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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