用飞行员模型进行飞行品质自动评估技术研究

韩晓宁，赵欣凯

(中航工业西安飞行自动控制研究所飞控部，陕西西安710065)

0 引言

飞行品质的好坏是关系到飞机性能和试飞员执行任务难易程度的关键因素，因此飞行品质评估是飞机及飞行控制系统研制过程中的一个重要组成部分，是进行螺旋迭代式设计优化的依据。目前，在进行飞控系统控制律开发和优化设计时，评价飞行品质的方法通常有两种:一是研发工程师根据项目要求的飞行品质规范，通过数值计算自行进行客观的飞行品质评价，称为客观评估;二是让试飞员通过模拟飞行对飞控系统进行评价，称为主观评估，在新机研制中，这种方法是飞机飞行品质最终鉴定性评估手段。在实际应用中，二者各有所长，需综合使用。为了在飞控系统设计和优化过程中部分取代试飞员进行人-机闭环飞行品质评定，减少试飞员参与品模试验的次数，本文提出了将试飞员的主观评价客观量化的思想，以达到模拟人-机闭环系统飞行试验，并自动进行飞行品质评定的目的。

1 理论依据

试飞员对飞行品质的评定主要是根据库珀-哈珀评分标准进行［1］。库珀-哈珀评分标准按照飞机的性能和试飞员完成各种飞行任务的工作负担两个方面，将飞行品质划分成10个不同的评价尺度。库珀-哈珀准则只是定性地给出了10个评价尺度，但并没有给出定量的评价。依据美国军用规范——有人驾驶飞机的飞行品质(MIL-F-8785)对飞行品质评估的定量描述，并间接引用了库珀-哈珀的试飞员评分标准，将飞行品质分成如表1所示的3个等级［2］。

表1 MIL-F-8785C中规定的3个飞行品质等级Table 1 Three flight quality grades as specified in M IL-F-8785C

在本文中，首先根据飞行品质评价内容，建立试飞员典型评估任务集。然后根据试飞员的行为特性，建立标准的试飞员行为特性数学模型。各评估任务中要求的操作动作模型与试飞员操作行为特性数学模型一起形成对飞机的最终输入。最后依据库珀-哈珀评分标准，结合飞行员的要求，建立飞行品质评定的专家知识库，对采用试飞员数学模型进行的飞行试验进行品质评定，从而指导飞控系统的设计修正，为试飞员最终参与飞控系统评定节约宝贵的时间。原理框图如图1所示。

图1 飞行品质自动评估原理框图Fig．1 Schematic diagram of automatic flight quality evaluation

2 试飞员飞行品质评估典型任务

根据多次品模试验中试飞员在飞行任务中的典型动作及试验目的、文献［4］给出的飞行品质评估机动任务集，并结合飞行品质评定的需要，选定了12项飞行品质评估典型机动任务，其中包括:脉冲操纵、阶跃操纵、模态转换性能检查等。

在建立起飞行品质评估标准任务集之后，即可根据具体型号验证要求，从任务集中挑选适宜的机动动作，开展飞行品质的评估工作。

3 飞行员行为特性数学模型

飞行员模型可以视为飞机的复杂控制系统。显然，将飞行员的行为作数学模型化是十分困难的，但是具体到飞行员驾驶飞机完成各种飞行任务的控制行为，对其数学模型化却是有可能的。最直觉的想法是引用控制论中常见的一些环节如一阶、二阶线性环节和延迟环节等的组合，来描述飞行员的实时控制行为。然而实践发现，单纯由线性环节组合的飞行员实时控制的数学模型往往不能完全反映真实情况。原因是人的控制行为中还包含非线性、时变因素和采样特征(间歇现象)。然而考虑这些因素会使问题的处理十分复杂。因此，为了既简单便于分析处理，又有一定的实用性，提出了拟线性控制模型(QLCM)。就是在飞行员线性模型的基础上，考虑人的非线性因素，建立拟线性控制模型，该模型假定飞行员的控制行为可以由线性传递函数加上随机噪声来描述，如图2所示。

图2 飞行员线性模型Fig．2 Linear pilotmodel

飞行员线性模型采用传递函数形式:

式中，Kp为飞行员增益;τ为飞行员开始反应的时间常数;TL为飞行员超前时间常数;T1为飞行员变化滞后时间常数;TN为飞行员动作滞后时间常数。

通常，τ描述对于外输入信号飞行员固有的滞后反应，中等水平飞行员的反应时间常数τ为0.12～0.20 s;在急剧变化条件下，τ为0.4～0.6 s;故障排除情况下，τ为 0.5～0.6 s。TN为0.08～0.16;Kp为0.5～100;TL为0～5;T1为0～20;n(t)为白噪声。由于真正的白噪声难以实现，实际上采用伪随机噪声的离散形式伪随机数序列来代替。

4 飞行品质评定专家知识库

在进行飞行品质评定时，针对任务集中每一个飞行任务，试飞员根据库珀-哈珀试飞员评定等级给出的评分，主要是综合考虑飞机的实际响应性能和完成该任务的工作负担给出。对于同一型号飞机的同一个飞行任务，不同的试飞员给出的评价可能会因为其技术熟练程度、习惯、经验、心理状态等个体差异而有所不同，但评分差距不会很大。要以数学模型代替飞行员构成人-机闭环系统进行仿真，并给出品质评定，必须将飞行员大脑中的主观评判标准转化为客观量化的指标，用计算机代替飞行员实现对飞行品质等级的自动评定。

