飞行品质第一章

人机系统与飞行品质
Flying Qualities
and Flying Qualities Man
Man--Machine Systems
Machine Systems and
开课单位：航空科学与工程学院
飞行力学与飞行安全系
谭文倩
教师：屈香菊，谭文倩
开课教师：屈香菊，
开课
年春
2011
2011年春
第一章绪论
人机系统——人和机器组成的系统。

例如：日常生活中，人和一切由人使用的装置（自行车、机床、计算机等）构成的系统。

在人机系统中，人与机器相互作用。

机器是被控对象，人操纵机器，起控制作用。

人的行为受任务的要求，也受
被控对象特性
的影响。

的影响
人对被控对象的适应性
机器的工作状态受人的操纵的影响。

本课程研究的人机系统是驾驶员和飞机构成的系统。

——
——驾驶员完成任务的度量。

驾驶员的工作负荷越小，完成任务的质量就越高，飞行品质就越好飞行品质驾驶员完成任务难易程度和精确程度的度量飞行品质就越好。

飞行品质本质上反映驾驶员和飞机
的闭环特性，涉及到驾驶员和飞机
完成任务的质量动力学特性。

操纵机构、坐舱仪表、等
工作负荷
照明、温度、湿度等经典的飞行力学飞行品质主要是飞机的稳定性和操纵性。

¾人机系统与飞行品质研究的基本问题和意义
飞机飞行品质的好坏本质上取决于人机闭环特性。

人的控制动力学与飞机动力学耦合问题Aircraft Aircraft--Pilot Coupling ，简称APC
驾驶员诱发振荡是APC 不良耦合问题中具有代表性的一种。

人的控制动力学与飞机动力学耦合问题。

基本问题中有种
Pilot-Induced Oscillation PIO 。

，简称是由驾驶员操纵引起的、持续的、
不可控的振荡。

APC 不良耦合问题，相继提出了预测和预针对不同发展阶段的不良耦合问题，相提了预测和预防的准则，也就是飞行品质准则。

人的因素正在成为影响飞机飞行安全和性能发挥的关键。

研究意义
自有人驾驶飞机开始，人机耦合APC 问题就是成功飞行的关键。

早在上世纪四十年代就已经提出了APC/PIO 问题，但航空新技术的应用会不断带来APC 现象的一些新的特征，因此，的进行研究
要求对人机系统的分析更细致需要持续不断的进行研究。

飞机飞行动力学系统的复杂化，要求对人机系统的分析更细致、系统设计的综合化程度更高，所以对人机系统特性的研究越来越重要。

国外第四代战斗机和现代民机设计中，将人的因素放在更重要的位置，提出了“以人为中心
”的人机一体化设计思想。

，中计
§1-1 人机系统定义人机系统是由人和机器组成的系统。

人的行为受控制任务的要求，也受被控对象特性的影响。

机器的工作状态受人的操纵的影响。

特点————人与机器人与机器相互作用。

作影
干扰
驾驶员飞机被控对象指令
误差杆力响应
－人机闭环系统的一般组成
¾被控对象越来越复杂发展趋势
机器是由最早期的劳动工具发展而来的。

从本质上讲机器的作用是从本质上讲，机器的作用是
减轻人的负担和扩展人的功能。

例如：飞机从增稳到自动驾驶再到飞行管理的自动化程度的提高，就是减轻人的负担；载荷阵风减缓控制
就是扩展人的功能就是扩展人的功能。

机器替代人的工作越多或者能力越强机器系统就越复杂机器替代人的工作越多或者能力越强，机器系统就越复杂。

发展趋势¾由Man Man--machine system 向Man Man--computer system 发展
在人机系统中，
人机界面由过去的
机械装置计算生成的界面。

界面由的械装发展为由计算成的界面这一特征导致人机系统的研究在多个领域有更多的共性。

显示界面
操纵系统早期飞机飞行机械仪表驾驶杆、脚蹬操纵
“玻璃驾驶舱”现代飞机玻璃驾驶舱综合屏显自动驾驶仪和飞行管理系统
使用按扭式和键盘式操纵
computer
机械操纵的人机系统
干扰
任务响应驾驶员操纵系统飞机
视觉运动
飞行品质要求的满足主要依赖气动外形特性设计。

