飞行品质及其评价方法16-17

第六章飞行控制系统的设计——飞行品质及其评价方法飞机的飞行品质飞机的飞行品质是与飞行安全有关的，且涉及驾驶员感受在定常或机动飞行过程中能否容易驾驶飞机的特性。从飞机本身来说，飞行品质主要是指飞机的稳定性和操纵性。对飞行品质的评价，是通过驾驶员执行各种飞行任务的感受和体会来主观评价的。通俗说，好的飞行品质，驾驶员的主观感受是“有效、安全、好飞”。“有效”是指飞机在驾驶员操纵下，灵活自如地完成各种机动动作，能够精确跟踪和控制飞机轨迹。“安全”是指飞机在飞行中没有威胁安全、导致事故的飞行现象出现。“好飞”是指驾驶员操纵飞机时省体力和脑力。概述概述概述研究发展研究发展飞行任务阶段的种类首先将可能的飞行任务阶段按使用情况划为两大类：一类为场域飞行阶段(如着陆)，用符号C表示，另外一类为非场域飞行阶段(如巡航，空战)。后者又可按机动动作急剧程度和操纵精度再分成A、B两种情况。表2-1给出了A、B、C三种飞行任务阶段种类的主要特点。表2-1三种飞行任务阶段种类的主要特点飞行阶段阶段种类机动跟踪场域C缓慢精确B缓慢不精确非场域A急剧精确飞行品质的等级飞行品质的等级飞行品质的等级飞机的稳定性和操纵性飞机的稳定性又称为安定性，它是飞机本身固有的一种运动属性。从气动力学的观点看，飞机稳定性主要是由恢复力矩和阻尼力矩决定的，在实际中，稳定性又分为静稳定性和动稳定性。所谓静稳定性是指飞机平衡状态受到扰动，在扰动消失后，飞机本身具有恢复原平衡状态趋势的能力。动稳定性是指飞机的受扰运动在扰动源撤销后，飞行员不操纵飞机，飞机能渐近地回到扰动前的运动状态。静稳定性和动稳定性的区别是：静稳定性研究的仅是飞机受到扰动后初始反应的趋势；而动稳定性研究飞机受扰动后的全过程。飞机的操纵性指飞机(包含控制系统)对驾驶员操纵输入的响应特性，即按照驾驶员操纵意图(指令信号)，在一定时间内能迅速改变其飞行状态的能力，或简单说飞机听从驾驶杆的能力。操纵性表现为驾驶员对杆力/杆位移的感觉和飞行状态改变快慢的视觉等两方面。如果当飞机对操纵意图的反应特性既迅速又准确地复现了，则称飞机的操纵性好。从操纵功用而言，飞机应具有机动能力(使飞机实现最大法向过载，最大滚转速度的能力)和配平能力(对起飞着陆、平飞)。等效系统的概念、原理和方法高阶增稳飞机的低阶等效系统是指，两个系统在相同的初始条件及外界激励下，在一定频域范围内或时间段内，相应的输出量差值在某个指标意义下达到最小，则称该低阶系统为原高阶增稳系统的等效系统。该等效系统可采用频域或时域拟合技术求得。根据多年的是用经验及军用规范，提倡使用频域拟合方法。低阶等效系统的频域拟配原理就是把高阶系统的幅频和相频分别与低阶等效系统的幅频和相频进行比较，求其差并按照下式进行拟配。2022120{[()()][()()]}HOSLOSHOSLOSiJGiGiWiin式中J称为失配系数或代价函数，n代表取多少个频率点进行拟配，一般为每10倍频程取10个点，对（0.1—10）rad/s范围内取20个点，且是对数等间隔的：()HOSGi、()HOSi和()LOSGi、()LOSi分别是高阶系统和低阶等效系统在所选频率点处的幅、相值；W为加权值，一般0.0160.02W。等效系统的概念、原理和方法在飞行品质的评价中，一般低阶等效系统模型采用典型模态与时间延迟环节相乘的形式。