基于缩比模型的全尺寸飞机纵向Ⅰ类PIO预测

左宪帅; 王立新; 刘杰; 胡一繁; 柴雪; 何倩琳

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0433

基于缩比模型的全尺寸飞机纵向Ⅰ类PIO预测

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0433

1.
北京空天技术研究所, 北京 100074
2.
北京航空航天大学航空科学与工程学院, 北京 100083

详细信息

通讯作者:
刘杰, E-mail: 984669282@qq.com

中图分类号: V212.1
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出版历程
- 收稿日期: 2020-08-14
- 录用日期: 2020-11-15
- 网络出版日期: 2021-11-20

Prediction of longitudinal Category Ⅰ PIO of full-size aircraft based on scaled model

1.
Beijing Aerospace Technology Institute, Beijing 100074, China
2.
School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China

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Corresponding author: LIU Jie, E-mail: 984669282@qq.com

摘要

摘要:
驾驶员诱发振荡（PIO）对飞机的飞行安全构成严重威胁，在进行全尺寸飞机PIO特性评估飞行试验之前，利用与全尺寸飞机动力学相似的缩比模型进行飞行试验，对全尺寸飞机的PIO特性进行初步评估，可以达到节约试验成本和降低试验风险的目的。针对驾驶杆操纵到指令形成过程中的时间延迟这一因素诱发的纵向Ⅰ类PIO，选取带宽准则和Neal-Smith准则作为评定准则，分析了全尺寸飞机和缩比模型对应PIO评定参数的相似比例关系，并建立了基于缩比模型的全尺寸飞机纵向Ⅰ类PIO预测方法。以某型军用运输机及其缩比模型作为算例飞机进行了仿真验证，验证结果表明：分析得到的相似比例关系是正确的，基于缩比模型试验数据可以较为准确地评估全尺寸飞机的Ⅰ类PIO特性。
- 缩比模型 /
- 诱发振荡(PIO) /
- 时间延迟 /
- 相似比例 /
- 仿真验证
Abstract:
The Pilot Induced Oscillations (PIO) pose a serious threat to the flight safety of aircraft. Predicting the PIO of full-size aircraft preliminarily based on flight test of dynamically similar scaled model helps to reduce the test risks and save cost. Bandwidth criterion and Neal-Smith criterion are selected as the evaluation criteria for the longitudinal Category Ⅰ PIO caused by the time delay from control stick operation to control command generation. The similar proportional relations of the PIO characteristic parameters between full-size aircraft and scaled model are analyzed first, and then a method to predict longitudinal Category Ⅰ PIO of the full-size aircraft based on scaled model is established. Finally, a military transport aircraft and its scaled model are taken as the sample aircraft of simulation verification. The results show that the similar proportional relations obtained by analysis are correct, and the prediction of Category Ⅰ PIO of full-size aircraft is accurate based on scaled model test data.
- scaled model /
- Pilot Induced Oscillations (PIO) /
- time delay /
- similar proportion /
- simulation verification

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图 1 纵向控制律结构

Figure 1. Structure of longitudinal control law

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图 2 横航向控制律结构

Figure 2. Structure of lateral control law

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图 3 带宽准则评定参数定义

Figure 3. Definition of bandwidth criterion evaluation parameters

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图 4 俯仰姿态角开环时域响应特性对比

Figure 4. Comparison of open-loop pitch attitude angle time-domain response properties

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图 5 俯仰姿态角开环频域响应特性对比

Figure 5. Comparison of open-loop pitch attitude angle frequency-domain response properties

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图 6 带宽准则评定结果对比

Figure 6. Comparison of bandwidth criterion evaluation result

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图 7 俯仰姿态角跟踪人机闭环系统

Figure 7. Pilot-aircraft closed-loop pitch attitudeangle tracking system

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图 8 Neal-Smith准则评定参数定义

Figure 8. Definition of Neal-Smith criterion evaluation parameters

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图 9 俯仰姿态角闭环时域响应特性对比

Figure 9. Comparison of closed-loop pitch attitude angle time-domain response properties

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图 10 俯仰姿态角闭环频域响应特性对比

Figure 10. Comparison of closed-loop pitch attitude angle frequency-domain response properties

