Neal-Smith準則改進分析

王偉志

(中航通飛研究院有限公司 第四研究室, 廣東 珠海 519000)

?

Neal-Smith準則改進分析

王偉志

(中航通飛研究院有限公司 第四研究室, 廣東 珠海 519000)

駕駛員在環(huán)振蕩判定準則較多,其中Neal-Smith準則的應用較為普遍。但Neal-Smith準則并不能準確反映PIO趨勢,與駕駛員評估結論也存在一定差異。根據(jù)Neal-Smith準則進行飛機縱向駕駛員在環(huán)振蕩分析的基本方法與程序,結合系統(tǒng)頻域響應估算工具,分析得出滿足系統(tǒng)性能要求的駕駛員相位補償和增益區(qū)域,并基于該區(qū)域面積定義了新的PIO判斷準則。與現(xiàn)有Neal-Smith準則相比,新的PIO判斷準則可反映一類和二類PIO趨勢隨閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的連續(xù)變化情況。

駕駛員在環(huán)振蕩; Neal-Smith準則; 頻域響應估計; 駕駛員工作區(qū)

0 引言

駕駛員在環(huán)振蕩(PIO)指由于駕駛員的操縱而引起飛機持續(xù)或不可控的振蕩[1]。因為該定義容易讓人誤解PIO的發(fā)生是駕駛員的責任,所以現(xiàn)今PIO一般定義為一種不利的人機耦合現(xiàn)象,即駕駛員操縱飛機時飛機發(fā)生持續(xù)或不可控的振蕩[2]。

PIO是飛機、駕駛員和誘發(fā)因素三種因素共同作用的結果。由于駕駛員的自我調(diào)節(jié)機制具有很強的適應性,對該機制的研究還遠未成熟。嚴重PIO往往導致災難性后果,因此對嚴重PIO現(xiàn)象的復現(xiàn)存在較大困難,這也制約了對PIO的研究?；诖?對PIO的研究從未間斷。目前,一般將PIO分為三類:一類PIO發(fā)生在將人機閉環(huán)系統(tǒng)等效為具有延遲環(huán)節(jié)的線性系統(tǒng)中,系統(tǒng)延遲導致高頻相位梯度增大,使得更容易發(fā)生PIO;二類PIO主要是由實際控制系統(tǒng)元件的速率/位置限制引起;三類PIO是由除速率/位置限制因素以外的非線性因素引起[3]。針對一類PIO,目前已存在約10種判定準則和方法,各有優(yōu)劣。針對二類PIO也存在約5種判定準則和方法。目前還沒有針對三類PIO的判定準則,但是根據(jù)經(jīng)驗,消除一類和二類PIO后一般不會發(fā)生三類PIO。

雖然人們對PIO進行了大量的研究,得到了許多預測PIO的準則和方法,但是,各種判定準則的預測結果與實際情況都有一定出入。本文根據(jù)Neal-Smith準則分析PIO趨勢的基本方法[4],對某型飛機進行縱向PIO仿真分析,提出駕駛員工作區(qū)的概念,并基于駕駛員工作區(qū)提出對Neal-Smith 準則的改進建議。

本研究結果還顯示，兩組患者術中均未見盆腔器官損傷發(fā)生。兩組患者術后并發(fā)癥發(fā)生率比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。提示保留盆腔自主神經(jīng)的子宮廣泛性切除聯(lián)合陰道延長術雖增加了手術難度，但并未增加術后并發(fā)癥，臨床安全性較高。

1 模型的建立

飛機縱向PIO分析模型包括三部分,即駕駛員模型、操縱系統(tǒng)模型和飛機本體縱向動力學模型。

隨著生活水平的提高，居民追求房屋的質(zhì)量與服務的要求也越來越高，物業(yè)的好壞直接關系到居民的生活質(zhì)量。因此商品住宅的物業(yè)費也對其產(chǎn)生了一定作用。從圖1來看，沿著西北方向到東南方向小區(qū)房價受物業(yè)費影響的程度越來越高。

采用同樣的方法得到駕駛員模型中的時間延遲分別為0.2 s和0.4 s時,駕駛員工作區(qū)如圖10和圖11所示。

駕駛員模型包括增益kp、時間延遲τ和相位補償角θp,其傳遞函數(shù)為:

