本书主要从动力学模型机理分析的角度，基于人-机-环闭环系统，论述了运输机的驾驶员诱发振荡(PIO)现象的影响因素和抑制方法；基于稳定性理论对人-机-环系统进行了稳定性分析与稳定域的估计；基于极值理论对PIO科目风险进行定量评估，为运输机的系统设计与安全性预计提供理论支撑。在本书的最后，对PIO地面模拟试验的平台搭建与组织方法进行了介绍。
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主持国家自然科学基金项目："人机闭环系统非线性失稳与非线性PIO机理研究"，61074007；
2、主持国家重大基础研究项目子课题："大飞机结冰多重安全边界保护和操纵应对方法研究与验证"，2015cb755805；
目录
丛书序
前言
第 1 章 运输机驾驶员诱发振荡概述 1
1.1 驾驶员诱发振荡概述 1
1.2 国内外研究现状分析 4
1.2.1PIO机理的国内外研究现状 4
1.2.2PIO飞行试验国内外发展现状 5
1.2.3 飞行风险评估国内外研究现状 7
1.3 运输机的PIO适航审定发展现状 9
第 2 章 运输机动力学与飞行控制 11
2.1 刚性飞行器动力学模型 11
2.1.1 参考坐标轴系 11
2.1.2 飞行器质心移动的动力学方程 12
2.1.3 飞行器绕质心转动的动力学方程 15
2.1.4 飞行器质心转动的动力学方程 17
2.1.5 飞行器绕质心移动的运动学方程 17
2.2 飞行器小扰动线性化模型 18
2.2.1 纵向小扰动运动方程组 19
2.2.2 横航向小扰动运动方程组 22
2.3 飞机飞行控制系统模型 23
2.3.1 飞行控制系统的任务与功能 23
2.3.2 电传运输机的飞控系统结构 25
2.3.3 飞行控制系统与PIO的内在联系 27
2.4 本章小结 30
第 3 章 运输机PIO研究中的驾驶员操纵行为模型 31
3.1 驾驶员操纵行为模式概述 31
3.2 补偿行为 34
3.3 跟踪行为 39
3.4 预知行为 40
3.5 驾驶员异常行为 42
3.6 本章小结 43
第 4 章 操纵面速率饱和对PIO的影响因素研究 44
4.1 简化的速率限制环节模型 44
4.2 精确正弦描述函数模型 51
4.3 正弦输入描述函数模型 53
4.4 正弦输入/三角输出描述函数模型 60
4.5 本章小结 64
第 5 章 基于抑制器的速率饱和PIO抑制方法研究 65
5.1 抑制器开环特性分析 65
5.1.1 抑制器的结构 65
5.1.2 抑制器频域特性分析 67
5.1.3 抑制器时域特性分析 68
5.2 抑制器相位补偿能力研究 69
5.3 II 型PIO抑制机理研究 71
5.4 抑制器效能研究 74
5.4.1 阶跃跟踪任务 74
5.4.2 离散俯仰跟踪任务 76
5.4.3 正弦跟踪任务 78
5.5 应用实例 80
5.5.1 人机闭环系统模型 80
5.5.2 飞机模型 80
5.5.3 驾驶员模型 82
5.5.4 舵机动力学模型 82
5.5.5 离散俯仰跟踪任务 82
5.5.6 正弦跟踪任务 87
5.6 本章小结 91
第 6 章 基于绝对稳定性理论的作动器速率限制人机闭环系统的稳定域估计 93
6.1 预备知识 93
6.1.1 扇形区域 93
6.1.2 绝对稳定性概念 95
6.2 圆判据 96
6.2.1 多变量与单变量圆判据定理 96
6.2.2 简单实例验证 98
6.3 Popov 判据 105
6.3.1 多变量与单变量 Popov 判据 105
6.3.2 简单实例验证 106
6.4 人机闭环系统稳定性分析算例 109
6.4.1 判据的选择 109
6.4.2 静稳定飞机人机闭环系统算例 110
6.4.3 静不稳定飞机人机闭环系统算例 117
6.5 本章小结 122
第 7 章 具有作动器速率限制的人机闭环系统的稳定域估计 123
7.1 预备知识 124
7.1.1 稳定域相关概念 124
7.1.2 Lyapunov 方程 124
7.1.3 线性矩阵不等式 (LMI) 124
7.2 基于 Lyapunov 方程的静稳定飞机人机闭环系统的稳定域估计 127
7.2.1 控制输入幅值饱和单输入系统稳定域估计方法 127
7.2.2 考虑速率限制因素的人机闭环系统稳定域估计 129
7.2.3 人机闭环系统有极限环时的稳定域估计算例 131
7.2.4 人机闭环系统无极限环时的稳定域分析 137
7.3 基于 LMI 的静不稳定飞机人机闭环系统的稳定域估计 139
7.3.1 控制输入幅值饱和稳定域估计方法 139
7.3.2 考虑速率限制因素的人机闭环系统的稳定域估计 141
7.3.3 算例研究 143
7.3.4 人机闭环系统非线性失稳模式分析 146
