（电力电子与电力传动专业论文）双通道飞机刹车系统控制方法研究.pdf

西i l t 业大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a i r c r a f ta n t i s k i db r a k i n gs y s t e mi sar e l a t i v e l ys e p a r a t es u b s y s t e mi na i r c r a f t ， w h i c hp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt a k i n go f f , l a n d i n ga n ds k i d d i n g ，a n dt h ed e s i g n o f c o n t r o ll a wi sr e g a r d e da st h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u ei nt h ew h o l es y s t e m f o rt h es h o r t a g et h a ts y s t e mm o d e la n dc o n t r o la r eb o t hb a s e do ns i n g l ee h a m a e l ， t h eb i l a t e r a lw h e e l sm o d e l sa l es e p a r a t e l ye s t a b l i s h e da n dt h ed o u b l ec h a n n e l ss y s t e m c o n t r o ll a wi sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r t h ef u z z yc o n t r o la n db pn e u r a ln e t w o r ka l e u s e dt od e s i g nc o n t r o ll a wi nt h i sp a p e r , a n db i l a t e r a lw h e e l si sc o o r d i n a t e dt oc o n t r o l b yb a l a n c ea l g o r i t h mo f d o u b l ec h a n n e l s t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h er e f e r e n c ev e l o c i t ya n dw h e e lv e l o c i t ya n di t s d i f f e r e n t i a la r cu s e da si n p u tv a r i a b l e s a n t i s k i d d i n gc u r r e n ti su s e da s o u t p u t v a r i a b l e a n dc o n t r o lr u l e sa r es u m m a r i z e da c c o r d i n gt ot h e e x p e r i e n c eo f p r o f e s s i o n a l s t h e2 - d i m e n t i o nf u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dc o n s e q u e n t l y f o rt h e s h o r t a g et h a ta i 叫a n ei se a s yt o s k i da tl o ws p e e d ，b p 耻蛐= a ln e t w o r ki su s e dt o i m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e n l ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h er e f e r e n c ev e l o c i t ya n d w h e e lv e l o c i t ya n da n t i s k i d d i n gc u r r e n ta r eu s e d 雒i n p u t - o u t p u td a t u mi nb pn e u r a l n e t w o r k ，a n dt h em o s tg r e a te r r o ra n da v e r a g ee n o ra r ea p p l i e dt oe v a l u a t ec o n t r o l l e r t h ep e r f e c tc o n t r o l l e ru s e di