與傳統(tǒng)的課堂教學相比，網(wǎng)絡教學平臺可以構建智能的交互式課堂系統(tǒng)，完善教學服務體系，增強學生粘度和滿意度；課堂互動教學，反饋學習效果和課后操作系統(tǒng)和評估系統(tǒng)的實施，以及課外學生的自學。教師可以推薦閱讀和提出預習目標，并且以學定教，模擬備課，以期達到更好的課堂授課效果；課外，學生可以根據(jù)老師的興趣引導、智能推薦，尋找優(yōu)秀資源，有需要還可以進行網(wǎng)上仿真實驗，完成跨越式互動交流。

許多企業(yè)將生產(chǎn)用的廠房布置于農(nóng)村地區(qū)，這些廠房的所排放的二氧化硫、二氧化碳、煙塵、粉塵往往超出國家標準許多。而在農(nóng)村常見的秸稈燃燒也會產(chǎn)生大量煙塵以及污染氣體，且此類空氣污染往往具有季節(jié)性的特征。綜合上述兩點來看，是目前農(nóng)村大氣污染的主要因素。

(1)

當tp1>tp2時,相位超前;tp1

Neal-Smith準則根據(jù)駕駛員對飛行品質(zhì)的感性要求提煉而成,其基本概念包括帶寬、最大下垂量和諧振峰值,均定義在人機閉環(huán)系統(tǒng)的伯德圖上,如圖3所示。圖中:A點對應頻率定義為帶寬,即相位滯后90°時的頻率;B點對應幅值為最大下垂量,即系統(tǒng)帶寬內(nèi)的最小幅值;C點對應幅值為諧振峰值。

綜合考慮內(nèi)部及遠、近外層因素，運用科學方法，從標準、規(guī)模及功能入手，監(jiān)控方案設計、建設進程、投資成本、項目資金的籌集與支出、財務結算等，充分分析各項工作特點，確定各項工作時間節(jié)點，讓各項工作在統(tǒng)一的節(jié)奏下運行。

本文所研究的目標飛機采用液壓助力式飛行操縱系統(tǒng),可分為前后兩段。前段為駕駛員輸入端(駕駛盤/腳蹬)到助力器輸入端,該段由駕駛盤/腳蹬、拉桿、搖臂及人感裝置組成,為一開環(huán)系統(tǒng);后段為助力器輸入端到舵面,包括助力器、拉桿、搖臂及舵面,為一閉環(huán)系統(tǒng)。當駕駛員操縱幅度較小時,人感裝置線性特性較好,前段操縱系統(tǒng)可表述為:

(2)

綜合飛機氣動參數(shù)、重量/重心數(shù)據(jù)及其他設計參數(shù),建立飛機飛行動力學模型。對模型進行線化分析可以得到飛機各平衡點的線性狀態(tài)方程,即可得到各輸入輸出之間的傳遞函數(shù)。目標飛機某平衡點俯仰角與升降舵偏角之間的關系為:

目前已經(jīng)標注完的語料共有100篇,其中地震、火災、交通事故、恐怖襲擊和食物中毒各20篇.這是第一期的標注,旨在確定標注流程和規(guī)范,對其中的指代進行了統(tǒng)計分析,在以后的工作中,會進一步基于CEC的剩余部分進行標注,并繼續(xù)擴大.

δe/δs=ke[15/(s+15)]

(3)

式中:δe為升降舵偏角;ke為后段操縱系統(tǒng)增益。

本文所用的EP原理圖見圖1，EP電解液采用HF(40%)：H2SO4(98%)=1：9(V/V)的混合酸，超導鈮腔作為EP正極失去電子，高純鋁棒作為負極使氫離子轉化為氫氣，EP反應見方程式(1)：

式中:δs為助力器輸入端位移;fs為輸入桿力;ks為前段操縱系統(tǒng)增益。

(4)

式中:δθ為飛機俯仰角擾動量。在進行縱向PIO分析時,可不考慮長周期運動的影響,通過系統(tǒng)識別可得到傳遞函數(shù)δθ/δe的低階等效系統(tǒng)為:

(5)

傳遞函數(shù)δθ/δe與其低階等效系統(tǒng)的伯德圖如圖1所示?？梢钥闯?當頻率大于0.3 rad/s時,低階等效系統(tǒng)準確擬合了δθ/δe。

圖1 δθ/δe與其低階等效系統(tǒng)的伯德圖Fig.1 The Bode plot of δθ/δe and its low orderequivalent system

2 縱向PIO仿真結果與分析

結合前文所述的駕駛員模型、操縱系統(tǒng)模型和飛機本體模型,即可得到駕駛員操縱飛機的閉環(huán)模型,如圖2所示。將輸入信號設置為不同頻率的正弦信號,分別進行仿真并進行傅里葉變換即可得到閉環(huán)系統(tǒng)的伯德圖。從伯德圖可得到Neal-Smith準則的相關指標,包括最大下垂量、帶寬及閉環(huán)諧振峰值。