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图 11 Neal-Smith准则评定结果对比

Figure 11. Comparison of Neal-Smith criterion evaluation results

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图 12 全尺寸飞机仿真结果

Figure 12. Simulation results of full-size aircraft

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图 13 缩比模型仿真结果

Figure 13. Simulation results of scaled model

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表 1 动力学参数相似比例(缩比模型/全尺寸飞机)

Table 1. Similar proportions of dynamic parameters(scaled model/full-size aircraft)

动力学参数		相似比例
总体参数	机翼展长/m	k
	平均气动弦长/m	k
	重心位置/%	1
	机翼面积/m²	k²
	质量/kg	k³
	俯仰转动惯量/(kg·m²)	k⁵
	偏航转动惯量/(kg·m²)	k⁵
	滚转转动惯量/(kg·m²)	k⁵
	惯性积/(kg·m²)	k⁵
	发动机推重比	1
飞行状态参数	空气密度/(kg·m^-3)	1
飞行状态参数	飞行速度/(m·s^-1)	k^0.5

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表 2 飞行控制律参数对比(缩比模型/全尺寸飞机)

Table 2. Comparison of flight control law parameters(scaled model/full-size aircraft)

飞行控制律参数	相似比例	全尺寸飞机参数	缩比模型参数
K_P	1	1.25	1.25
K_I	k^-0.5	0.3	0.6
K_β	1	1.42	1.42
K_p	k^0.5	0.64	0.32
K_q	k^0.5	1.36	0.68
K_r	k^0.5	0.04	0.02
τ_αf	k^0.5	0.1	0.05
τ_βf	k^0.5	0.1	0.05
τ_αct	k^0.5	0.04	0.02

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表 3 时域响应变量相似比例(缩比模型/全尺寸飞机)

Table 3. Similar proportions of time-domain response variables (scaled model/full-size aircraft)

时域响应参数	相似比例
时间	k^0.5
距离	k
速度	k^0.5
加速度	1
角度	1
角速度	k^-0.5
角加速度	k^-1

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表 4 时延设置对比

Table 4. Comparison of time delay setting

对应状态	时延设置/s
对应状态	全尺寸飞机	缩比模型
1	0	0
2	0.1	0.05
3	0.2	0.1
4	0.3	0.15

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表 5 带宽准则评定参数对比

Table 5. Comparison of bandwidth criterion evaluation parameters

对应状态	参数	ω_BW/(rad·s^-1)	τ_P/s
1	全尺寸飞机	3.12	0.026
	缩比模型	6.07	0.012
	理论比例	2	0.5
	实际比例	1.95	0.46
2	全尺寸飞机	2.47	0.102
	缩比模型	4.84	0.050
	理论比例	2	0.5
	实际比例	1.96	0.49
3	全尺寸飞机	2.05	0.179
	缩比模型	4.06	0.088
	理论比例	2	0.5
	实际比例	1.98	0.49
4	全尺寸飞机	1.43	0.255
	缩比模型	2.85	0.127
	理论比例	2	0.5
	实际比例	1.99	0.49

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表 6 全尺寸飞机带宽频率要求

Table 6. Requirement of bandwidth for full-size aircraft

飞行阶段	带宽频率要求/(rad·s^-1)
A种飞行阶段	3.5
B种飞行阶段	1.5
着陆	2.5
其他C种飞行阶段	1.5

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表 7 缩比模型带宽频率要求

Table 7. Requirement of bandwidth for scaled model

飞行阶段	带宽频率要求/(rad·s^-1)
A种飞行阶段	3.5k^-0.5
B种飞行阶段	1.5k^-0.5
着陆	2.5k^-0.5
其他C种飞行阶段	1.5k^-0.5