ns y s t e mi sg i v e nb yt r a i n i n g t h ed o u b l ec h a n n e l sm o d e la n di m p r o v e dc o n t r o lu s e di nt h es y s t e ma r e s i m u l a t e di nt h em a t l a b 6 5 s i m u l i n k n er e s u l ts h o w s ：n em o d e lb a s e do nd o u b l e c h a n n e l sa c c o r d sw i t ht h ef a c t n l ec o n t r o ll a we n s u l 屯st h a ta i r p l a n eb i l a t e r a lw h e e l s v e l o c i t yi sc o n s i s t e n t , p r e v e n t ss i d e s l i pa n ds e v e r es l i p 。i m p r o v e ss y s t e mp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ： a i r p l a n eb r a k es y s t e m d o u b l ec h a n n e l s f u z z yc o n t r o l b pn e u t r a ln e t w o r k s i m u l a t i o n l i 西北工业大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 随着军用和民用航空工业的发展，飞机逐步朝着高速度、大吨位方向发展， 使得飞机着陆重量和接地速度大大增加，因此刹车系统在对这类飞机进行刹车制 动的过程中，就必须在短时间内吸收很大的飞机着陆动能。飞机防滑刹车系统是 飞机上相对独立的一个子系统，其主要作用是在飞机着陆、滑跑阶段使飞机速度 快速降低，达到缩短滑跑距离的目的，同时确保飞机在起飞、着陆及滑行过程中 进行有效的制动和控制。刹车系统性能直接影响到飞机豹快速反应、安全返航和 升空以及持续作战能力，进而影响飞机的整体性能。对于军用机，很多时候不能 选择起飞和着陆环境，这样就可能迫使飞机在机场有侧风或干、积水、积雪混合 跑道状态以及左右主轮跑道状态不对称等恶劣情况下起飞和着陆刹车；对于民用 机，刹车系统性能更是关系到乘客的安全及舒适度；这些都对系统性能提出了更 高的要求。 飞机防滑刹车系统的许多特点与一般的控制系统不同，它没有一个确定的 要求跟踪的输入信号，也就是说在整个系统的工作中没有准确的控制参变量输 入，而且系统的工作环境极不稳定，易受到各种外部因素和内部不稳定因素的影 响，例如飞机遇到不均匀上升气流，一侧升力大于另一侧升力而对飞机左右主轮 载荷产生影响、起落架的振动、机场侧风、跑道的境况以及刹车系统本身产生的 制动力矩等因素都可以使刹车系统的工作性能恶化，以致不能正常工作，造成轮 胎抱死刹爆或者飞机偏离跑道、甚至发生机毁人亡等恶性事故。 目前，国内防滑刹车常用的控制方法就是p d + p b m ( 偏压调节) 控制律，采用 该控制律可以保证在每次打滑解除后系统有足够的时间使刹车压力维持在较低 水平，防止二次打滑产生。但是，由于飞机防滑刹车系统是一个复杂的非线性系 统，无法建立起精确数学模型，系统结构参数具有时变性和不确定性，而且在刹 车过程中存在着随机干扰，所以p d + p b m 控制律难以达到理想的刹车效果。 要使刹车系统性能进一步的提高，必须对原有控制律加以改进，引入新的控 制方式，以达到理想效果。本文将模糊控制和神经网络引入刹车系统控制律的设 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 计中。神经网络具有并行处理、分布存储信息、自学习性、容错性、高度非线性 特性、强鲁棒性、联想记忆功能和泛化功能等优点；模糊控制以技术人员的经验 为基本准则，不需要系统精确的数学模型就可以建立模糊控制器；这两种智能控 制方法能有效解决刹车系统中存在的不足，并且具有广阔的发展前景和研究意 义。 1 2 课题研究的目的和意义 随着军用和民用航空工业的发展，飞机在现代生活和建设中发挥着越来越重 要的作用。刹车系统作为飞机上一个独立的子系统，在飞机的着陆、滑跑阶段起 着重要作用。众所周知，着陆阶段是飞机飞行过程中最复杂、最危险豹飞行阶段， 虽然该阶段历时很短。但其事故发生率却占到了整个飞行过程中事故发生率的一 半，此阶段常常被称为“飞行中最危险的三分钟”，因此刹车系统的性能受到了 严峻的考验。但是由于防滑刹车系统具有复杂性、时变性和高度的非线性等特点， 而且在刹车过程中存在羞随机干扰，结构参数也具有时变性和不确定性。这些特 点在飞机低速段表现的尤为突出。