駕駛員模型參數對橫航向PIO的影響研究

譚曉軍，王新民，姚從潮

（西北工業大學自動化學院，陜西 西安,710129）

0 引言

對于駕駛員誘發振蕩（PIO）的定義，航空界有著很多說法，MIL-STD-1797A規范中定義 PIO為：“由駕駛員致力操縱飛機而引起持久的或不可操縱的振蕩。”它是人—機系統的穩定性問題，是指駕駛員在進行正常操縱時與飛機的多個獨立變量之間的不良的，非故意的和非典型的人—機閉環耦合振蕩現象。

上世紀40年代之前，低速飛機的飛行包線和過載包線都很有限，幾乎不會出現操縱系統模態和機體模態的動態耦合，PIO問題不突出。隨著科技的進步，飛機性能不斷提高，在不同高度、速度和過載的情況下，要使駕駛員操縱桿力梯度保持在一個合適的范圍內變得越來越困難，PIO的出現嚴重地影響飛機的飛行品質，甚至危及飛行安全。PIO現象的嚴重性越來越突出。由于PIO現象是人和飛機兩個飛行安全因素同時影響的產物，自從動力飛機發明以后，不良的飛機振蕩就一直存在，特別是在飛機結構越來越復雜的今天，對 PIO的研究已經成為飛行器設計、測試和操作的一個重要議題。

駕駛員誘發振蕩包括縱向和橫航向兩個方面。由于縱向方面發生的概率較大，危險性也較大，對此國內外做了很多的研究，但是對橫航向駕駛員誘發振蕩的研究較少。然而近年來逐漸對橫航向駕駛員誘發振蕩開始重視起來，本文則是針對橫航向 PIO問題進行研究，分析駕駛員模型中誘發橫航向 PIO的關鍵參數，并通過構建閉環仿真系統進行分析，對駕駛員模型中參數設計有一定指導意義。

1 橫航向駕駛員誘發振蕩結構圖

駕駛員誘發振蕩是駕駛員、操縱系統、飛機本體組合系統的閉環不穩定現象。它的出現將嚴重地影響飛機的飛行品質，甚至危及飛行安全。

以偏航角的指令為例，它與縱向人—機系統方塊圖的最大區別在于由單環控制回路變成重環控制回路。即在偏航角的控制回路內部增加了一個滾轉角的內環控制回路。其原因是：對于常規布局的飛機，駕駛員通常通過產生滾轉角（壓桿、蹬舵）來改變飛機的偏航角。

1.1 閉環仿真系統模型

PIO是駕駛員操縱引起的持久的或不可操縱的大幅度震蕩現象，其實主要是人-機系統閉環不穩定問題。對于人—機系統橫航向特性的研究，不同于縱向特性。這主要是由于它必須同時考慮橫向和航向的相互影響以及舵面的輸入由一個變為兩個的情況。人—機閉環仿真系統橫航向模型如圖1所示。

圖1 人-機系統橫航向方框圖

1.2 駕駛員模型

駕駛員的行為模型是非線性的，還可以是離散的，但當研究具有穩定性的操縱對象時，可以用近似的線性模型。它是一種等效模型，即不論其中是否有非線性成分，人們仍認為它是線性特性。駕駛員數學模型包括放大、超前、慣性、延遲、隨機和自適應等特性，但是在大多數情況下，可以重點考慮其中一個或者幾個特性。本文采用的駕駛員模型為：

包括：放大、超前、慣性、延遲四個特性。

1.3 控制器模型

在圖1所示的人-機系統橫航向方框圖中，控制系統為常規的比例積分（PI）控制器。通過PI控制器，把駕駛員的輸出信號轉化為舵面信號，輸入到飛機模型。

1.4 飛機模型

本文采用的飛機模型為空客A300的橫航向運動方程，數據來源為文獻[10]。飛機方程如下：

2 仿真分析

2.1 外環放大系數的影響

從仿真結果可以看出，在一定范圍內，當外環環放大系數增大時，對響應會有一定程度的影響，但響應曲線沒有出現的震蕩。因此，當外環放大系數增大，對影響橫航向 PIO的產生不明顯。

2.2 內環放大系數的影響

內環放大系數 的大小表示駕駛員操縱的程度，該參數由小變大，表示駕駛員操縱動作由柔和到快速，再到粗猛。在根據圖1中建立的Simulink仿真模型，使內環放大系數由小變大，對比其相應結果，如圖3所示。

從仿真結果可以看出，在一定范圍內，當內環放大系數增大時，響應會出現震蕩的情況，當繼續增大，響應還會發散。因此，當內環放大系數增大，即駕駛員操縱變得快速或者粗猛時，容易產生橫航向 PIO。

圖2 外環放大系數對橫航向PIO的影響

圖3 內環放大系數對橫航向PIO的影響

圖4 超前時間常數對橫航向PIO的影響

2.3 超前時間常數的影響

在圖1中建立的Simulink仿真模型，使超前時間常數由小變大，對比其相應結果，如圖4所示。

從仿真結果可以看出，在一定范圍內，當超前時間常數增大時，響應變得震蕩。因此，超前時間常數增大，飛機向產生橫航向PIO方向發展。

2.4 慣性時間常數的影響

在Simulink仿真模型中，使慣性時間常數由大變小，對比其相應的結果，如圖5所示。

圖5 慣性時間常數對橫航向PIO的影響

從仿真結果的比較可以看出，在一定范圍內，當慣性時間常數減小時，響應變得震蕩，飛機向產生橫航向PIO方向發展。

2.5 延遲時間的影響

在圖1中建立Simulink仿真模型中，使延遲時間由小變大，對比其相應的結果，如圖6所示。

圖6 延遲時間增大對橫航向PIO的影響

從仿真結果的比較可以看出，在一定范圍內，當延遲時間增大時，對響應有一定的影響，但不至于引起曲線的震蕩。所以，延遲時間對橫航向 PIO的影響不明顯。

3 結語

橫航向 PIO問題，是人—機系統閉環穩定性問題，而駕駛員是人—機閉環系統中的核心環節，其數學模型對人—機閉環特性的分析十分重要。所以研究駕駛員模型的中的參數對橫航向 PIO的影響有著重要的意義。

從仿真結果可以看出，駕駛員模型中容易導致橫航向 PIO的主要參數為內環放大系數，超前時間常數和慣性時間常數。因此，為了防止橫航向駕駛員誘發振蕩的產生，在對駕駛員模型中各參數設計時，應當使內環放大系數適當的小，超前時間常數適當的小，以及慣性時間常數適當的大的設計原則。

本文對橫航向駕駛員模型中的參數對橫航向 PIO的影響分別做了仿真分析，對駕駛員模型中的參數設計和橫航向 PIO問題的研究具有一定程度的理論價值和工程指導意義。

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