通过某教练机的大量实际品模试验以及与试飞员进行深入细致的探讨，并结合国军标中飞行品质规范，建立了飞行品质评定的专家知识库。专家知识库中飞机性能主要看响应的快速性、超调量的大小、精确操纵能力等;工作负担主要看飞行员对驾驶杆(盘)、油门杆、脚蹬的操纵频率和操纵量，以及对它们之间协调操纵的难易程度。

针对所建立的典型任务，飞行品质评定专家知识库建立的依据主要是:(1)短周期阻尼比;(2)俯仰角速度准则;(3)俯仰姿态回落准则;(4)控制律设计限制条件;(5)飞行员在环评价的实际经验。使用飞行品质评定专家知识库进行飞行品质评定，在控制律设计初期，可以部分取代飞行员进行人-机闭环飞行品质评定，改善控制律。

5 仿真与分析

下面就飞行品质评估所依据的几个方面，在典型机动任务集中挑选几个典型动作，对其操纵要求和具体评判方法加以描述。

(1)阶跃操纵

动作要求:在试验当中，完成纵杆的1/4，1/2及最大行程的操纵，动作要力求规范、准确、快速。纵向方面，尽可能使飞机的速度保持不变。本任务主要检查飞机的初始响应、阻尼及稳态杆力梯度。

由于俯仰角速度准则的描述是:对俯仰阶跃操纵力输入和对阶跃操纵杆位移输入的俯仰速度响应，因此该动作的评估采用俯仰角速度准则。动作模拟、俯仰角速度响应曲线及评判结果如图3～图5所示。

图3 阶跃操纵动作指令曲线Fig．3 Curve of step operating instruction

图4 阶跃操纵俯仰角速率响应曲线Fig．4 Curve of step operating pitch rate response

图5 阶跃操纵评判结果Fig．5 Step control evaluation result

(2)绕紧转弯

动作要求:保持马赫数为常数，先压杆建立滚转角，然后拉杆到底，以达到最大迎角或最大过载。

本任务主要检查迎角和过载限制功能。通过记录最大迎角和最大过载，检查其是否超出理论设计值。图6和图7为典型动作模拟以及运用专家知识库进行评定结果界面图。

在H=5 000 m，Ma=0.6状态下，对绕紧转弯动作进行模拟，并通过专家知识库进行自动评估，从图6可以看出，实际最大迎角为28.994°，迎角限制值为30°，最大实际过载为5.407，过载限制值为－3～8，均在限制范围以内，说明迎角限制器和过载限制器均正常。

(3)推拉俯仰角

动作要求:在预定的高度和马赫数状态下，配平飞机，迅速拉杆或推杆至预定姿态角，保持这个姿态角，直到飞机稳定。

本任务主要检查飞机的纵向操纵人-机闭环品质，包括飞机初始响应、纵向预测性、操纵协调性及精确操纵能力等纵向飞行品质。该动作根据回落准则以及飞行员的经验描述进行飞行品质评价。即:拉杆后飞机姿态回落1°以下，为一级品质;回落1°～2°，为二级品质;超出2°则很不满意。

图6 典型动作模拟Fig．6 Typical action simulation

图7 自动评估结果Fig．7 Auto-evaluation result

动作模拟、俯仰角速度响应曲线及评判结果如图8～图10所示。

图8 推拉俯仰角动作指令曲线Fig．8 Curve of pitch angle with pushing and pulling instruction

图9 俯仰角响应曲线Fig．9 Pitch angle response

图10 推拉俯仰角评判结果Fig．10 Evaluation result of pushing and pulling pitch angle

由于试飞员依据库珀-哈珀试飞员评定等级给出的PR值较之于飞行品质规范中的规定更真实也更重要，因此，当两者的评判方法和标准不一致时，应以试飞员的评定标准为准［5］。但当试飞员的评判方法难以用客观的指标描述时，则采用相应的飞行品质规范。

6 结束语

本文对采用飞行员数学模型进行飞行品质评定进行了研究，初步建立了试飞员典型评估任务集、试飞员行为特性数学模型和飞行品质评定的专家知识库，实现了用试飞员数学模型进行人-机闭环系统飞行试验，并自动进行飞行品质评定的目标，其在相同条件下的评判结果与试飞员的评价结果基本一致。该系统的应用对优化飞控系统的设计具有很大的帮助，同时能为试飞员最终参与飞控系统评定节约时间，而且这种方法还避免了试飞员个体差异带来的评分结果的不一致性。目前，在飞控系统控制律设计中可以部分取代飞行员进行人-机闭环飞行品质评定，具有良好的应用前景。

［1］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．

［2］胡兆丰．飞机系统和飞行品质［M］．北京:北京航空航天大学出版社，1994．

［3］李成忠，肖业伦，方振平，等．军用规范——有人驾驶飞机的飞行品质(MIL-F-8785C)的背景资料和使用指南［M］．西安:飞行力学杂志社，1985．

［4］刘疆．大迎角飞行品质研究及地面模拟试飞［D］．西安:西北工业大学，2000．

［5］张景亭．论库珀-哈珀驾驶员评定等级［C］∥飞行力学与飞行试验学术交流年会论文集．西安:飞行力学杂志社，2004:423-428．