对飞机俯仰轴，其俯仰角速率和法向过载的低阶等效形式为：12222211()()(2)(2)szspspspphphphKssTTseFsssss'122221()()(2)(2)znnkszzspspspphphphKsTnseFsssss长周期：1221()()(2)zphphphKsTsFsss短周期：2221()()(2)szspspspKseTsFsss'22()()(2)nzsnzzspspspKensFsss等效系统的概念、原理和方法横侧向低阶等效系统形式一般为：22222()()112esadddsRKsssseFsssssTT32321022()()112esrdddsRAsAsAsAseFsssssTT式中sT，RT分别为收敛模态和螺旋模态的时间常数，d，d分别代表荷兰滚模态的阻尼比和固有频率。e和e分别为相应的延迟时间常数。纵向飞行品质纵向飞行品质纵向飞行品质纵向飞行品质纵向飞行品质纵向飞行品质俯仰轴的飞行品质评价准则1．CAP准则在获得低阶等效系统参数后，有两种方法来评价飞机的飞行品质：一种是直接利用所求得的sp以及CAP参数进行评价，另外一种是根据所求得2spspT和来评价。CAP定义为，初始俯仰角加速度0与稳态法向过载变化之zzzn比：2100etzzssetCAPradsgnn根据，zn和e的传递函数，利用终值定理和初值定理，可知CAP还可表示为：2222112spspspzgTCAPVVnTg00znzFszzzssFCAPMFFn该式表明，CAP等于单位杆力所产生的初始俯仰角加速度FsM(杆力灵敏度)与稳态时产生的单位过载所需杆力znzF((单位过载杆力)的积。可见CAP与飞行员操纵感觉中的最直接的两个概念密切相关，直接影响操纵性的好坏。所以，必须将CAP值控制在一定的范围内。另外CAP又表示了飞机俯仰姿态响应自然频率1n与飞机轨迹响应频率12T应满足的关系，即轨迹与姿态的协调关系。2．带宽准则带宽准则是由规定的开环系统带宽及时间延迟p的相互关系定义的，要求其分别位于图2-4所示的范围内。图2-4中BW是频率响应带宽，它是俯仰姿态对驾驶员操纵力或操纵位移的开环频率响应中，相位裕度等于或大于045所对应频率,BWphase或增益裕度等于或大于6dB所对应得频率,BWgain中的较小者。时间延迟p由下式定义1802180180/57.32op(2.11)式中：180是相位等于180o时的频率，1802是2倍180频率处的相角。图2-4带宽准则要求4．俯仰角速率准则俯仰角速率准则是根据驾驶员俯仰阶跃操纵输入时俯仰角速率响应形状进行飞机纵向飞行品质评定的准则。具体为，在保证飞机飞行速率为常值的条件下，由飞机2阶短周期方程计算的俯仰角速率响应特性应具有按下述方法定义的特性，如图2-9所示。图2-9俯仰角速率响应准则用水平直线定义稳态俯仰角速率值；在曲线最大斜率处引入一斜线与响应曲线相切；测量从阶跃输入加入瞬时到最大斜率处与时间轴相交点之间的时间间隔1t，称其为有效时间延迟；测量从阶跃输入加入瞬时到最大斜率线与稳态俯仰角速率直线交点之间的时间间隔2t，并定义21ttt为上升时间；定义1q为最大俯仰角速率值与稳态值之差；定义2q为稳态值与第一个最小俯仰角速率之差。上述测量值应满足如下要求：①有效延迟时间1t(对不同飞机及飞行阶段均相同)1级：10.12ts；2级：10.17ts；3级：10.21ts。②瞬态峰值比21max/qq1级：21max/0.3qq；2级：21max/0.6qq；3级：21max/0.915qq。③有效上升时间t满足下表要求表2-5有效上升时间t要求非终端飞行阶段终端飞行阶段1级009/500/VtV009/200/VtV2级003.2/1600/VtV003.2/645/VtV表中0V为真空速(m/s)。④杆力梯度/eszFn与俯仰加速度对杆力的频率响应的最大幅值比max/esF的乘积稳态机动飞行时，应不大于1级：23.6//radsg；2，3级210//radsg。