本書主要從動力學模型機理分析的角度，基于人-機-環閉環系統，論述了運輸機的駕駛員誘發振蕩(PIO)現象的影響因素和抑制方法；基于穩定性理論對人-機-環系統進行了穩定性分析與穩定域的估計；基于極值理論對PIO科目風險進行定量評估，為運輸機的系統設計與安全性預計提供理論支撐。在本書的最后，對PIO地面模擬試驗的平臺搭建與組織方法進行了介紹。
主持國家自然科學基金項目："人機閉環系統非線性失穩與非線性PIO機理研究"，61074007；
2、主持國家重大基礎研究項目子課題："大飛機結冰多重安全邊界保護和操縱應對方法研究與驗證"，2015cb755805；
目錄
叢書序
前言
第 1 章 運輸機駕駛員誘發振蕩概述 1
1.1 駕駛員誘發振蕩概述 1
1.2 國內外研究現狀分析 4
1.2.1PIO機理的國內外研究現狀 4
1.2.2PIO飛行試驗國內外發展現狀 5
1.2.3 飛行風險評估國內外研究現狀 7
1.3 運輸機的PIO適航審定發展現狀 9
第 2 章 運輸機動力學與飛行控制 11
2.1 剛性飛行器動力學模型 11
2.1.1 參考坐標軸系 11
2.1.2 飛行器質心移動的動力學方程 12
2.1.3 飛行器繞質心轉動的動力學方程 15
2.1.4 飛行器質心轉動的動力學方程 17
2.1.5 飛行器繞質心移動的運動學方程 17
2.2 飛行器小擾動線性化模型 18
2.2.1 縱向小擾動運動方程組 19
2.2.2 橫航向小擾動運動方程組 22
2.3 飛機飛行控制系統模型 23
2.3.1 飛行控制系統的任務與功能 23
2.3.2 電傳運輸機的飛控系統結構 25
2.3.3 飛行控制系統與PIO的內在聯系 27
2.4 本章小結 30
第 3 章 運輸機PIO研究中的駕駛員操縱行為模型 31
3.1 駕駛員操縱行為模式概述 31
3.2 補償行為 34
3.3 跟蹤行為 39
3.4 預知行為 40
3.5 駕駛員異常行為 42
3.6 本章小結 43
第 4 章 操縱面速率飽和對PIO的影響因素研究 44
4.1 簡化的速率限制環節模型 44
4.2 精確正弦描述函數模型 51
4.3 正弦輸入描述函數模型 53
4.4 正弦輸入/三角輸出描述函數模型 60
4.5 本章小結 64
第 5 章 基于抑制器的速率飽和PIO抑制方法研究 65
5.1 抑制器開環特性分析 65
5.1.1 抑制器的結構 65
5.1.2 抑制器頻域特性分析 67
5.1.3 抑制器時域特性分析 68
5.2 抑制器相位補償能力研究 69
5.3 II 型PIO抑制機理研究 71
5.4 抑制器效能研究 74
5.4.1 階躍跟蹤任務 74
5.4.2 離散俯仰跟蹤任務 76
5.4.3 正弦跟蹤任務 78
5.5 應用實例 80
5.5.1 人機閉環系統模型 80
5.5.2 飛機模型 80
5.5.3 駕駛員模型 82
5.5.4 舵機動力學模型 82
5.5.5 離散俯仰跟蹤任務 82
5.5.6 正弦跟蹤任務 87
5.6 本章小結 91
第 6 章 基于絕對穩定性理論的作動器速率限制人機閉環系統的穩定域估計 93
6.1 預備知識 93
6.1.1 扇形區域 93
6.1.2 絕對穩定性概念 95
6.2 圓判據 96
6.2.1 多變量與單變量圓判據定理 96
6.2.2 簡單實例驗證 98
6.3 Popov 判據 105
6.3.1 多變量與單變量 Popov 判據 105
6.3.2 簡單實例驗證 106
6.4 人機閉環系統穩定性分析算例 109
6.4.1 判據的選擇 109
6.4.2 靜穩定飛機人機閉環系統算例 110
6.4.3 靜不穩定飛機人機閉環系統算例 117
6.5 本章小結 122
第 7 章 具有作動器速率限制的人機閉環系統的穩定域估計 123
7.1 預備知識 124
7.1.1 穩定域相關概念 124
7.1.2 Lyapunov 方程 124
7.1.3 線性矩陣不等式 (LMI) 124
7.2 基于 Lyapunov 方程的靜穩定飛機人機閉環系統的穩定域估計 127
7.2.1 控制輸入幅值飽和單輸入系統穩定域估計方法 127
7.2.2 考慮速率限制因素的人機閉環系統穩定域估計 129
7.2.3 人機閉環系統有極限環時的穩定域估計算例 131
7.2.4 人機閉環系統無極限環時的穩定域分析 137
7.3 基于 LMI 的靜不穩定飛機人機閉環系統的穩定域估計 139
7.3.1 控制輸入幅值飽和穩定域估計方法 139
7.3.2 考慮速率限制因素的人機閉環系統的穩定域估計 141
7.3.3 算例研究 143
7.3.4 人機閉環系統非線性失穩模式分析 146
7.4 本章小結 149
