飞行品质及其评价方法16-17
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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。
2 sp
2 sp
V 1 T 2 g
2 gT 2sp
V
CAP
0 Fz 0
Fz nzss
M Fs Fznz
该式表明， CAP 等于单位杆力所产生的初始俯仰角加速度 M Fs (杆力灵敏度)与稳态 时产生的单位过载所需杆力 Fzn ((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 n1 与飞机轨迹响应频率 T21 应满足的关系，即轨迹与姿态的协调关系。
C * c1nz c2 q
其中 n z 为法向过载，q 为飞机俯仰角速率，c1 和 c 2 为权重系数， 一般情况下 c1 为 1，
c 2 按下式计算
c2 Vc 0 g
式中 Vc 0 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。
' K nz e n s nz (s) Fz ( s) ( s 2 2 spsp s sp 2 )
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：
( s)
Fa ( s) K s s 2 2 s 2 1 1 2 2 s s s 2 d d s d Ts TR e
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。
上述测量值应满足如下要求： ①有效延迟时间 t1 (对不同飞机及飞行阶段均相同) 1 级： t1 0.12s ；2 级： t1 0.17 s ；3 级： t1 0.21s 。 ②瞬态峰值比 q2 / q1 max 1 级： q2 / q1 max 0.3 ；2 级： q2 / q1 max 0.6 ；3 级： q2 / q1 max 0.915 。 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 9 / V0 t 500 / V0 9 / V0 t 200 / V0 1级 3.2 / V0 t 1600 / V0 3.2 / V0 t 645 / V0 2级 表中 V0 为真空速(m/s)。 ④杆力梯度 Fes / nz 与俯仰加速度对杆力的频率响应的最大幅值比 / Fes max 的 乘积 稳态机动飞行时，应不大于 1 级： 3.6rad / s 2 / g ；2，3 级 10rad / s 2 / g 。 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。
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：
1 1 K s s T 1 T 2 (s) 2 e s 2 2 2 Fz ( s) ( s 2 spsp s sp )( s 2 ph ph s ph ) 1 K s nz Tk1 nz' ( s ) 2 e n s 2 2 2 Fz ( s) ( s 2 spsp s sp )( s 2 ph ph s ph ) 1 K s T 1 ( s) 长周期： Fz ( s ) ( s 2 2 ph ph s ph 2 ) 1 s K s e T 2 (s) 短周期： Fz ( s ) ( s 2 2 spsp s sp 2 )
20 20 J {[GHOS (i) GLOS (i)]2 W [HOS (i) LOS (i)]2 } n i 1
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： GHOS (i) 、 HOS (i) 和 GLOS (i) 、 LOS (i) 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 W 0.016 0.02 。
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 场域 非场域 阶段种类 C B A 机动 缓慢 缓慢 急剧 跟踪 精确 不精确 精确
e
e
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 sp T 2 sp 和 来评价。
p 2 180o / 57.3 2180
180
180
(2.11)
式中： 180 是相位等于 180o 时的频率， 2 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。
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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 t1 ，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 t 2 ，并定义 t t2 t1 为上升时间； 定义 q1 为最大俯仰角速率值与稳态值之差； 定义 q2 为稳态值与第一个最小俯仰角速率之差。
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)。
CAP 定义为，初始俯仰角加速度 0 与稳态法向过载变化之 nzzz 比：
CAP
e t 0 e t
nz
0
nzss
rad s
2
g 1
根据 ， n z 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：
CAP
n
1 z
z
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 450 所对应频 率 BW , phase 或增益裕度等于或大于 6dB 所对应得频率 BW , gain 中的较小者。时间延 迟 p 由下式定义
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：
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： 下边界：
e s
( s)
Fr ( s)
A s
3
3
A2 s 2 A1 s A0
1 1 2 2 s s s 2 d d s d Ts TR
e
e s
式中 Ts ， TR 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。 和 分别为相应的延迟时间常数。
15.895( s 0.9022) ( s 2.6342)( s 5.439) 17.2109 ( s 1.5942)( s 12.088)
当输入为 2g 时， C * 值的包线边 界可用下式描述： 上边界： 下边界：
7.4435(s 1.5262) s 2 4.22s 11.1353
——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。
2 sp
2 sp
V 1 T 2 g
2 gT 2sp
V
CAP
0 Fz 0
Fz nzss
