評估標準任務集之后，即可根據(jù)具體型號驗證要求，從任務集中挑選適宜的機動動作，開展飛行品質的評估工作。

3 飛行員行為特性數(shù)學模型

飛行員模型可以視為飛機的復雜控制系統(tǒng)。顯然，將飛行員的行為作數(shù)學模型化是十分困難的，但是具體到飛行員駕駛飛機完成各種飛行任務的控制行為，對其數(shù)學模型化卻是有可能的。最直覺的想法是引用控制論中常見的一些環(huán)節(jié)如一階、二階線性環(huán)節(jié)和延遲環(huán)節(jié)等的組合，來描述飛行員的實時控制行為。然而實踐發(fā)現(xiàn)，單純由線性環(huán)節(jié)組合的飛行員實時控制的數(shù)學模型往往不能完全反映真實情況。原因是人的控制行為中還包含非線性、時變因素和采樣特征(間歇現(xiàn)象)。然而考慮這些因素會使問題的處理十分復雜。因此，為了既簡單便于分析處理，又有一定的實用性，提出了擬線性控制模型(QLCM)。就是在飛行員線性模型的基礎上，考慮人的非線性因素，建立擬線性控制模型，該模型假定飛行員的控制行為可以由線性傳遞函數(shù)加上隨機噪聲來描述，如圖2所示。

圖2 飛行員線性模型Fig．2 Linear pilotmodel

飛行員線性模型采用傳遞函數(shù)形式:

式中，Kp為飛行員增益;τ為飛行員開始反應的時間常數(shù);TL為飛行員超前時間常數(shù);T1為飛行員變化滯后時間常數(shù);TN為飛行員動作滯后時間常數(shù)。

通常，τ描述對于外輸入信號飛行員固有的滯后反應，中等水平飛行員的反應時間常數(shù)τ為0.12～0.20 s;在急劇變化條件下，τ為0.4～0.6 s;故障排除情況下，τ為 0.5～0.6 s。TN為0.08～0.16;Kp為0.5～100;TL為0～5;T1為0～20;n(t)為白噪聲。由于真正的白噪聲難以實現(xiàn)，實際上采用偽隨機噪聲的離散形式偽隨機數(shù)序列來代替。

4 飛行品質評定專家知識庫

在進行飛行品質評定時，針對任務集中每一個飛行任務，試飛員根據(jù)庫珀-哈珀試飛員評定等級給出的評分，主要是綜合考慮飛機的實際響應性能和完成該任務的工作負擔給出。對于同一型號飛機的同一個飛行任務，不同的試飛員給出的評價可能會因為其技術熟練程度、習慣、經(jīng)驗、心理狀態(tài)等個體差異而有所不同，但評分差距不會很大。要以數(shù)學模型代替飛行員構成人-機閉環(huán)系統(tǒng)進行仿真，并給出品質評定，必須將飛行員大腦中的主觀評判標準轉化為客觀量化的指標，用計算機代替飛行員實現(xiàn)對飛行品質等級的自動評定。

通過某教練機的大量實際品模試驗以及與試飛員進行深入細致的探討，并結合國軍標中飛行品質規(guī)范，建立了飛行品質評定的專家知識庫。專家知識庫中飛機性能主要看響應的快速性、超調(diào)量的大小、精確操縱能力等;工作負擔主要看飛行員對駕駛桿(盤)、油門桿、腳蹬的操縱頻率和操縱量，以及對它們之間協(xié)調(diào)操縱的難易程度。

針對所建立的典型任務，飛行品質評定專家知識庫建立的依據(jù)主要是:(1)短周期阻尼比;(2)俯仰角速度準則;(3)俯仰姿態(tài)回落準則;(4)控制律設計限制條件;(5)飛行員在環(huán)評價的實際經(jīng)驗。使用飛行品質評定專家知識庫進行飛行品質評定，在控制律設計初期，可以部分取代飛行員進行人-機閉環(huán)飛行品質評定，改善控制律。

5 仿真與分析

下面就飛行品質評估所依據(jù)的幾個方面，在典型機動任務集中挑選幾個典型動作，對其操縱要求和具體評判方法加以描述。

(1)階躍操縱

動作要求:在試驗當中，完成縱桿的1/4，1/2及最大行程的操縱，動作要力求規(guī)范、準確、快速?？v向方面，盡可能使飛機的速度保持不變。本任務主要檢查飛機的初始響應、阻尼及穩(wěn)態(tài)桿力梯度。