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表 8 驾驶员模型参数相似比例

Table 8. Similar proportions of pilot model parameters

模型参数	相似比例
K_pe	1
T_p1	k^0.5
T_p2	k^0.5
τ	k^0.5

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表 9 闭环系统带宽和驾驶员模型参数对比

Table 9. Comparison of closed-loop system bandwidth and pilot model parameters

对应状态	参数	ω_B/(rad·s^-1)	K_pe	T_p1/s	T_p2/s	τ/s
1	全尺寸飞机	2.5	2.65	0.190	0	0.25
	缩比模型	5	2.60	0.095	0	0.125
	理论比例	2	1	0.5	0.5	0.5
	实际比例	2	0.98	0.5	0.5	0.5
2	全尺寸飞机	2.5	2.40	0.320	0	0.25
	缩比模型	5	2.35	0.155	0	0.125
	理论比例	2	1	0.5	0.5	0.5
	实际比例	2	0.98	0.48	0.5	0.5
3	全尺寸飞机	2.5	2.60	0.370	0	0.25
	缩比模型	5	2.55	0.180	0	0.125
	理论比例	2	1	0.5	0.5	0.5
	实际比例	2	0.98	0.49	0.5	0.5
4	全尺寸飞机	2.5	2.60	0.450	0	0.25
	缩比模型	5	2.55	0.215	0	0.125
	理论比例	2	1	0.5	0.5	0.5
	实际比例	2	0.98	0.48	0.5	0.5

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表 10 Neal-Smith准则评定参数对比

Table 10. Comparison of Neal-Smith criterion evaluation parameters

对应状态	参数	ΔM_drop/dB	\|θ/θ_c\|_max/dB	Ф_p/(°)
1	全尺寸飞机	-2.12	-1.11	25.41
	缩比模型	-2.12	-1.04	25.41
	理论比例	1	1	1
	实际比例	1	0.94	1
2	全尺寸飞机	-2.44	-0.26	38.66
	缩比模型	-2.42	0.27	37.78
	理论比例	1	1	1
	实际比例	0.99	1.04	0.98
3	全尺寸飞机	-1.83	4.46	42.77
	缩比模型	-1.82	4.71	41.99
	理论比例	1	1	1
	实际比例	0.99	1.06	0.98
4	全尺寸飞机	-1.63	9.41	48.37
	缩比模型	1.60	9.64	47.07
	理论比例	1	1	1
	实际比例	0.98	1.02	0.97

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参考文献(18)