涉及驾驶员特性的操纵指标是操纵力和操纵杆位移特性，主要涉及驾驶员的静态特性。

在人机闭环分析中，对人的特性考虑相对简单，主要是力、位移的大小和方向的协调性方面，涉及驾驶员的特性是四肢的位移、力的大小和梯度。

的位移力的大小和梯度。

任务响应驾驶员人感系统控制增稳飞机本体
视觉运动
仅靠气动外形设计难以满足飞机飞行品质要求，飞行品质的
设计
满足需要依靠控制系统设计。

飞机放宽静稳定性的控制增稳设计和电传操纵的采用，使现
代飞机人机系统的结构发生变化。

¾人机耦合问题出现的新特征 驾驶员不再直接感受飞机舵面的气动特性，而只感
受人感系统提供的力； 飞机的操纵面不仅受驾驶员的操纵，也按照一定的
现代飞机因为包含了人感、飞控、飞机本体等多个
子系统致使更加复杂人机系统的回路上控制律由自动器来操纵；
子系统，致使人机界面更加复杂，人机系统的回路上传递的信息量大大增加，驾驶员的操纵输出通道也更多，不仅限于飞机的主操纵系统。

任务
驾驶员
人机界面操纵设备操纵杆状态监控显示导引显示
驾驶舱资源飞行导引系统飞控系统飞行动力学系统测量系统飞行管理系统－
飞机系统
在自动化飞行的人机系统中，驾驶员既要使用自动化设备，又要实施人工操作具有要实施人工操作，具有多行为特征。

包括驾驶员使用自动化飞行系统的逻辑推理、判断和决策以及人工操作行为。

根据系统的层次结构以及相应的驾驶舱资源的配置，将驾驶员的操作行为分成三层，由内向外依次为：
skill based）的行为模型；
）的行为模型；
）的行为模型
第层基于d
kill b d）的行为模型
第一层：基于技能（skill based
）的行为模型；
第二层：基于规则（rule based
rule based）的行为模型；
）的行为模型。

knowledge based）的行为模型。

第三层：基于知识（knowledge based
研究目的
¾为了更好的设计飞机：
使其更适合人的操纵特性，也就是便于操纵；
提高飞机性能。

比如，放宽飞机的静稳定性，获得性能收。

比如放宽飞机的静稳定性获得性能收益，需要研究高增益下的人机耦合问题。

¾为了训练驾驶员，使人能够更好的适应飞机，更好的完成任务，以实现安全高效飞行为目的。

务以为目的
§1-2 驾驶员模型¾模型化的基础将人的一般行为模型化是相当困难的，特别是一些普通人简单行为的模型化几乎是不可能的，例如，我们的日常行为。

单行为的模型乎是可能的，例，我的常行为但对于具有专门功能的高级机器，使用者需要经过专门的训练，要求的操作是很有规律的。

这种规律性是人的行为能够例如，驾驶员完成规定任务的操纵行为，是经过严格训练、模型化的基础。

具有规律性的，建立驾驶员的控制模型就是依据这种规律性。

¾模型的基本组成
驾驶员子系统行为模型
监控
系统工作模式显示信息的内部表达失效检测决策
飞机飞行动力学系统
控制
杆力
运动
输入信号：驾驶员作为人机系统中的一个子系统，其输入是感模型框图说明
官感受的信息，这些信息来自外部视景、座舱显示和运动惯性； 输出信号：为控制杆或控制键、按扭；杆；
环节：按照实现控制决策的功能，分为三个部分：是信息的内部表达人在目中对被控•
信息处理信息处理————是信息的内部表达，人在心目中对被控是信息的内部表达，人在心目中对被控对象生成的内部映像；
•
监控监控——
——是离散决策行为；是离散决策行为；•控制————是连续操作行为，即人工驾驶。

是连续操作行为，即人工驾驶。

控制是连续操作行为，即人驾驶。

¾数学模型的形式
驾驶员可以被看作一个黑匣子或灰匣子，其输入和输出信息已知，根据某种等价关系，可以用一种数学模型来描述这个已知根据某种等价关系可以用种数学模型来描述这个匣子，即驾驶员数学模型。