7.4 本章小结 149
第 8 章 基于 Anti-Windup 补偿的人机闭环系统失稳抑制 151
8.1 预备知识 152
8.2 控制输入幅值受限系统的 Anti-Windup 补偿 155
8.2.1 基本理论 155
8.2.2 算例仿真验证 158
8.3 控制输入速率受限系统的 Anti-Windup 补偿 160
8.3.1 基本理论 160
8.3.2 算例仿真验证 164
8.4 Anti-Windup 补偿方法用于人机闭环系统非线性失稳抑制 165
8.4.1 人机闭环系统结构 166
8.4.2 Anti-Windup 补偿器的求解 166
8.4.3 仿真验证 169
8.5 本章小结 172
第 9 章 基于指令速率补偿的人机闭环系统非线性失稳抑制 173
9.1 四种指令速率补偿器结构 174
9.2 四种指令速率补偿器的时域特性分析 175
9.3 采用同步控制驾驶员模型时的失稳抑制效果仿真 177
9.3.1 四种补偿器的人机闭环系统极限环失稳抑制效果仿真研究 177
9.3.2 四种补偿器的人机闭环系统发散失稳抑制效果仿真研究 185
9.4 采用 Neal-Smith 驾驶员模型时的失稳抑制效果仿真 192
9.4.1 四种补偿器的人机闭环系统极限环失稳抑制效果仿真研究 192
9.4.2 四种补偿器的人机闭环系统发散失稳抑制效果仿真研究 197
9.5 加入指令速率补偿器后对系统正常操纵的影响 202
9.5.1 本体静稳定人机闭环系统情况 202
9.5.2 本体静不稳定人机闭环系统情况 203
9.6 指令速率补偿方法与 Anti-Windup 补偿方法对比总结 208
9.7 本章小结 208
第 10 章 基于人机闭环系统的PIO易感性参数仿真与空中试飞验证 210
10.1 基于仿真模拟的PIO易感性分析方法 210
10.1.1 典型PIO试飞任务数字化 211
10.1.2 人机闭环系统模型 213
10.1.3PIO易感性参数分析 213
10.2 基于变稳机的PIO试飞验证 214
10.2.1 试飞结果评价方法 214
10.2.2 基于变稳机的PIO试飞验证概况 216
10.3 操纵系统时间延迟对PIO易感性的影响 217
10.3.1 俯仰截获任务下时间延迟对PIO易感性的影响 217
10.3.2 滚转截获任务下时间延迟对PIO易感性的影响 221
10.3.3 时间延迟引起的PIO试飞与评价方法验证 224
10.4 舵偏速率限制对PIO易感性的影响 229
10.4.1 俯仰截获任务下舵偏速率限制对PIO易感性的影响 230
10.4.2 滚转截获任务下舵偏速率限制对PIO易感性的影响 232
10.4.3 舵偏速率限制引起的PIO试飞与评价方法验证 235
10.5 飞行品质等级对PIO易感性的影响 240
10.5.1 基于过载指令结构的飞行品质等级对PIO易感性的影响 240
10.5.2 基于迎角指令结构的飞行品质等级对PIO易感性的影响 243
10.6 本章小结 246
第 11 章 基于极值理论的PIO科目试飞风险定量评估方法 247
11.1PIO科目试飞安全关键参数极值的提取 247
11.1.1 基于试飞数据的安全关键参数极值提取 247
11.1.2 基于地面模拟试飞提取的参数极值可信度验证 249
11.2 一维参数极值统计特性分析 250
11.3 基于极值理论的PIO科目试飞风险定量评估 253
11.4 基于一维参数极值分布的PIO科目试飞风险定量评估方法 254
11.4.1 一维极值分布模型 254
11.4.2 一维极值分布模型最优拟合检验 257
11.4.3 基于一维极值的PIO科目试飞风险概率 261
11.5 基于二维参数极值分布的PIO科目试飞风险定量评估 263
11.5.1 二维参数极值分布模型 263
11.5.2 二维参数极值分布模型最优拟合检验 265
11.5.3 基于二维参数极值的PIO科目试飞风险概率 268
11.5.4 不同易感性参数下PIO科目试飞风险概率 269
11.6 本章小结 269
第 12 章PIO抑制方法地面飞行模拟验证研究 271
12.1 飞机飞行模拟与飞行模拟器概述 271
12.2 地面飞行模拟器 273
12.2.1 地面飞行模拟器基本原理 273
12.2.2 地面飞行模拟器结构及组成 275
12.2.3 地面飞行模拟器主要模拟系统 276
12.3 地面飞行模拟实验 280
12.3.1 驾驶员评估 280
12.3.2 实验计划 281
12.3.3 实验结果 282
12.4 本章小结 288
参考文献 289
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