基于相位速率準(zhǔn)則的民機(jī)PIO評(píng)估應(yīng)用研究

王磊

【摘 要】本文對相位速率準(zhǔn)則的評(píng)估方法開展研究，并以某算例飛機(jī)為對象進(jìn)行評(píng)估應(yīng)用研究。研究結(jié)果表明，這一評(píng)估方法可以較好地預(yù)測閉環(huán)飛機(jī)的PIO趨勢。

【關(guān)鍵詞】民機(jī)；控制律；駕駛員誘發(fā)振蕩；相位速率準(zhǔn)則

Research of Civil Aircraft PIO Assessment Based on Phase-Rate Criteria

WANG Lei

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Shanghai 201210，China）

【Abstract】The assess method based on phase-rate criteria is researched， and is used in an aircraft. The results show that this method can be used to predict the PIO tendency of closed-loop aircraft.

【Key words】Civil Aircraft； Control Law； Pilot Induced Oscillation； Phase-Rate Criteria

0 引言

駕駛員誘發(fā)振蕩（Pilot Induced Oscillations，PIO）屬于不利的人機(jī)耦合振蕩，當(dāng)駕駛員操縱飛機(jī)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)持續(xù)或不可控的飛機(jī)響應(yīng)振蕩。按照PIO的振型分類，通?？煞譃?類PIO，I類PIO屬于線性人機(jī)耦合振蕩，主要是由于系統(tǒng)相位滯后或時(shí)延過大而產(chǎn)生[1]。電傳民機(jī)采用了具有控制增穩(wěn)功能的飛行控制系統(tǒng)，閉環(huán)系統(tǒng)中涉及到很多的高增益和非線性環(huán)節(jié)等，這些因素可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)閉環(huán)高階系統(tǒng)的相位滯后和時(shí)延增大等，進(jìn)而影響其產(chǎn)生PIO的趨勢。

本文采用相位速率準(zhǔn)則開展I類PIO評(píng)估，并將其應(yīng)用于某電傳飛機(jī)上，以探討這一評(píng)估方法的使用，研究結(jié)果可用于飛機(jī)的PIO評(píng)估時(shí)使用，并用于指導(dǎo)飛機(jī)的控制律設(shè)計(jì)。

1 相位速率準(zhǔn)則定義與評(píng)估方法

與帶寬-相位滯后準(zhǔn)則類似，相位速率準(zhǔn)則亦是考察飛機(jī)的開環(huán)俯仰姿態(tài)頻響特性。該準(zhǔn)則是為了預(yù)測由于現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)的高階效應(yīng)所導(dǎo)致的PIO，而引入的一種簡單設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。相位速率定義為人-機(jī)開環(huán)系統(tǒng)中性穩(wěn)定頻率（？準(zhǔn)=-180°）處的相頻曲線的斜率，因此它直接考慮了高頻率段的相位“滾落”。經(jīng)驗(yàn)表明，相位速率參數(shù)與那些容易引發(fā)PIO的特性存在著非常緊密的聯(lián)系。大的相位速率意味著削弱了駕駛員改出PIO的能力，因?yàn)樵诖┰筋l率之上頻率的提高將導(dǎo)致相位裕度的嚴(yán)重?fù)p失。

起初，相位速率定義為相頻曲線在-180°處的斜率，如下式所示：

PR180=-|？準(zhǔn)（？棕）=180°（°/HZ）

近年來，相位速率PR180被平均相位速率（Average Phase Rate，APR）替代，后者在一個(gè)較寬的頻率范圍Δω（ω180～2ω180）內(nèi)確定，如圖 1所示。

APR的計(jì)算公式如下所示[2]：

APR=-×2π（°/HZ）

式中：ω180是相位等于-180°時(shí)的頻率；？準(zhǔn)2？棕是2倍ω180頻率處的相角。

明顯地，平均相位速率與帶寬-相位滯后準(zhǔn)則中的相位滯后τp成比例關(guān)系，τp=APR/2/360°。

平均相位速率準(zhǔn)則的判據(jù)如圖 2所示[1]。

2 評(píng)估應(yīng)用

按照上述求解方法，求得某算例飛機(jī)在不同重量、重心、構(gòu)型、以及不同飛行狀態(tài)下所對應(yīng)的俯仰姿態(tài)-桿力開環(huán)頻響的平均相位速率APR。（平均）相位速率準(zhǔn)則的評(píng)估結(jié)果如圖 3所示。

可以看出，對應(yīng)于所考察的狀態(tài)點(diǎn)，算例飛機(jī)的平均相位速率APR集中在27～38（°）/Hz之間，小于85°/Hz（1級(jí)邊界）；開環(huán)中性穩(wěn)定頻率ω180（Hz）都大于0.48Hz（1級(jí)邊界）。另外，還呈現(xiàn)出后重心情況下的ω180相較前重心普遍略小的規(guī)律。

那么，在（平均）相位速率準(zhǔn)則下的評(píng)估結(jié)果為：算例飛機(jī)的評(píng)估結(jié)果均在1級(jí)區(qū)域的要求內(nèi)，不具有PIO的趨勢。

3 結(jié)論

通過以上的研究，可以得出以下結(jié)論：

采用相位速率準(zhǔn)則可以較好地預(yù)測飛機(jī)的I類PIO趨勢。

【參考文獻(xiàn)】

[1]高金源.飛機(jī)飛行品質(zhì)[M].國防工業(yè)出版社，2003.

[2]RTO-TR-029，F(xiàn)light control design-best practices[R].2000.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]