模型的形式有以下几种：
1. 拟线性驾驶员模型：人的行为本身是非线性的，当飞机的
运动以小扰动描述时，根据所研究的问题，驾驶员模型在形式上也可采用传递函数形式。

2是现代控制理论（最优控制理论和最优
2. 最优驾驶员模型是以现代控制理论（最优控制理论和最优
滤波）为基础，是一种多输入多输出模型。

3. 驾驶员结构模型也是一种传递函数形式，但从生理学角度，
按人体各部件功能描述驾驶员操纵行为。

41-2 驾驶员模型 4.
驾驶员模糊控制模型采用建立在模糊集基础上的模糊控制理论，用于描述驾驶员的模糊判断和决策。

5. 神经网络驾驶员模型基于神经网络理论，用来描述驾驶员的非线性行为。

6. 驾驶员的管理与决策行为模型针对监控自动化的管理与决策行为采用管理领域的排队和决策理论建立模型行为，采用管理领域的排队和决策理论建立模型。

7. 生物力学驾驶员模型是从人体构成的角度来建立驾驶员模型
识别。

8.
多行为驾驶员智能模型。

21
§1-3 飞行品质及飞行品质规范的度量
¾飞行品质的定义驾驶员完成任务难易程度和精确程度的度量。

¾飞行品质研究的分类•按飞机运动自由度分类：1)纵向飞行品质以纵向典型运动模态为基础；
符合飞行力学的教学体系
1)
纵向飞行品质，以纵向典型运动模态为基础；2) 横侧飞行品质，以横侧典型运动模态为基础；
3) 大迎角、非线性和纵、横向耦合的飞行品质。

•
按
驾驶员是否在环
的研究方法分类：1)开环准则；
2)闭环准则。

¾1-3 飞行品质及飞行品质规范飞行品质规范是从飞机设计出发制定的飞行品质标准，以定飞行品质规范量或定性指标来表示，是飞机设计的指南。

这些指标直接或间接反映人机闭环特性。

飞行品质评价尺度是驾驶员对飞行品质评价采用的统一的术语。

例如，十分制评价尺度Cooper Cooper--Harper 评价尺度。

§1-4 与人机系统有关的研究内容及相关学科¾本学科性质具有多学科交叉性。

研究内容和相关学科包括：
的为特究
1. 人的行为特性研究；
22. 被控对象特性研究；
3. 人－机关系研究；
4. 人－机－系统环境因素影响研究。

本章参考书
1. (E TP11/26) T. B. Sheridan and W. R. Fervell
Fervell, , 1. (E TP11/26) T. B. Sheridan and W. R.
Man--machine system.
Man
2 (E TP11/52) W. B. Rouse, System Engineering Model of Human Machine Interaction.
M d l f H M hi I t ti
人机系统与飞行品质教学大纲•学时4848（课堂（课堂3232，实验，实验1616））
•课程的目的与地位本课程是飞行器设计专业硕士研究生的一门专业必修课。

通过本课程的学习使同学们掌握与飞行安全飞机设计通过本课程的学习，使同学们掌握与飞行安全、飞机设计有关的人机系统和飞行品质方面的理论和实验研究方法。

•课程内容关键词课程内容关键词: :
人机系统hi 人机系统，man man--machine system 驾驶员控制模型，human control model 26
飞行品质，flying quality
•课程的主要章节和学时分配
第一章绪论 2 学时第二章人工控制的类型及驾驶员控制行为的模型化
第章控制的类型驾驶员控制行为的模型化
2 学时第三章频域驾驶员拟线性模型识别 5 学时
5
第四章驾驶员最优控制模型 4 学时第章有学第五章与研究驾驶员控制模型有关的若干问题 2 时第六章驾驶员结构模型 3 学时第八章飞行品质与规范简介 3 学时第九章纵向飞行品质 6 学时
6
第十章横侧飞行品质 3 学时第十一章2
第十章人机耦合问题的研究新进展 2 学时另外，人机系统与飞行品质实验16 学时
•教学方法
1. 课堂讲授，课后布置思考题。

2. 结合飞行品质准则分析，在飞行模拟器上进行人机
闭环仿真实验，并写实验分析报
闭环仿真实验，并写出实验分析报告。

•考核方式
实验和分析报告50%，课堂考试50% 。

•先修课程
飞行力学，自动控制原理，现代控制理论。

飞行力学自动控制原理现代控制理论
•主要参考书
[1] 胡兆丰主编，人机系统和飞行品质，北京航空航天大学
出版社，1994。

[]y,
[2] Thomas B. Man
[2] Thomas B. Man--machine System: Information,
Control and Decision Models of Human, The MIT press,
1981.
[3] Committee on the Effects of Aircraft--pilot Coupling on
[3] Committee on the Effects of Aircraft
Flight Safety , Aviation Safety and Pilot Control ,
National Academy press, 1997.
N ti l A d1997
. Aircraft Handling Qualities,
Hodgkinson. Aircraft Handling Qualities,
[4] John
[4] John Hodgkinson
Blackwell Science, 1999.
思考题人的控制行为能够数学模型化的基础是什么??z 人的控制行为能够数学模型化的基础是什么人的控制行为能够数学模型化的基础是什么? ? 建立驾驶员模型有何意义建立驾驶员模型有何意义??建驾员模型有何意z 驾驶员－飞机系统结构演变有何的特征驾驶员－飞机系统结构演变有何的特征??。