電傳飛行控制系統飛機飛行員誘發振蕩機理研究

張喆++韓意新

摘 要：隨著航空技術的發展，現代航空器普遍采用高增益電傳飛行控制系統，其一方面使飛機飛行品質不斷提高，但另一方面又使飛機的飛行動力學特性越來越復雜。美國國家研究委員會對裝備有電傳飛行控制系統飛機進行了專門研究，結果發現幾乎所有部分或全部裝備有電傳飛行控制系統的飛機在研發過程中都曾遭遇過駕駛員誘發振蕩（Pilot Induced Oscillations，PIO）事件[1-2]，甚至誘發了嚴重的飛行事故。PIO已成為威脅電傳飛機飛行安全的重要因素[3]。文章以電傳飛機人機閉環系統為研究對象，探究電傳操縱飛機中誘發PIO產生的關鍵影響因素，分析人機閉環系統穩定性的變化規律，揭示PIO產生的機理，為新型電傳飛控系統設計、試飛等提供參考。

關鍵詞：電傳飛行控制系統；飛行員誘發振蕩；機理

1 電傳飛行控制系統模型

電傳操縱系統是指利用電氣信號形成操縱指令，通過電線（電纜）實現飛行員對飛機運動進行操縱（控制）的飛行控制系統[4]。工程界比較一致的觀點是：“利用反饋控制原理而使飛行器運動成為被控參量的電氣飛行控制系統”[5]。某型飛機的電傳操縱系統是模擬式四余度電傳操縱系統[6]，如圖1所示，該型飛機縱向電傳控制系統組成包括：

（1）電信號指令通路

電信號相較于機械位移信號在傳遞過程中具有獨特的優勢：允許按照控制率設計添加各種校正環節，包括典型的位移和速率限制、PID控制、信號濾波、參數調整，幅值和相位補償與限制等手段，能夠方便的設計系統品質。基于電信號的優越傳輸方式，電傳操控系統依靠電信號指令傳遞各種信號，從而避免了傳動機械操縱系統重量大、效率低的弊端。與機械操縱系統的本質區別是，駕駛員通過電傳操控系統直接指令飛機的響應，舵面偏轉角度和速率僅成為控制環節的中間過程，避免了駕駛員直接操縱舵面帶來的駕駛員負荷過大的弊端。

（2）前向通路

前向通路能夠提供快速的操縱響應，使駕駛員能夠快速感受到飛機的變化。駕駛員給出操縱指令，經濾波器輸出后與反饋信號綜合（一般包括法向過載、迎角和俯仰角速率），通過迎角等限制環節，進入增益調節環節。隨著飛行狀態的改變（包括飛行速度和飛行高度等參數），開環增益不斷變化，通常通過預設的插值表實現，目的是獲得最佳的舵面操縱效率，其作用相當于傳統機械操縱系統中的系統力臂調節器。該設計對人機閉環系統的操縱穩定性至關重要。

（3）反饋通路

閉環操縱是確保電傳操縱系統穩定的前提條件。對于飛機的縱向運動環節，通常選取法向過載、迎角和俯仰角速率進行反饋。通過前向通路和反饋通路，實現電傳操縱系統的控制增穩功能。縱向反饋信號的增益依據飛機構型和飛行狀態的不同而插值得出。反饋信號經過濾波器過濾噪聲信號并疊加，與前向通路中的過載指令信號綜合構成了控制增穩回路。

2 電傳飛控系統與PIO的矛盾聯系

在電傳飛控系統中，對PIO產生影響的系統參數頗多，有的影響系統傳輸信號的幅值，有的影響傳輸信號的相位差，有的對兩者都有影響。這些潛在的影響因素包括：桿力特性，系統傳動系數與增強系統增益，飛行控制模態轉換，有效飛機過度時間延遲，非線性因素等。

2.1 人工感覺系統與PIO的聯系

具有現代操縱系統的飛機已將氣動舵面載荷與駕駛桿進行了隔離，使駕駛員無法感受操縱力的大小，為此需用“人工感覺系統”提供必要的“人工感覺”，模擬駕駛員操縱力與操縱面位置之間的動態反饋關系。

圖2是兩種感力系統階躍滾轉及滾轉加速度的時間響應曲線。其中快感力系統C的響應具有急劇變化的初始加速度，駕駛員飛行品質評分等級為7，并呈現PIO趨勢，慢感力系統D的響應加速度峰值較小，并且具有較小的初始延遲滾轉加速度變化率。對駕駛員來說，由感力系統濾波器產生的高頻衰減是有益的，并使飛行品質明顯變好。在兩個系統總的時間延遲相同的條件下，后者的駕駛員評分為4級，這表明由于感力系統的這種平滑效應，使時間延遲的允許容限增加了。這些實驗數據進一步表明了允許時間延遲看來是初始響府形狀的函數。起濾波器作用的感力系統可能減小了加速度的變化率，進而增加了時間延遲的允許容限。

2.2 飛行控制模態轉換與PIO的聯系

現代先進飛行控制系統通常具備多種控制模態，飛行員異常的大幅值操縱指令可能誘發飛機有效動力學構型的突然變化，而在有效飛機動力學構型的轉換過程中，可能引發PIO問題。當前，尚未有合適的理論和數學模型闡述PIO與飛行控制模態轉換之間的聯系。美國的T-33教練機發生過一起典型的由飛行控制模態轉換引發的PIO問題，其機載設備完整地記錄下了當時的飛行數據，如圖3所示。PIO發生初期，飛機縱向遇到高頻低幅值振蕩，飛行員嘗試切斷俯仰增穩并控制飛機。但在7.4rad/s的周期內飛機法向過載迅速變化，其差值到達了10個過載，PIO問題迅速發展。

