PIO 之產生因素

4 5 6 7 8 9x 10⁴

系統取樣頻率(Hz)

彈性係數(N/m)

(b)Y方向B係數穩定曲線

不穩定區

穩定區

圖 3-2-5(b) 在 Y 軸方向之 K-f 變化下黏滯係數對系統穩定關係圖 3.2.2.3 摩擦力補償

從上一小節中可知實際物理系統的黏滯係數可以增加系統的被動性，這是由 於系統本身的黏滯性會提供一個作用力，其大小正比於運動速度，且方向與系統 運動方向相反，這作用力會使得系統運動速度漸緩。與這個現象非常相似的是系 統的摩擦力，曾有相關文獻提出摩擦力對於力量-位置控制的系統有穩定補償的作 用。【3-6】

摩擦力雖不為速度的函數，但也同樣的提供一個與運動方向相反的作用力，

摩擦力所提供的穩定力與黏滯係數差了一個運動速度的純量倍數，因此我們可修 正(3.22)與(3.26)中的 b 值

f 1

new friction

b b

= + v

摩擦力的穩定效應在系統慢速操作下，將會發揮較大的影響。

3.3 PIO 之產生因素

PIO (Pilot-Induced Oscillation) 常見於現今的飛機事故之中，主要是由於相 位延遲所導致，除了會造成飛機的損害外，更有可能造成人員的喪生。本節首先 先解釋PIO 的重要性，歸納 PIO 發生的原因，並回顧近期的 PIO 事件以及介紹各 種不同的預測PIO 方式。接著介紹模糊 PIO 偵測器的理論基礎，模糊變數與其歸 屬函數的定義與模糊法則，最後提出相位補償的概念，將其與 PIO 模糊偵測器結 合，減少發生 PIO 的傾向。安全飛行的示意圖如圖 3-3-1 所示，經由相位補償後 的飛行訊號在前置處理後輸入模糊推斷系統中，最後可以得到 PIO 的估測值，藉

此達到安全飛行的目的。

模糊邏輯是以模糊集合為基礎，將二值邏輯推廣為多值邏輯的演算，主要優 點在於直接攫取來自於專家的經驗法則即可建構出受控系統的控制法則，而不需 要受控體的數學模型，這是跟傳統控制最大的不同點，但仍具有傳統控制之強健 控制特性，尤其適用於非線性時變、時延系統的控制。由於不需要了解受控體的 數學模型，利用專家等的經驗即可建構出模糊法則，藉此估測PIO，因此模糊邏輯 的方法適用於虛擬實境動態模擬系統中，並可廣泛應用到各種不同的飛機。

圖 3-3-1 安全飛行的示意圖

3.3.1 PIO

PIO【3-7】是一種 APC (Aircraft-Pilot Coupling)現象，各種類型的飛機都有可 能發生。當駕駛員遭遇了機身的一些不穩定狀況，因為本身的反應不夠快或經驗 不足，而無法提供適當且精確的補償控制時，或在錯誤的時間裡提供了錯誤方向 的補償控制，致使不穩定的振盪無法被有效地消除，甚至會發散成為更大幅度的 振盪。通常PIO 的發生到發散成為極大振盪只需要極短的時間，因此 PIO 大多屬 於無法復原的不穩定現象。

PIO 在之前以機械鏈結系統 (Mechanical Linkage System) 為主的飛行系統 中，就已經時有所聞。而在提升氣動特性、降低飛機的操縱面積和重量的前提下，

取而代之的線傳飛控系統 (Fly-By-Wire) 中，PIO 的案例越來越多，逐漸受到人們 的重視。

圖 3-3-2 為一常見的飛行控制系統架構圖，駕駛員藉由搖桿或踏板等輸入命 令，經由控制法則的計算後傳達命令至致動器，致動器再帶動整台飛機的動作，

感應器的迴授訊號則為控制法則提供了一個補償的機制。其中速率限制器一開始 是被設計用來防止駕駛員有過大的輸入以及致動器有超載的現象發生，但卻有可 能 因 為 駕 駛 員 的 不 當 操 作 ， 造 成 嚴 重 的 時 間 或 相 位 的 延 遲 ， 因 而 導 致 PIO (Pilot-Induced Oscillation，駕駛員誘發振盪)現象的發生。

圖 3-3-2 飛行控制系統架構圖

3.3.2 近期發生的 PIO 事件

最早受到注意而引起廣泛討論及研究的PIO 事件是發生於 1961 年 5 月 18 日，

由美國海軍駕駛員於新墨西哥州的Albuquerque，以低海拔的高度駕駛 F-4H 雙引 擎戰鬥機所發生的。該駕駛員原本想要打破最高飛行速度的紀錄，而當他在海拔 200 英呎的高度以趨近於 1.1 馬赫的速度飛行時，發生了劇烈的 PIO 現象，在短短 2 秒鐘之內飛機產生了 3 個振盪並承受了-4g 到+14g 的重力。結果導致了飛機機身 的解體與駕駛員的不幸喪生。雖然此次事件已經被這底調查，但是並沒有合理解 釋 PIO 的理由，最後歸納原因可能是由於飛機失去了俯仰 (pitch) 方向的阻尼，