M Fs Fznz
该式表明， CAP 等于单位杆力所产生的初始俯仰角加速度 M Fs (杆力灵敏度)与稳态 时产生的单位过载所需杆力 Fzn ((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 n1 与飞机轨迹响应频率 T21 应满足的关系，即轨迹与姿态的协调关系。
C * c1nz c2 q
其中 n z 为法向过载，q 为飞机俯仰角速率，c1 和 c 2 为权重系数， 一般情况下 c1 为 1，
c 2 按下式计算
c2 Vc 0 g
式中 Vc 0 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。
' K nz e n s nz (s) Fz ( s) ( s 2 2 spsp s sp 2 )
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：
( s)
Fa ( s) K s s 2 2 s 2 1 1 2 2 s s s 2 d d s d Ts TR e
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。
上述测量值应满足如下要求： ①有效延迟时间 t1 (对不同飞机及飞行阶段均相同) 1 级： t1 0.12s ；2 级： t1 0.17 s ；3 级： t1 0.21s 。 ②瞬态峰值比 q2 / q1 max 1 级： q2 / q1 max 0.3 ；2 级： q2 / q1 max 0.6 ；3 级： q2 / q1 max 0.915 。 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 9 / V0 t 500 / V0 9 / V0 t 200 / V0 1级 3.2 / V0 t 1600 / V0 3.2 / V0 t 645 / V0 2级 表中 V0 为真空速(m/s)。 ④杆力梯度 Fes / nz 与俯仰加速度对杆力的频率响应的最大幅值比 / Fes max 的 乘积 稳态机动飞行时，应不大于 1 级： 3.6rad / s 2 / g ；2，3 级 10rad / s 2 / g 。 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。
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：
1 1 K s s T 1 T 2 (s) 2 e s 2 2 2 Fz ( s) ( s 2 spsp s sp )( s 2 ph ph s ph ) 1 K s nz Tk1 nz' ( s ) 2 e n s 2 2 2 Fz ( s) ( s 2 spsp s sp )( s 2 ph ph s ph ) 1 K s T 1 ( s) 长周期： Fz ( s ) ( s 2 2 ph ph s ph 2 ) 1 s K s e T 2 (s) 短周期： Fz ( s ) ( s 2 2 spsp s sp 2 )
20 20 J {[GHOS (i) GLOS (i)]2 W [HOS (i) LOS (i)]2 } n i 1
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： GHOS (i) 、 HOS (i) 和 GLOS (i) 、 LOS (i) 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 W 0.016 0.02 。
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 场域 非场域 阶段种类 C B A 机动 缓慢 缓慢 急剧 跟踪 精确 不精确 精确
e
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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 sp T 2 sp 和 来评价。
p 2 180o / 57.3 2180
180
180
(2.11)
式中： 180 是相位等于 180o 时的频率， 2 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。
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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 t1 ，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 t 2 ，并定义 t t2 t1 为上升时间； 定义 q1 为最大俯仰角速率值与稳态值之差； 定义 q2 为稳态值与第一个最小俯仰角速率之差。
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)。
CAP 定义为，初始俯仰角加速度 0 与稳态法向过载变化之 nzzz 比：
CAP
e t 0 e t
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2
g 1
根据 ， n z 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：
CAP
n
1 z
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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 450 所对应频 率 BW , phase 或增益裕度等于或大于 6dB 所对应得频率 BW , gain 中的较小者。时间延 迟 p 由下式定义
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：
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： 下边界：
e s
( s)
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A s
3
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A2 s 2 A1 s A0
1 1 2 2 s s s 2 d d s d Ts TR
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式中 Ts ， TR 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。 和 分别为相应的延迟时间常数。
15.895( s 0.9022) ( s 2.6342)( s 5.439) 17.2109 ( s 1.5942)( s 12.088)
当输入为 2g 时， C * 值的包线边 界可用下式描述： 上边界： 下边界：
7.4435(s 1.5262) s 2 4.22s 11.1353