對于后段操縱系統(tǒng),駕駛員操縱指令通過拉桿傳遞到助力器輸入端?；y運動使閥口打開,高壓油液流入助力器。左右兩腔形成壓力差,助力器輸出力作用于活塞和支座。活塞通過拉桿推動舵面運動,同時,活塞位移和支座位移均通過機械位移反饋導致滑閥開度減小,形成閉環(huán)控制,助力器活塞最終穩(wěn)定在新的位置[5]。經(jīng)仿真分析,在不考慮助力器速率飽和的情況下,后段操縱系統(tǒng)可等效為:

圖2 駕駛員在環(huán)系統(tǒng)框圖Fig.2 Pilot in-the-loop system block diagram

2.1 Neal-Smith準則簡介

1.2 操縱系統(tǒng)模型

應用Neal-Smith準則進行PIO分析時,先根據(jù)飛行任務需要選定帶寬,然后調(diào)節(jié)駕駛員參數(shù)直到帶寬頻率對應相位滯后為90°、最大下垂量大于-3 dB,且閉環(huán)系統(tǒng)諧振峰值最小,最后根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)諧振峰值和駕駛員相位補償量判斷PIO趨勢。

圖3 Neal-Smith準則基本概念Fig.3 Basic concepts of Neal-Smith criteria

根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)諧振峰值和駕駛員相位補償量判斷PIO趨勢的依據(jù)為飛行試驗所積累的經(jīng)驗,即駕駛員相位補償/閉環(huán)系統(tǒng)諧振峰值和駕駛員PIO評價(PIOR)存在的相關關系,如圖4為A種飛行階段和著陸飛行時Neal-Smith準則與PIOR的相關關系[2-3]。圖中:虛線表示A種飛行階段;實線表示著陸飛行階段。

圖4 Neal-Smith準則與PIOR相關性Fig.4 Relationship between Neal-Smith criterion and PIOR

2.2 穩(wěn)定邊界的確定

固定駕駛員模型中的時間延遲為0.3 s,選定帶寬為1.5 rad/s,取相位補償角為30°,駕駛員增益值分別為kp1=9.2 N/(°),kp2=15.2 N/(°),kp3=17.2 N/(°)時,閉環(huán)系統(tǒng)伯德圖如圖5所示。

圖5 駕駛員增益不同時的閉環(huán)系統(tǒng)伯德圖Fig.5 Bode plot of closed loop system at different pilot gain

可以看出,隨著駕駛員增益的增大,閉環(huán)系統(tǒng)幅頻曲線出現(xiàn)一個峰值,且該峰值隨著駕駛員增益繼續(xù)增加,峰值左邊臨近頻率處幅頻曲線斜率顯著增加,即PIO趨勢越來越強烈。定義閉環(huán)系統(tǒng)幅頻曲線峰值左邊的最大斜率達到某一值時的駕駛員增益值為穩(wěn)定邊界,該斜率愈小,PIO裕度愈大。

2.3 駕駛員增益與相位補償?shù)挠绊?/p>

固定駕駛員模型中的時間延遲為0.3 s,選定帶寬為1.5 rad/s,相位補償角在(-30°,70°)范圍內(nèi)取值,駕駛員增益值逐漸增大直到閉環(huán)系統(tǒng)接近穩(wěn)定邊界。通過仿真分析可得到:閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)諧振峰值與駕駛員增益和相位補償?shù)年P系如圖6所示,最大下垂量如圖7所示,相位滯后90°時的頻率如圖8所示。

圖6 閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)諧振峰值Fig.6 Maximum magnitude of closed loop system

圖7 閉環(huán)系統(tǒng)最大下垂量Fig.7 Maximum droop of closed loop system

圖8 相位滯后90°對應的頻率Fig.8 Frequency at 90° phase lag

Neal-Smith準則要求在帶寬范圍內(nèi)最大下垂量不超過-3 dB,帶寬要求根據(jù)實際需要選定。結合圖6和圖7,可得到同時滿足下垂量(≥-3 dB)和帶寬要求(≥1.5 rad/s)的駕駛員增益和相位邊界,如圖9所示。

艾司西酞普蘭與度洛西汀治療抑郁癥有效性與安全性的Meta分析 ……………………………………… 路淑淑等（10）：1395

圖9 滿足下垂量和帶寬要求的邊界Fig.9 Boundary meeting the requirements of the bandwidth and droop