由于俯仰角速度準則的描述是:對俯仰階躍操縱力輸入和對階躍操縱桿位移輸入的俯仰速度響應，因此該動作的評估采用俯仰角速度準則。動作模擬、俯仰角速度響應曲線及評判結果如圖3～圖5所示。

圖3 階躍操縱動作指令曲線Fig．3 Curve of step operating instruction

圖4 階躍操縱俯仰角速率響應曲線Fig．4 Curve of step operating pitch rate response

圖5 階躍操縱評判結果Fig．5 Step control evaluation result

(2)繞緊轉彎

動作要求:保持馬赫數(shù)為常數(shù)，先壓桿建立滾轉角，然后拉桿到底，以達到最大迎角或最大過載。

本任務主要檢查迎角和過載限制功能。通過記錄最大迎角和最大過載，檢查其是否超出理論設計值。圖6和圖7為典型動作模擬以及運用專家知識庫進行評定結果界面圖。

在H=5 000 m，Ma=0.6狀態(tài)下，對繞緊轉彎動作進行模擬，并通過專家知識庫進行自動評估，從圖6可以看出，實際最大迎角為28.994°，迎角限制值為30°，最大實際過載為5.407，過載限制值為－3～8，均在限制范圍以內(nèi)，說明迎角限制器和過載限制器均正常。

(3)推拉俯仰角

動作要求:在預定的高度和馬赫數(shù)狀態(tài)下，配平飛機，迅速拉桿或推桿至預定姿態(tài)角，保持這個姿態(tài)角，直到飛機穩(wěn)定。

本任務主要檢查飛機的縱向操縱人-機閉環(huán)品質，包括飛機初始響應、縱向預測性、操縱協(xié)調(diào)性及精確操縱能力等縱向飛行品質。該動作根據(jù)回落準則以及飛行員的經(jīng)驗描述進行飛行品質評價。即:拉桿后飛機姿態(tài)回落1°以下，為一級品質;回落1°～2°，為二級品質;超出2°則很不滿意。

圖6 典型動作模擬Fig．6 Typical action simulation

圖7 自動評估結果Fig．7 Auto-evaluation result

動作模擬、俯仰角速度響應曲線及評判結果如圖8～圖10所示。

圖8 推拉俯仰角動作指令曲線Fig．8 Curve of pitch angle with pushing and pulling instruction

圖9 俯仰角響應曲線Fig．9 Pitch angle response

圖10 推拉俯仰角評判結果Fig．10 Evaluation result of pushing and pulling pitch angle

由于試飛員依據(jù)庫珀-哈珀試飛員評定等級給出的PR值較之于飛行品質規(guī)范中的規(guī)定更真實也更重要，因此，當兩者的評判方法和標準不一致時，應以試飛員的評定標準為準［5］。但當試飛員的評判方法難以用客觀的指標描述時，則采用相應的飛行品質規(guī)范。

6 結束語

本文對采用飛行員數(shù)學模型進行飛行品質評定進行了研究，初步建立了試飛員典型評估任務集、試飛員行為特性數(shù)學模型和飛行品質評定的專家知識庫，實現(xiàn)了用試飛員數(shù)學模型進行人-機閉環(huán)系統(tǒng)飛行試驗，并自動進行飛行品質評定的目標，其在相同條件下的評判結果與試飛員的評價結果基本一致。該系統(tǒng)的應用對優(yōu)化飛控系統(tǒng)的設計具有很大的幫助，同時能為試飛員最終參與飛控系統(tǒng)評定節(jié)約時間，而且這種方法還避免了試飛員個體差異帶來的評分結果的不一致性。目前，在飛控系統(tǒng)控制律設計中可以部分取代飛行員進行人-機閉環(huán)飛行品質評定，具有良好的應用前景。

［1］高金源，李陸豫，馮亞昌．飛機飛行品質［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2003．

［2］胡兆豐．飛機系統(tǒng)和飛行品質［M］．北京:北京航空航天大學出版社，1994．

［3］李成忠，肖業(yè)倫，方振平，等．軍用規(guī)范——有人駕駛飛機的飛行品質(MIL-F-8785C)的背景資料和使用指南［M］．西安:飛行力學雜志社，1985．

［4］劉疆．大迎角飛行品質研究及地面模擬試飛［D］．西安:西北工業(yè)大學，2000．

［5］張景亭．論庫珀-哈珀駕駛員評定等級［C］∥飛行力學與飛行試驗學術交流年會論文集．西安:飛行力學雜志社，2004:423-428．