第 8 章 基于 Anti-Windup 補償的人機閉環系統失穩抑制 151
8.1 預備知識 152
8.2 控制輸入幅值受限系統的 Anti-Windup 補償 155
8.2.1 基本理論 155
8.2.2 算例仿真驗證 158
8.3 控制輸入速率受限系統的 Anti-Windup 補償 160
8.3.1 基本理論 160
8.3.2 算例仿真驗證 164
8.4 Anti-Windup 補償方法用于人機閉環系統非線性失穩抑制 165
8.4.1 人機閉環系統結構 166
8.4.2 Anti-Windup 補償器的求解 166
8.4.3 仿真驗證 169
8.5 本章小結 172
第 9 章 基于指令速率補償的人機閉環系統非線性失穩抑制 173
9.1 四種指令速率補償器結構 174
9.2 四種指令速率補償器的時域特性分析 175
9.3 采用同步控制駕駛員模型時的失穩抑制效果仿真 177
9.3.1 四種補償器的人機閉環系統極限環失穩抑制效果仿真研究 177
9.3.2 四種補償器的人機閉環系統發散失穩抑制效果仿真研究 185
9.4 采用 Neal-Smith 駕駛員模型時的失穩抑制效果仿真 192
9.4.1 四種補償器的人機閉環系統極限環失穩抑制效果仿真研究 192
9.4.2 四種補償器的人機閉環系統發散失穩抑制效果仿真研究 197
9.5 加入指令速率補償器后對系統正常操縱的影響 202
9.5.1 本體靜穩定人機閉環系統情況 202
9.5.2 本體靜不穩定人機閉環系統情況 203
9.6 指令速率補償方法與 Anti-Windup 補償方法對比總結 208
9.7 本章小結 208
第 10 章 基于人機閉環系統的PIO易感性參數仿真與空中試飛驗證 210
10.1 基于仿真模擬的PIO易感性分析方法 210
10.1.1 典型PIO試飛任務數字化 211
10.1.2 人機閉環系統模型 213
10.1.3PIO易感性參數分析 213
10.2 基于變穩機的PIO試飛驗證 214
10.2.1 試飛結果評價方法 214
10.2.2 基于變穩機的PIO試飛驗證概況 216
10.3 操縱系統時間延遲對PIO易感性的影響 217
10.3.1 俯仰截獲任務下時間延遲對PIO易感性的影響 217
10.3.2 滾轉截獲任務下時間延遲對PIO易感性的影響 221
10.3.3 時間延遲引起的PIO試飛與評價方法驗證 224
10.4 舵偏速率限制對PIO易感性的影響 229
10.4.1 俯仰截獲任務下舵偏速率限制對PIO易感性的影響 230
10.4.2 滾轉截獲任務下舵偏速率限制對PIO易感性的影響 232
10.4.3 舵偏速率限制引起的PIO試飛與評價方法驗證 235
10.5 飛行品質等級對PIO易感性的影響 240
10.5.1 基于過載指令結構的飛行品質等級對PIO易感性的影響 240
10.5.2 基于迎角指令結構的飛行品質等級對PIO易感性的影響 243
10.6 本章小結 246
第 11 章 基于極值理論的PIO科目試飛風險定量評估方法 247
11.1PIO科目試飛安全關鍵參數極值的提取 247
11.1.1 基于試飛數據的安全關鍵參數極值提取 247
11.1.2 基于地面模擬試飛提取的參數極值可信度驗證 249
11.2 一維參數極值統計特性分析 250
11.3 基于極值理論的PIO科目試飛風險定量評估 253
11.4 基于一維參數極值分布的PIO科目試飛風險定量評估方法 254
11.4.1 一維極值分布模型 254
11.4.2 一維極值分布模型最優擬合檢驗 257
11.4.3 基于一維極值的PIO科目試飛風險概率 261
11.5 基于二維參數極值分布的PIO科目試飛風險定量評估 263
11.5.1 二維參數極值分布模型 263
11.5.2 二維參數極值分布模型最優擬合檢驗 265
11.5.3 基于二維參數極值的PIO科目試飛風險概率 268
11.5.4 不同易感性參數下PIO科目試飛風險概率 269
11.6 本章小結 269
第 12 章PIO抑制方法地面飛行模擬驗證研究 271
12.1 飛機飛行模擬與飛行模擬器概述 271
12.2 地面飛行模擬器 273
12.2.1 地面飛行模擬器基本原理 273
12.2.2 地面飛行模擬器結構及組成 275
12.2.3 地面飛行模擬器主要模擬系統 276
12.3 地面飛行模擬實驗 280
12.3.1 駕駛員評估 280
12.3.2 實驗計劃 281
12.3.3 實驗結果 282
12.4 本章小結 288
參考文獻 289
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