基于相位速率準則的民機PIO評估應用研究

王磊

【摘 要】本文對相位速率準則的評估方法開展研究，并以某算例飛機為對象進行評估應用研究。研究結果表明，這一評估方法可以較好地預測閉環飛機的PIO趨勢。

【關鍵詞】民機；控制律；駕駛員誘發振蕩；相位速率準則

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

駕駛員誘發振蕩（Pilot Induced Oscillations，PIO）屬于不利的人機耦合振蕩，當駕駛員操縱飛機時可能會出現持續或不可控的飛機響應振蕩。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，主要是由于系統相位滯后或時延過大而產生[1]。電傳民機采用了具有控制增穩功能的飛行控制系統，閉環系統中涉及到很多的高增益和非線性環節等，這些因素可能會導致整個閉環高階系統的相位滯后和時延增大等，進而影響其產生PIO的趨勢。

本文采用相位速率準則開展I類PIO評估，并將其應用于某電傳飛機上，以探討這一評估方法的使用，研究結果可用于飛機的PIO評估時使用，并用于指導飛機的控制律設計。

1 相位速率準則定義與評估方法

與帶寬-相位滯后準則類似，相位速率準則亦是考察飛機的開環俯仰姿態頻響特性。該準則是為了預測由于現代飛行控制系統的高階效應所導致的PIO，而引入的一種簡單設計準則。相位速率定義為人-機開環系統中性穩定頻率（？準=-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”。經驗表明，相位速率參數與那些容易引發PIO的特性存在著非常緊密的聯系。大的相位速率意味著削弱了駕駛員改出PIO的能力，因為在穿越頻率之上頻率的提高將導致相位裕度的嚴重損失。

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（？棕）=180°（°/HZ）

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

APR的計算公式如下所示[2]：

APR=-×2π（°/HZ）

式中：ω180是相位等于-180°時的頻率；？準2？棕是2倍ω180頻率處的相角。

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

平均相位速率準則的判據如圖 2所示[1]。

2 評估應用

按照上述求解方法，求得某算例飛機在不同重量、重心、構型、以及不同飛行狀態下所對應的俯仰姿態-桿力開環頻響的平均相位速率APR。（平均）相位速率準則的評估結果如圖 3所示。

可以看出，對應于所考察的狀態點，算例飛機的平均相位速率APR集中在27～38（°）/Hz之間，小于85°/Hz（1級邊界）；開環中性穩定頻率ω180（Hz）都大于0.48Hz（1級邊界）。另外，還呈現出后重心情況下的ω180相較前重心普遍略小的規律。

那么，在（平均）相位速率準則下的評估結果為：算例飛機的評估結果均在1級區域的要求內，不具有PIO的趨勢。

3 結論

通過以上的研究，可以得出以下結論：

采用相位速率準則可以較好地預測飛機的I類PIO趨勢。

【參考文獻】

[1]高金源.飛機飛行品質[M].國防工業出版社，2003.

[2]RTO-TR-029，Flight control design-best practices[R].2000.

[責任編輯：朱麗娜]