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)

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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Neal-Smith準則進行飛機縱向駕駛員在環振蕩分析的基本方法與程序,結合系統頻域響應估算工具,分析得出滿足系統性能要求的駕駛員相位補償和增益區域,并基于該區域面積定義了新的PIO判斷準則。與現有Neal-Smith準則相比,新的PIO判斷準則可反映一類和二類PIO趨勢隨閉環系統參數的連續變化情況。

駕駛員在環振蕩; Neal-Smith準則; 頻域響應估計; 駕駛員工作區

0 引言

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

PIO是飛機、駕駛員和誘發因素三種因素共同作用的結果。由于駕駛員的自我調節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現象的復現存在較大困難,這也制約了對PIO的研究。基于此,對PIO的研究從未間斷。目前,一般將PIO分為三類:一類PIO發生在將人機閉環系統等效為具有延遲環節的線性系統中,系統延遲導致高頻相位梯度增大,使得更容易發生PIO;二類PIO主要是由實際控制系統元件的速率/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,但是根據經驗,消除一類和二類PIO后一般不會發生三類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,提出駕駛員工作區的概念,并基于駕駛員工作區提出對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生。兩組患者術后并發癥發生率比較差異無統計學意義(P>0.05)。提示保留盆腔自主神經的子宮廣泛性切除聯合陰道延長術雖增加了手術難度，但并未增加術后并發癥，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，居民追求房屋的質量與服務的要求也越來越高，物業的好壞直接關系到居民的生活質量。因此商品住宅的物業費也對其產生了一定作用。從圖1來看，沿著西北方向到東南方向小區房價受物業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,其傳遞函數為:

與傳統的課堂教學相比，網絡教學平臺可以構建智能的交互式課堂系統，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和評估系統的實施，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，學生可以根據老師的興趣引導、智能推薦，尋找優秀資源，有需要還可以進行網上仿真實驗，完成跨越式互動交流。

許多企業將生產用的廠房布置于農村地區，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。而在農村常見的秸稈燃燒也會產生大量煙塵以及污染氣體，且此類空氣污染往往具有季節性的特征。綜合上述兩點來看，是目前農村大氣污染的主要因素。

(1)

當tp1>tp2時,相位超前;tp1

Neal-Smith準則根據駕駛員對飛行品質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,均定義在人機閉環系統的伯德圖上,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,即系統帶寬內的最小幅值;C點對應幅值為諧振峰值。

綜合考慮內部及遠、近外層因素，運用科學方法，從標準、規模及功能入手，監控方案設計、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點，讓各項工作在統一的節奏下運行。

本文所研究的目標飛機采用液壓助力式飛行操縱系統,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,為一開環系統;后段為助力器輸入端到舵面,包括助力器、拉桿、搖臂及舵面,為一閉環系統。當駕駛員操縱幅度較小時,人感裝置線性特性較好,前段操縱系統可表述為:

(2)

綜合飛機氣動參數、重量/重心數據及其他設計參數,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方程,即可得到各輸入輸出之間的傳遞函數。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范,對其中的指代進行了統計分析,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,通過系統識別可得到傳遞函數δθ/δe的低階等效系統為:

(5)

傳遞函數δθ/δe與其低階等效系統的伯德圖如圖1所示。可以看出,當頻率大于0.3 rad/s時,低階等效系統準確擬合了δθ/δe。

圖1 δθ/δe與其低階等效系統的伯德圖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、操縱系統模型和飛機本體模型,即可得到駕駛員操縱飛機的閉環模型,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系統的伯德圖。從伯德圖可得到Neal-Smith準則的相關指標,包括最大下垂量、帶寬及閉環諧振峰值。

對于后段操縱系統,駕駛員操縱指令通過拉桿傳遞到助力器輸入端。滑閥運動使閥口打開,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,形成閉環控制,助力器活塞最終穩定在新的位置[5]。經仿真分析,在不考慮助力器速率飽和的情況下,后段操縱系統可等效為:

圖2 駕駛員在環系統框圖Fig.2 Pilot in-the-loop system block diagram

2.1 Neal-Smith準則簡介

1.2 操縱系統模型

應用Neal-Smith準則進行PIO分析時,先根據飛行任務需要選定帶寬,然后調節駕駛員參數直到帶寬頻率對應相位滯后為90°、最大下垂量大于-3 dB,且閉環系統諧振峰值最小,最后根據閉環系統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

根據閉環系統諧振峰值和駕駛員相位補償量判斷PIO趨勢的依據為飛行試驗所積累的經驗,即駕駛員相位補償/閉環系統諧振峰值和駕駛員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,閉環系統伯德圖如圖5所示。

圖5 駕駛員增益不同時的閉環系統伯德圖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,閉環系統幅頻曲線出現一個峰值,且該峰值隨著駕駛員增益繼續增加,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。定義閉環系統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的影響

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°)范圍內取值,駕駛員增益值逐漸增大直到閉環系統接近穩定邊界。通過仿真分析可得到:閉環系統閉環諧振峰值與駕駛員增益和相位補償的關系如圖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 閉環系統閉環諧振峰值Fig.6 Maximum magnitude of closed loop system

圖7 閉環系統最大下垂量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最大下垂量不超過-3 dB,帶寬要求根據實際需要選定。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以上區域滿足下垂量和帶寬要求,AB段以下區域不滿足帶寬要求,BC段以下區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為系統穩定邊界,其與曲線ABC共同構成的區域既滿足性能要求且不會發生不可控的PIO,定義該區域為駕駛員工作區。

結合圖6和圖9(b)可以看出,人機閉環系統閉環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發散,即發生了不可控的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(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(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,得到操縱系統助力器不同速率限制下的駕駛員工作區如圖12～圖14所示。

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

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

圖14 駕駛員工作區(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，也是農作物病蟲害的寄主，對牲畜和人類有毒，現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準則根據判斷點的位置,即滿足要求的駕駛員相位補償量和系統閉環諧振峰值所處區域來判斷PIO趨勢。當不同飛機或者同一飛機不同飛行狀態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趨勢隨系統參數的連續變化情況；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域內變化。因此,基于整個駕駛員區來判斷PIO趨勢比基于區域內的一點更加全面客觀。

參考仿真分析結果及駕駛員PIO評估經驗可知,閉環系統實際的PIO趨勢由駕駛員工作區域大小、該區域上各點對應的系統閉環諧振峰值以及駕駛員工作區的相位(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,數值越大,PIO趨勢越強烈;k為常值系數;右邊分子項為系統閉環諧振峰值magv對駕駛員工作區面積的加權積分;權系數wp由駕駛員相位補償量的絕對值決定;Sop為駕駛員工作區的“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、調壓回路,雙聯齒輪泵，適應懸掛系統的不同工況,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。可以看出:當駕駛員時間延遲由0.2 s變為0.3 s時,Neal-Smith判斷點位置無明顯變化,即Neal-Smith準則不能連續表達PIO趨勢隨系統參數的變化情況。

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

主要參數時間延遲/s020304工作區“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驗,且能夠連續表達一類和二類PIO趨勢的強弱；由于缺少實際飛行數據,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

主要參數速率限制/(°)·s-151015工作區“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、助力操縱系統模型、飛機本體模型,建立了飛機縱向PIO仿真模型。根據大量的仿真結果,結合Neal-Smith準則,提出了駕駛員工作區的概念,并基于駕駛員工作區定義了新的PIO趨勢指標。Neal-Smith準則實質上是根據駕駛員工作區上閉環系統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趨勢隨閉環系統參數的連續變化,為飛機設計工作提供更具體的分析手段。但是,新的PIO趨勢指標還未經過實際飛行數據的檢驗,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[M].北京:國防工業出版社,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。

V212.1

A

1002-0853(2016)06-0067-05