该准则实际上限制了飞机俯仰角速率对指令的响应特性，因此不必识别系统的等效系统参数，故可用于常规飞机，也可用于高增稳飞机，但该方法不能用于俯仰姿态指令系统，由于该准则仅是时域测试，故可直接用于高阶响应和非线性响应，阶跃输入信号幅值大小也可任意给定。5．*C准则*C准则是波音公司提出的一个衡量飞机纵向运动特性的指标，它的提出是基于这样的事实：在飞机低速飞行时，飞机的法向过载变化较小，俯仰变化较大，飞行员感兴趣的是俯仰角速率响应，并按照俯仰角速率响应去操纵飞机；而当飞机高速飞行时，很轻微的俯仰角速率响应就可能产生较大的法向过载，驾驶员对法向过载最为关心，并按照法向过载响应进行操作。所以人们假定飞行员对飞机的俯仰速率和法向过载的感觉与飞机的响应是一致的，因此将俯仰角速率和法向过载这个混合响应指标定义为*C，其定义如下：*12zCcncq其中zn为法向过载，q为飞机俯仰角速率，1c和2c为权重系数，一般情况下1c为1，2c按下式计算02cVcg式中0cV称为交叉速度，其值随飞行状态、飞行任务不同而变化，一般推荐值为120~130m/s。g为重力加速度。在大量地面试验和变稳飞机试飞的基础上，确定了*C的飞行包线，如图2-10所示。这些飞行包线不仅短周期等效系统的阻尼比和自然频率所描述的飞机响应特性，而且考虑了系统的动态特性、高阶效应、执行机构的特性以及一定程度上的非线性影响。当输入为1g时，*C值的包线边界可用下式描述：上边界：15.895(0.9022)(2.6342)(5.439)sss下边界：17.2109(1.5942)(12.088)ss当输入为2g时，*C值的包线边界可用下式描述：上边界：27.4435(1.5262)4.2211.1353sss下边界：17.2109(1.5942)(12.088)ss由于*C准则兼顾了法向过载和俯仰角速率在不同飞行速度时的不同要求，考虑了飞机的动态特性以及一定程度的非线性影响，所以考虑以*C准则作为飞机纵向运动时的优化性能指标是很恰当。6、法向过载时间响应准则在评定纵向短周期运动时，还可依据阶跃杆输入时法向过载响应曲线来评价飞行品质。法向过载的阶跃响应曲线如图2-11所示。图2-11法向过载阶跃响应为了便于表述该准则，首先我们规定1V表示飞机的表速，2V表示飞机机动飞行时的最小表速。则法向过载时间响应准则的具体要求是：当121.5VV时，达到过载值为0.95zssn的上升时间cpt不应超过：1级：1.5s；2级：2s；3级：2.5s；当2121.5VVV时，达到过载值为0.95zssn的上升时间cpt应满足：1级：2.0s；2级：2.5s；3级：3.0s；当121.5VV时，过载的超调max/zzsszssnnn不应超过：1级：10%；2级20%；3级30%。过载响应衰减到5%zssn的振荡次数不应多于3次。飞机滚转轴的飞行品质评价准则1．滚转模态时间常数RT滚转模态时间常数RT描述了飞机滚转阻尼特性。驾驶员的评分是滚转阻尼的函数。建议的RT的最大值如表2-6所示。表2-6滚转模态时间常数RT的最大值飞行阶段飞机类型1级2级3级I，IV1.01.4AII，III1.43.010BII-A1.43.010I，II-C，IV1.01.4CII-L，III1.43.010对于高阶增稳的飞机，RT由其低阶等效系统计算求得试飞结果表明，RT不能过小。一般要求13RT。如果13RT，则驾驶员的评分表现会下降。此时驾驶员的意见反映了飞机具有过分的侧向突变和滚转棘齿现象，飞机表现为在小输入时，灵敏度高；大输入时，滚转效率不足。产生这种现象的主要原因是：在高频段内有过高的控制增益(杆灵敏度过高)；在人-机闭环系统中，驾驶员的响应存在一定的延迟；在RT太小时，侧向加速度响应可能是不稳定的。横航