[1]	杨挺健. 驾驶员诱发振荡飞行培训和评定方法研究[J]. 飞行力学, 2016, 34(3): 76-80. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FHLX201603018.htm YANG T J. Research on the method of PIO flight training and assessment[J]. Flight Dynamics, 2016, 34(3): 76-80(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FHLX201603018.htm
[2]	冯亚昌, 李陆豫. 电传飞机人机闭环系统的诱发振荡[J]. 北京航空航天大学学报, 2000, 26(1): 30-33. https://bhxb.buaa.edu.cn/CN/Y2000/V26/I1/30 FENG Y C, LI L Y. Induced-oscillation of man-vehicle closed system of FBW aircraft[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2000, 26(1): 30-33(in Chinese). https://bhxb.buaa.edu.cn/CN/Y2000/V26/I1/30
[3]	刘艳, 高正红. 民用飞机适航取证中的APC/PIO评估方法[J]. 飞行力学, 2010, 28(6): 6-10. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FHLX201006002.htm LIU Y, GAO Z H. APC/PIO evaluation methods for civil aircraft airworthiness certification[J]. Flight Dynamics, 2010, 28(6): 6-10(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FHLX201006002.htm
[4]	宁国栋, 方振平. Neal-Smith时域PIO预测准则及应用[J]. 北京航空航天大学学报, 2005, 31(4): 407-411. doi: 10.3969/j.issn.1001-5965.2005.04.008 NING G D, FANG Z P. Time domain Neal-Smith criterion and PIO prediction[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2005, 31(4): 407-411(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-5965.2005.04.008
[5]	孟捷, 徐浩军, 李大伟, 等. Gap准则在II型PIO预测中的应用[J]. 北京航空航天大学学报, 2010, 36(9): 1067-1070. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BJHK201009013.htm MENG J, XU H J, LI D W, et al. Application of Gap criterion in prediction of category PIO[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2010, 36(9): 1067-1070(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BJHK201009013.htm
[6]	何倩琳, 王立新. 飞翼布局飞机舵面偏转速率设计[J]. 北京航空航天大学学报, 2015, 41(9): 1729-1735. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0631 HE Q L, WANG L X. Design of actuator rate for flying wing aircraft[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2015, 41(9): 1729-1735(in Chinese). doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0631
[7]	曹启蒙, 李颖晖, 徐浩军. 考虑作动器速率饱和的人机闭环系统稳定域[J]. 北京航空航天大学学报, 2013, 39(2): 215-219. https://bhxb.buaa.edu.cn/CN/Y2013/V39/I2/215 CAO Q M, LI Y H, XU H J. Stability region for closed-loop pilot-vehicle system with actuator rate saturation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2013, 39(2): 215-219(in Chinese). https://bhxb.buaa.edu.cn/CN/Y2013/V39/I2/215
[8]	黄成涛, 王立新. 遥控模式下无人机系统纵向飞行品质评定[J]. 北京航空航天大学学报, 2013, 39(4): 427-431. https://bhxb.buaa.edu.cn/CN/Y2013/V39/I4/427 HUANG C T, WANG L X. Longitudinal flying qualities evaluation of UAV system in remote model[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2013, 39(4): 427-431(in Chinese). https://bhxb.buaa.edu.cn/CN/Y2013/V39/I4/427
[9]	卢扬, 于黎明, 付永领. 抑制俯仰II型PIO的四种滤波器性能比较[J]. 北京航空航天大学学报, 2015, 41(7): 1287-1293. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BJHK201507019.htm LU Y, YU L M, FU Y L. Performance comparison of four pre-filters used to prevent pitch category II PIO[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2015, 41(7): 1287-1293(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BJHK201507019.htm
[10]	李浩, 赵忠良, 范召林. 风洞虚拟飞行试验模拟方法研究[J]. 实验流体力学, 2011, 25(6): 72-76. doi: 10.3969/j.issn.1672-9897.2011.06.014 LI H, ZHAO Z L, FAN Z L. Simulation method for wind tunnel based virtual flight testing[J]. Journal of Experients in Fluid Mechanics, 2011, 25(6): 72-76(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1672-9897.2011.06.014
[11]	岑飞, 聂博文, 刘志涛. 低速风洞带动力模型自由飞实验技术研究[J]. 航空学报, 2017, 38(10): 59-71. CEN F, NIE B W, LIU Z T. Investigation on low-speed wind tunnel free-flight test of powered subscale aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(10): 59-71(in Chinese).
[12]	陈孟钢, 高金源. 缩比模型飞机及其飞控系统与原型机的相似关系[J]. 飞行力学, 2003, 21(2): 34-37. doi: 10.3969/j.issn.1002-0853.2003.02.010 CHEN M G, GAO J Y. Similarity relationships between scaled-model aircraft with its flight control system and prototype aircraft[J]. Flight Dynamics, 2003, 21(2): 34-37(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1002-0853.2003.02.010
[13]	王斑, 詹浩. 遥控缩比验证模型及其飞控系统设计准则[J]. 计算机仿真, 2014, 31(6): 108-111. doi: 10.3969/j.issn.1006-9348.2014.06.024 WANG B, ZHAN H. Design criteria of remotely controlled dynamically similar model (DSM) and its flight control systems (FCS)[J]. Computer Simulation, 2014, 31(6): 108-111(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1006-9348.2014.06.024
[14]	郭林亮, 祝明洪, 孔鹏. 风洞虚拟飞行模型机与原型机动力学特性分析[J]. 航空学报, 2016, 37(8): 2583-2593. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201608024.htm GUO L L, ZHU M H, KONG P. Analysis of dynamic characteristics between prototype aircraft and scaled-model of virtual flight test in wind tunnel[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(8): 2583-2593(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201608024.htm
[15]	方振平, 陈万春, 张曙光. 航空飞行器飞行动力学[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2005: 115-118. FANG Z P, CHEN W C, ZHANG S G. Aircraft flight dynamics[M]. Beijing: Beihang University Press, 2005: 115-118(in Chinese).
[16]	高金源, 李陆豫, 冯亚昌. 飞机飞行品质[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003: 160-165. GAO J Y, LI L Y, FENG Y C. Aircraft handling qualities[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2003: 160-165(in Chinese).
[17]	周堃, 王立新, 谭详升. 放宽静稳定电传客机纵向短周期品质评定方法[J]. 航空学报, 2012, 33(9): 1606-1615. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201209007.htm ZHOU K, WANG L X, TAN X S. Handing qualities assement of short period mode for fly-by-wire passenger airliner with relaxed static stability design[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2012, 33(9): 1606-1615(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201209007.htm
[18]	孟庆明. 自动控制原理[M]. 2版. 北京: 高等教育出版社, 2008: 57-59. MENG Q M. Principle of automatic control[M]. 2nd ed. Beijing: Higher Education Press, 2008: 57-59(in Chinese).