因此在设计控制律时存在以下三个困难：( 1 ) 建立系统数学模型时，对系统的某些高阶 f 线性环节进行了线性化，以至于系统 模型不够精确；( 2 ) 防滑系统要实时地辨识和跟踪系统中存在的非线性；( 3 ) 强 的干扰和环境变化对刹车系统的影响，要求系统要有很强的鲁棒性。 当外界不确定因素很多，外加系统非线性特性严重，但是实际中又需要较高 的控制效果时，建立性能良好的非线性模型就显得至关重要了。传统的p d + p b m 控制律很难做到这一点，因此难以适应复杂的任务要求，但是神经网络和模糊控 制的特性不需要建立系统的精确数学模型，它们恰好可以解决这一问题。同时， 在传统p d + p b m 控制律中，仍是大量依赖于以前的公式在进行反复的调试，采 取的是一种保守方法，这样就大大限制了设计思路，影响了系统性能进一步提高 的速度。应用新的智能控制方法( 例如神经网络和模糊控制) 可以打破以前的保 守控制方法，实现控制律的优化。 1 3 国内外发展状况 从2 0 世纪4 0 年代至今，飞机刹车系统已发展到第四代。第一代飞机刹车系 罄 鹾北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 统由离合开关调节压力来实现刹车控制。当时最著名的是美国的h y d r o - - a i r e 的 m a r k i 型，它使用继电式开关控制，通过控制机轮减速度来调节液压刹车装置 与回油路的接通状况，m a r k i 型系统无法仔细区分跑道表面的状况及机轮的打 滑程度，也不能在跑道表面大范围变化的情况下获得好的刹车性能。因此，该系 统的刹车效率较低。第二代用固定参考减速度为误差门限来进行控制，比较有代 表的是由m a r k i 发展而来的m a r k i i 型飞机，m a r k i i 将控制律由“开关式” 改为“调节式”，有效的提高了飞机的刹车效率，m a r k i 型首次为刹车系统增 加接地保护、机轮防抱死、机轮防加速旋状、前轮刹车和前轮防滑等辅助功能； m a r k i i 型在干跑道上有良好的性能。第三代以一定的滑移率为误差门限来进行 控制，以当时美国的h y d r o - - a i m 的m a r k i i i 型为代表，m a r k i i i 不仅使飞机 对跑道表面具有较强适应性，而且使刹车更平稳。随着微电子技术的飞速发展， 出现了单片微控制器，第四代系统用指令传感器代替液压阀，采用微处理器，将 控制算法通过编程来实现。近年来，国外已着手运用最新智能控制方法一一模糊 控制和神经网络控制研究新一代的防滑刹车系统，并成功的应用d c 一9 的参数进 行了仿真。 随着国外飞机的发展，我国也相继研制出了多种带防滑控制的飞机刹车系 统，并在研究改进其存在的问题( 如：过分胎损，低速时打滑加深，干、积水、 积雪跑道情况下方向可控性及刹车效率下降等) 。我国歼七系列等现役飞机采用 的是五十年代来期以惯性传感器为检测元件的机攘_ _ 气压防滑刹车系统。国内有 关生产厂家和研究所从六十年代末期开始相继研制出四种模拟式电子防滑刹车 系统，其中仿美m h r k i 的速率系统，已运用于运十飞机上，经过领先机长期的飞 行考验，各项指标均达到设计要求，能够满足飞行需要。运十飞机在国产飞机中 首开电子防滑自动刹车之先河。从七十年代开始，我国第二代现役飞机已装备了 模拟式电子防滑液压刹车系统。在运十飞机电子防滑刹车系统研制的基础上，参 照英国o s c a r 系统，1 9 8 1 年又研制了模拟式速度差电子防滑系统，：1 9 8 2 年正式 被f b c - 1 飞机选用，并在运七飞机上进行了长时期使用和飞行考验。 目前我国也已经开始了数字式电子防滑刹车系统的研究，并且也取得了定 的进展。我国的防滑刹车系统也经历了机械防滑到模拟式电子防滑，正在向数字 式电传液压防滑刹车发展。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 我国自行研制生产的飞机上普遍采用的防滑刹车系统的控制方式是速度差 加偏压控制。速度差是指基准速度与机轮速度的差，并以此为控制信号；偏压控 制是指该系统能根据不同的跑道状态和打滑状态产生一个相对稳定的输出分量， 从而把刹车压力调节到一个接近能产生打滑信号的压力值，以提高系统的刹车效 率。这种控制方式最大的优点就是对跑道的适应性强，而且安全可靠，因此得到 了广泛的应用。本文讨论的刹车系统就是采用这种控制思想。目前国内装机常用 的防滑刹车系统的控制律是多门限的p i d 控制，采用该控制方法的不足是这样 设计的系统通常存在低速打滑现象。 1 4 本课题研究的主要内容及关键技术 1 4 1 本文的主要研究内容 ( 1 ) 对双通道防滑刹车系统的组成及工作原理进行仔细的分析研究。 ( 2 ) 以某型飞机为例，在飞机左右主轮载榜不平衡情况下，对双通道防滑刹 车系统的某些部分进行仔细分析，并建立其数学模型，将备部分有机结合起来， 构成双通道刹车系统的完整数学模型。 ( 3 ) 运用智能控制理论思想，结合所建的双通道系统模型，设计系统控制律。 模糊控制是借助人的实践经验建立模糊控制器、神经两络主要是用输入输出数据 建立网络结构，能避免建立系统精确数学模型为理论基础。