圖9(a)中,曲線ABC以上區(qū)域滿足下垂量和帶寬要求,AB段以下區(qū)域不滿足帶寬要求,BC段以下區(qū)域不滿足下垂量要求。曲線ABC上存在一個幅值最小的點,該點為進行Neal-Simth準則判定所需的點,定義為Neal-Smith準則判斷點;曲線CD為系統(tǒng)穩(wěn)定邊界,其與曲線ABC共同構成的區(qū)域既滿足性能要求且不會發(fā)生不可控的PIO,定義該區(qū)域為駕駛員工作區(qū)。

結合圖6和圖9(b)可以看出,人機閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)諧振峰值先隨著駕駛員增益的增大而快速增加,之后增大很緩慢,然后以一定斜率增大,最后斜率急劇增加直到系統(tǒng)發(fā)散,即發(fā)生了不可控的PIO。

2.4 時間延遲的影響

1.1 駕駛員模型

圖10 駕駛員工作區(qū)(時間延遲為0.2 s)Fig.10 Pilot working region (time delay is 0.2 s)

圖11 駕駛員工作區(qū)(時間延遲為0.4 s)Fig.11 Pilot working region (time delay is 0.4 s)

2.5 速率飽和的影響

1.3 飛機本體模型

采用同樣方法,得到操縱系統(tǒng)助力器不同速率限制下的駕駛員工作區(qū)如圖12～圖14所示。

圖12 駕駛員工作區(qū)(速率限制5 (°)/s)Fig.12 Pilot working region (rate limit is 5 (°)/s)

圖13 駕駛員工作區(qū)(速率限制10 (°)/s)Fig.13 Pilot working region (rate limit is 10 (°)/s)

圖14 駕駛員工作區(qū)(速率限制15 (°)/s)Fig.14 Pilot working region (rate limit is 15 (°)/s)

3 Neal-Smith準則的改進

3.1 Neal-Smith準則改進分析

北美刺龍葵(Solanum carolinense L.)是一種惡性雜草，繁殖能力強，可造成作物嚴重減產(chǎn)，也是農(nóng)作物病蟲害的寄主，對牲畜和人類有毒，現(xiàn)已被列入我國進境檢疫性有害生物名單。近年來北美刺龍葵不斷隨進口貨物傳入我國，進入我國定殖和傳播擴散的可能性大增，因此，了解北美刺龍葵的分布區(qū)域、生物學特征等，對口岸檢疫及防控具有積極的意義。

Neal-Smith準則根據(jù)判斷點的位置,即滿足要求的駕駛員相位補償量和系統(tǒng)閉環(huán)諧振峰值所處區(qū)域來判斷PIO趨勢。當不同飛機或者同一飛機不同飛行狀態(tài)下分析得到的判斷點位置接近時,Neal-Smith準則并不能說明哪一構型的PIO趨勢更強烈,即不能反映PIO趨勢隨系統(tǒng)參數(shù)的連續(xù)變化情況；另一方面,駕駛員實際操縱飛機時其相位補償量和駕駛員增益往往在一定區(qū)域內(nèi)變化。因此,基于整個駕駛員區(qū)來判斷PIO趨勢比基于區(qū)域內(nèi)的一點更加全面客觀。

參考仿真分析結果及駕駛員PIO評估經(jīng)驗可知,閉環(huán)系統(tǒng)實際的PIO趨勢由駕駛員工作區(qū)域大小、該區(qū)域上各點對應的系統(tǒng)閉環(huán)諧振峰值以及駕駛員工作區(qū)的相位(相位補償量)決定。定義新的PIO趨勢指標為:

(6)

式中:Ns為PIO趨勢,數(shù)值越大,PIO趨勢越強烈;k為常值系數(shù);右邊分子項為系統(tǒng)閉環(huán)諧振峰值magv對駕駛員工作區(qū)面積的加權積分;權系數(shù)wp由駕駛員相位補償量的絕對值決定;Sop為駕駛員工作區(qū)的“面積”。

3.2 計算結果

單個懸掛小車液壓回路如圖3所示.該液壓原理主要回路為平衡、調(diào)壓回路,雙聯(lián)齒輪泵，適應懸掛系統(tǒng)的不同工況,各液壓回路、元件的功能與液壓蓄能式懸掛一致.由于單個機械液壓式懸掛有2個液壓懸掛油缸,區(qū)別于單個液壓蓄能式懸掛的4個懸掛油缸,其承受的負載發(fā)生變化,故需對液壓油缸結構重新設計.