或是配平 (trim) 系統故障所導致。

SAAB 公司所生產的 JAS 39 Gripen 所使用的是線傳飛控的控制系統，在 1988 年12 月以來的五次成功的飛行測試之後，在第六次飛行測試中也發生了 PIO 的現 象。由於駕駛員之前沒有駕駛過該新機型，因此在遇到亂流時，駕駛員作了過猛 的週期控制，嘗試去控制飛機的航線傾角，超過了油液壓操縱面致動器的速率限 制，伴隨而來的是振幅極大的 PIO 現象，使得飛機墜毀。官方的解釋是控制系統 因為高精確度的輸入被驅動至非線性的速率限制。

PIO 亦常常與採用新設計和新技術有關，如美國的一架 YF-22 試驗機，在 1992 年 4 月 25 日愛德華空軍基地低空飛過跑道時墜毀。飛機從 12 公尺的高度開始，

產生四、五次振盪後撞在跑道上。分析表示，當時飛機並沒有發生故障，事故是 由於一些意料不到的事件引起的，主要原因是駕駛員在低空時沒有將推力控制切 斷，駕駛桿很小的移動產生了意想不到的很大的輸出響應，進而造成PIO 事故。

其他如 X-15、YF-16、F-18、A-320、MD-11、V-22、B-2 等飛機都曾經在飛 行或著陸時發生過 PIO 的事故，有的甚至造成飛機的墜毀與人員的傷亡。而 PIO 現象通常還是以戰鬥機較為常見，因其較常有激烈的操作，客機較為稀少。

3.3.3 PIO 發生可能原因

現代飛機的架構與控制系統日新月異，對駕駛原來說確實是一大挑戰。前面 所描述的那些飛機在遭遇PIO 之前都曾讓許多不同的人駕駛過，然而沒遭遇過 PIO 的卻不一定比那些遭遇過PIO 者有較熟練的飛行技術，這讓人聯想到 PIO 的發生 必定還有其他原因。但是儘管達到之前發生 PIO 過的某種飛行狀態，PIO 也不一 定會發生。因此，PIO 的發生必定是由很多種因素同時達成才會發生。

一般來說，引發 PIO 的原因可以通稱為觸發事件 (trigger)。這些觸發事件包 括了駕駛員快速地改變飛行控制策略，因改變飛行狀況或完成精確度較高的任務 而造成控制增益的改變等，觸發事件可分為下列幾種

(1) 駕駛員的操縱過猛，加上系統的增益太高，或過於靈敏的搖桿，容易導致 操縱面偏轉和偏轉速率達到極限，達到速率限制 (Rate Limit)，這種飽和 現象會引起過度的相位遲滯或時間延遲，因而造成飛機不穩定。

(2) 在線傳飛控系統中，駕駛員的操縱並不直接與操縱面相連，而是將控制指 令以電子信號送到操縱致動器，使駕駛員感受不到運動的速率和操縱面已 達到最大偏轉的狀態，這有可能造成飛行員所希望的響應與實際響應不一 致，進而產生PIO 現象。

(3) 操縱模式間的轉換有時也會引發 PIO 事故。線傳飛控系統如果設計得好，

飛行操縱系統各模式間的轉換應是平穩的，而且不干擾駕駛員對飛機的操 縱，但實際情況並非完全如此，模式間的轉換有時也會引發PIO 現象。

(4) PIO 通常在駕駛員執行精確度要求很高的任務時發生，如著陸、起飛或空 中補給燃料等，這時他要集中精神精確控制飛機的航行。事故往往在使要 求很高的任務中斷、或需要更高精度時突然發生，普遍的原因是飛行操縱 系統增益校準得不好。如圖3-3-3 所示，觸發事件與駕駛員和制策略間透 過複雜的互動，才有可能產生PIO 的現象。

圖 3-3-3 PIO 形成原因間的互動

也有人指出PIO (或 APC) 這種人與飛機間不穩定的耦合現象的現象並不是駕 駛員的過錯，而是在飛行控制性統的設計上有瑕疵，所以有人把 PIO 改名成為 Pilot-Involved Oscillation，或以 APC 來概括 PIO 的現象 (因為有些 APC 並不會

產生振盪)，詳細的 APC 和 PIO 分類圖 3-3-4 所示。

圖 3-3-4 APC 與 PIO 的分類