根據記載數據的事后地面仿真，誘發該PIO事件的主要原因是有效飛機動力學的轉換和飛機員動力學特性的變化。俯仰增穩器的切斷引發了第一次有效飛機動力學轉換，其后又發生了兩次轉換。該飛機的飛控系統包含了人感系統和有效配重系統以獲得合適的桿力梯度。配重系統不僅提供了合適的桿力梯度，也構造了一個機械反饋回路。駕駛員操縱飛控系統時必須面對包含駕駛員桿力梯度、配重、摩擦等的實際飛行動力學特性。圖4給出了T-38教練機包含配重情況下的主控制系統。圖5給出了配重系統是否連入回路兩種情況下的俯仰桿力頻域特性。根據圖5分析，配重系統連通時，駕駛員能夠大幅值操縱，未連通時其操縱幅值與系統摩擦力相當。配重降低了系統低頻增益值，通過反饋降低了短周期阻尼比。由于這一改變導致中性穩定頻率處的最大駕駛員增益變化異常，無配重反饋時的增益為有配重情況下的4倍，這一異常變化在有效動力學突變時，要求飛行員能夠適應增益的劇烈非線性變化。

2.3 系統時間延遲與PIO的聯系

時間延遲是駕駛員桿力輸入到飛機開始響應之間的停滯時間。這種形式的時間延遲，根據測量方法的不同，常被稱為“等效”或“有效”時間延遲。每種方法所測得的結果都是駕駛員感受到的停滯時間的一種近似。時間延遲是由各種原因造成的。大部分時間延遲是由于現代飛行控制系統的復雜性導致大量動態環節的串聯，從而使飛機對駕駛員操縱的初始響應中引進了一種可覺察到的時間延遲。

具有小的時延是好的飛行品質的關鍵。多數飛行控制系統研制得到的經驗是時延必須很小。當遇到高增益的操縱任務（如空中加油、瞄準、精確著陸等任務）時，稍大的時間延遲將會引起駕駛員的不良反應，并可能危及這些任務的完成。MIL-F-8785C規范給出了時間延遲的等級規定。對駕駛員作出的階躍操縱力輸入，飛機的響應不應呈現出超過下列數值的時間延遲：1級：≤0.1s；2級：≤0.2s；3級：≤0.25s。

“企業號”航天飛機在一次近進與著陸過程中，發生了典型的PIO事件，事件過程如圖6所示。

這起PIO事件包含了兩個縱向PIO過程（姿態過程和軌跡過程）。軌跡控制是該起PIO事件的主要因素。飛機有效延遲是PIO事件的關鍵因素，通過計算，信號經濾波器、高頻飛機模態、舵機系統和數字系統產生的延遲的綜合達到了0.27s，已經大于MIL-F-8785C規范中給出的3級飛行品質要求的延遲時間，過大的時間延遲導致了PIO發生。

2.4 非線性因素與PIO的聯系

在整個電傳飛行控制系統中常會發現速率限制環節和位置限制環節等非線性因素，如圖7所示。前向通道中非線性限制環節與線性控制系統環節相串聯，在反饋通道中也存在非線性限制環節。在經典案例里，駕駛員座艙控制限制（如駕駛桿）發生作用時，相對應的控制面限制（如升降舵）將同樣發生作用。如此為的是確保飛機獲得最大機動能力。

YF-22A在1992年4月25日低空復飛過程中發生嚴重PIO，導致飛行事故。該嚴重PIO事件便是由于速率限制飽和誘發的，事故數據記錄如圖8所示，Gibson相位速率準則評估結果如圖9所示，帶寬準則評估結果如圖10所示。

3 結論

本文建立了飛機電傳控制系統模型，通過構建的模型發現電傳系統構成復雜，這就使得它與PIO的發生具有密切聯系。電傳控制中存在著多種可能觸發PIO的因素，如人工感覺系統、控制模態轉換、時間延遲、非線性等。通過研究上述因素與PIO間的聯系，并進行案例剖析加深了對這種聯系的認知。通過對電傳控制系統與PIO聯系的深刻理解，為改進控制系統設計來抑制PIO的發生奠定了堅實的理論基礎。

參考文獻

[1]McRuer， Duane T. Aviation Safety and Pilot Control， Understanding and Preventing Unfavorable Pilot-Vehicle Interactions[M]. WashingtonD.C.： NationalAcademy Press，1997.

[2]Duane T. Pilot-Induced Oscillations and Human Dynamic Behavior[R]. NASA Contractor Report 4683，1995.

[3]Liebst， Brad S. Nonlinear Pre-filter to Prevent Pilot-Induced OscillationsDue to Actuator Rate Limiting[J]. Journal of Guidance， Control，and Dynamics， 2002，25（4）：740-747.

[4]高慶玉.殲教七飛機縱向駕駛員誘發振蕩預測及其機理分析[D].北京：北京航空航天大學，1997.

[5]Mobarg， Milton， Lowell Lykken. JAS-39 Gripen Flight Control System Status Report[R]. Technical Report， SAAB Aircraft Division and Lear Astronics Corporation， 1991.

[6]徐浩軍，陳廷楠，張登成，等.飛機飛行性能品質與控制[D].西安：空軍工程學院，2004.

[7]朱建太.駕駛員誘發振蕩及飛行安全評估[D].西安：空軍工程學院，2002.