按照新定義的PIO趨勢指標和Neal-Smith準則,分別計算某型飛機不同情況下的縱向PIO趨勢。

表1為駕駛員時間延遲的影響?？梢钥闯?當駕駛員時間延遲由0.2 s變?yōu)?.3 s時,Neal-Smith判斷點位置無明顯變化,即Neal-Smith準則不能連續(xù)表達PIO趨勢隨系統(tǒng)參數(shù)的變化情況。

易非呆呆地站著，媽卻自己醒了，她拍了拍枕頭，說：“睡呀，非。”媽喊他們仨都是只喊一個字，“易非”喊“非”，“向南”喊“南”。

表1 時間延遲的影響

Table 1 Effect of time delay

主要參數(shù)時間延遲/s020304工作區(qū)“面積”/N1340976596PIO趨勢(Ns值)170306530Neal?Smith相位補償量/(°)002Neal?Smith諧振峰值/dB-012-012025

表2為操縱系統(tǒng)助力器不同速率限制的影響。可以看出：Neal-Smith準則不能用于分析二類PIO;新定義的PIO趨勢指標在方向上符合經(jīng)驗,且能夠連續(xù)表達一類和二類PIO趨勢的強弱；由于缺少實際飛行數(shù)據(jù),暫時還不能將Ns值與實際駕駛員評價結果進行比較。

表2 速率限制的影響

Table 2 Effect of rate limiting

主要參數(shù)速率限制/(°)·s-151015工作區(qū)“面積”/N612954976PIO趨勢(Ns值)965326306Neal?Smith相位補償量/(°)000Neal?Smith諧振峰值/dB-011-012-012

4 結束語

本文結合駕駛員模型、助力操縱系統(tǒng)模型、飛機本體模型,建立了飛機縱向PIO仿真模型。根據(jù)大量的仿真結果,結合Neal-Smith準則,提出了駕駛員工作區(qū)的概念,并基于駕駛員工作區(qū)定義了新的PIO趨勢指標。Neal-Smith準則實質(zhì)上是根據(jù)駕駛員工作區(qū)上閉環(huán)系統(tǒng)諧振峰值最小的點來判斷PIO趨勢的,不能反映駕駛員工作區(qū)的“面積”對PIO趨勢的影響,新定義的PIO趨勢指標能更加全面地反映實際PIO趨勢。計算結果表明,新的PIO趨勢指標能夠反映PIO趨勢隨閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的連續(xù)變化,為飛機設計工作提供更具體的分析手段。但是,新的PIO趨勢指標還未經(jīng)過實際飛行數(shù)據(jù)的檢驗,其實際應用價值還有待進一步研究。

[1] 高金源,李陸豫,馮亞昌,等.飛機飛行品質(zhì)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1999:154-166.

[2] Filippone E,Biannic J M,Binh D V.PIO handbook [EB/OL].http://www.garteur.org/Technical,2002-01-20/2016-04-06.

[3] Moorhouse D J,Boer W D,Fielding C.Flight control design:best practices[EB/OL].https://www.cso.nato.int/pubs/rdp.asp?RDP=RTO-TR-029,2000-12-05/2016-04-06.

[4] Neal P T,Smith R E.An in-flight investigation to develop control system design criteria for fighter airplanes [EB/OL].http://www.dtic.mil/cgi-bin,1970-12-20/2016-04-06.

[5] 王永熙.飛機飛行控制液壓伺服作動器[M].北京:航空工業(yè)出版社,2014:43-52.

(編輯：崔立峰)

Analysis of Neal-Smith criterion improvement

WANG Wei-zhi

(The Fourth Research Department, AVIC General Research Institute Co., Ltd, Zhuhai 519000, China)

There are many pilot-in-the-loop oscillation criteria,and the Neal-Smith criterion is popular. But Neal-Smith criterion can’t reflect PIO tendency exactly and the results from Neal-Smith criterion have some differences from PIOR. With the basic approach and procedure of Neal-Smith longitudinal PIO analysis, combined with frequency response estimation tools, a pilot phase compensation and gain region which meet system performance requirements can be obtained. A new PIO criterion is defined based on the region. Compared with Neal-Smith criterion, the new defined PIO criterion can express the continuous change of PIO tendency with the parameters of pilot-in-the-loop system.

PIO; Neal-Smith criterion; frequency response estimation; pilot working region

2016-01-15;

2016-04-20;

時間:2016-05-18 13:49

王偉志(1985-)，男，湖北荊州人，工程師，碩士研究生，研究方向為飛行控制系統(tǒng)。

V212.1

A

1002-0853(2016)06-0067-05