基于帶寬―相位滯后準則的飛機PIO評估應(yīng)用研究

1、https:/基于帶寬基于帶寬 相位滯后準則的飛機相位滯后準則的飛機 PIO 評估應(yīng)用研究評估應(yīng)用研究摘 要：現(xiàn)代飛機通常采用電傳控制律實現(xiàn)對飛機的三軸操縱，增穩(wěn)功能和非線性環(huán)節(jié)的引入導(dǎo)致其易于出現(xiàn)駕駛員誘發(fā)振蕩，需要采用合適 PIO 評價準則預(yù)期閉環(huán)飛機的 PIO 趨勢，以更好地指導(dǎo)控制律設(shè)計。本文對帶寬-相位滯后準則輔以修訂回落量準則的評估方法開展研究，并以算例飛機為對象進行評估應(yīng)用研究。研究結(jié)果表明，這一評估方法可以較好地預(yù)測閉環(huán)飛機的 PIO 趨勢。關(guān)鍵詞：飛機；控制律；駕駛員誘發(fā)振蕩；帶寬；相位0 引言駕駛員誘發(fā)振蕩（Pilot Induced Oscillations，PIO）屬于

2、不利的人機耦合振蕩，當(dāng)駕駛員操縱飛機時有時會出現(xiàn)持續(xù)或不可控的飛機響應(yīng)振蕩。由于PIO 會極大地降低飛機的飛行品質(zhì)甚至影響其飛行安全，因此需要在飛機設(shè)計初期開展 PIO 趨勢的預(yù)測評估，以更好地指導(dǎo)飛機的總體設(shè)計、飛行品質(zhì)評估和控制律設(shè)計等。按照 PIO 的振型分類，通常可分為 3 類 PIO，I 類 PIO 屬于線性人機耦合振蕩，主要是由于系統(tǒng)相位滯后或時延過大而產(chǎn)生1。電傳飛機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，這些因素可能會導(dǎo)致整個閉環(huán)高階系統(tǒng)的相位滯后和時延增大等，進而影響其產(chǎn)生 PIO 的趨勢。本文采用帶寬-相位滯后準則開展 I 類 PI

3、O 評估，并將其應(yīng)用于某電傳飛機上，以探討這一評估方法的使用，研究結(jié)果可用于飛機的 PIO 評估時使用，并用于指導(dǎo)飛機的控制律設(shè)計。1 研究對象本文的評估基于帶控制律的閉環(huán)算例飛機的俯仰角和俯仰角速度的短周期低階等效模型：式中：T2 為等效短周期的分子時間常數(shù)，sp 和 sp 分別為等效短周期的阻尼比和自然頻率，e 為等效時間延遲。針對算例飛機在不同重量、前或后重心位置和不同飛行狀態(tài)下，開展 I 類PIO 趨勢評估，可預(yù)測該型飛機的 I 類 PIO 趨勢，并可用于指導(dǎo)該飛機的控制律設(shè)計。2 帶寬-相位滯后準則定義與評估方法依上述定義，給出帶寬BW 和相位滯后p 的具體求解方法如下：（1）求得系

4、統(tǒng)開環(huán)俯仰姿態(tài)頻域響應(yīng)的伯德圖（見圖 1）；https:/（2）從相頻特性曲線上確定相角等于?180的頻率180，然后找到相位裕度為 45，即相角等于?135的頻率135，該頻率定義為相位帶寬；然后找到與180 所對應(yīng)的幅值，在此基礎(chǔ)上增加 6dB，從而求得幅值帶寬。帶寬BW 取為與中的較小者；（3）從相頻特性曲線中求得 2180 時的相角，并利用p 的計算公式求得相位滯后p。實際上，帶寬BW 是能閉合飛機-駕駛員回路而又不危及閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的最高頻率參數(shù)1。它是一種頻率度量，在該頻率以下，飛機能夠跟隨所有的駕駛員指令；在該頻率以上則無法完全跟隨。另外，從相位滯后p 的確定可見，它是?180附

5、近相頻曲線斜率的一種度量。帶寬-相位滯后準則能夠較為有效地預(yù)示 PIO 趨勢，特別是能很好地預(yù)測高頻相位跌落造成的 PIO。該準則的判據(jù)如圖 2（a）所示，要求如下3：（2）如果回落量過大且?guī)払W2rad/s，則飛機有 PIO 的可能性；（3）如果帶寬BW2rad/s 且相位滯后p0.12s，則過大的回落量將導(dǎo)致飛機產(chǎn)生“點頭”現(xiàn)象，但是不會產(chǎn)生嚴重的 PIO。采用修訂的回落量準則，準則判據(jù)如圖 2（b）所示。3 評估應(yīng)用按照上述求解方法，求得算例飛機的俯仰姿態(tài)-桿力開環(huán)頻響的帶寬BW和相位滯后p。帶寬-相位滯后準則的評估結(jié)果如圖 3 所示。從圖 3 可以看出，算例飛機的相位滯后p 均小于規(guī)

6、定值；帶寬BW 則覆蓋了較大的頻率區(qū)域，從 0.8rad/s 到 6rad/s。另外，通過對比計算結(jié)果的原始數(shù)據(jù)可知，低階等效系統(tǒng)的短周期自然頻率 sp 很接近于帶寬BW，正因如此，算例飛機在控制律提供相同增穩(wěn)條件下后重心時較小的自然頻率使得其帶寬BW 也相對較小。從圖 3 可以看出，一部分狀態(tài)點確定不具有 PIO 的趨勢；而另一部分的狀態(tài)點具有可能的 PIO 趨勢，還需通過判斷其回落量是否過大或為負值來進一步確定其 PIO 趨勢。下面通過修訂的回落量準則來考察其回落量，評估結(jié)果如圖 4 所示。從圖 4 可以看出，算例飛機在前重心情況下傾向于往右上邊界跑，部分出現(xiàn)回落量過大的情況；而在后重心情況下則傾向于往左邊界跑，部分出現(xiàn)回落量為負的情況。原始計算數(shù)據(jù)還表明，負的回落量 DB/qss 往往對應(yīng)于后重心、過阻尼的情況，即低階等效系統(tǒng)的短周期阻尼比 sp>1。https:/經(jīng)修訂回落量準則下的進一步評估，確定算例飛機的 PIO 評估結(jié)果：考察的狀態(tài)點中，有 6%的狀態(tài)點具有 PIO 趨勢。4 結(jié)論通過以上的研究，可以得出以下結(jié)論：通過采用帶寬-相位