采用模糊控制和神经 网络设计系统控制律。 ( 4 ) 将所建立模糊控制方法应用于系统仿真，仿真结果表明飞机易出现低速 打滑现象，故采用神经网络来改进飞机低速段控制律，以避免该缺点。b p 神经 网络以平均误差和最大误差作为评价标准，在积水跑道下，利用神经网路工具箱 设计三层b p 神经网络，并在m a t l a b 6 5 n n t o o l 中离线仿真。 ( 5 ) 根据所建立的双通道数学模型和改进后的控制律，对刹车系统进行仿真。 1 4 2 本论文关键技术 飞机在滑跑过程中可能受到很多因素而使左右主轮载荷发生变化，本文主 要考虑了主轮垂直方向载荷所受到的影响。如果左右主轮垂直方向载荷不平衡， 蓉 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 那么所受结合力也会不平衡。如果此时对系统采用单通道控制，则液压系统输出 相等的刹车压力，这就会使左右主轮运动状态不一致，即左右主轮速度不等。这 会引起飞机发生侧滑，从而会减小方向的稳定性、方向舵的有效性，进而降低飞 机的安全性。故本文采用双通道控制方法对刹车系统进行控制，使用该控制方法 的关键是要使左右主轮速度尽量保持一致，防止飞机侧滑，避免发生事故。 西北工业大学硕士学位论文 第二：章双通道刹车系统结构组成和工作原理 第二章双通道刹车系统结构组成及工作原理 2 1 双通道系统结构组成 双通道防滑刹车系统主要包括防滑控制盒、机轮速度传感器、液压伺服阀 和刹车装置等部件。其结构框图如下( 虚线框内为防滑控制系统) ： 图2 - - 1 双通道刹车系统结构组成 2 1 1 机轮速度传感器 机轮速度传感器能产生频率与机轮速度成正比的近似正弦信号，并以此代 表机轮速度传给防滑控制盒。 2 1 2 防滑控制盒 防滑控制盒是整个刹车系统的核心部件，它接受机轮速度传感器送来的变频 信号，以此为依据产生相应的防滑控制电信号，操纵伺服阀去调节刹车压力。定 5 西北工业太学硕_ 上学位论文第二章双通道刹车系统结构组成和工作原理 性的说，就是当机轮速度下降过快时，认为已经出现了打滑，这时就输出一个大 的电流，传递给作动机构，解除刹车压力；机轮打滑越严重，打滑时闻越长，电 流越大。 2 。1 ，3 电液伺服阀 电液伺服阀采用电液压力伺服阀，它是防滑刹车系统的执行部件。该压力 阀接受从刹车阀来的刹车压力，并由防滑控制盒输出的电流对本级的输出进行调 节。在没有控制电流的情况下，它相当于一个通道，不起什么作用，直接输出最 大刹车压力；当由防滑电流输入时，伺服阀输出与控制电流呈反比的刹车压力。 2 1 4 刹车阀 刹车阀又称刹车减压惘，有气压和液压两种形式，一般采用液压刹车阀。 液压刹车阀有三个管嘴，包括进油口、回油口和刹车口。进油口接飞机主液压系 统的油源压力，回油1 3 接回油管路，刹车口输出刹车压力。刹车阀的主要构件有 阀芯、阀套、壳体和弹簧四个部分。刹车阀受驾驶员的直接控制，驾驶员脚踩刹 车时能将飞机主液压系统提供给刹车系统的油源压力降低一定值，然后输出一个 稳定的最大刹车压力，从而限制了输送给刹车装置的最大刹车压力，也就限制了 最大刹车力矩。刹车减压阀的工作原理是这样的：在驾驶员没有刹车动作时，刹 车阀输出的刹车压力为零，若驾驶员脚踩刹车时，操纵力压缩弹簧，推动阀芯下 移，首先切断刹车1 3 和回油1 3 ，然后阀芯进一步下移，使刹车口又和迸油口接通 而与回油口断开，刹车压力开始上升，由于在阀芯的下端面上的反作用力大于驾 驶员脚踩的操级力时，会推动阀芯上移，以至于使瓤车口和回油口连通，使剃车 压力降低，这样使刹车阀输出的刹车压力与操纵力成正比关系。由此可见最大刹 车压力由驾驶员来控制，它与驾驶员的脚蹬力成正比，减压弹簧能起到使刹车压 力与脚蹬行程成正比关系的作用，并与驾驶员对刹车压力产生一定的位移感，使 驾驶员对操纵的掌握更加灵活方便。对防滑刹车系统来说，着陆时允许驾驶员将 刹车阀一脚踩到底，输出最大的刹车压力，而由防滑控制盒来调节最终输送给刹 车装置的刹车压力。 西北工业大学硕士学位论文 第二章双通道刹车系统结构组成和工作琢理 2 1 5 刹车装置 刹车装置位于机轮轮毂腔内，飞机着陆时其动盘由轮毂带动而随机轮一起 转动，其静盘通过刹车壳体与轮轴相连，不随机轮转动，多片动盘与静盘相互交 错装配以增大摩擦面，当刹车压力输送至刹车装置的气缸座时，气缸座活塞移动， 传力至承压盘，由承压盘将力均匀地作用到动静盘上，使动盘和静盘相互挤压， 由于动盘和静盘之间存在相对运动，因此可以产生很大的摩擦力矩也即刹车力 矩，使机轮制动。由此可见，刹车装置的主要功能就是把输送来的刹车压力转换 成刹车力矩。动盘和静盘上装有特制的摩擦材料，以最大限度的增大摩擦系数。 2 2 双通道系统工作原理 飞机刹车系统在很多情况下都得使用，包括停机刹车、起飞线停机刹车、空 中刹车、牵引刹车、中止起飞刹车和着陆刹车。 着陆刹车是刹车系统最主要的功能，本文所研究的就是飞机的着陆刹车。 双通道刹车系统中两个通道工作原理是一致的，只对其中一个通道工作原 理进行分析。 着陆过程中飞机制动能力( 从而决定跑道长度) 主要是依靠受刹机轮轮胎 与跑道问的结合力矩。结合力越大，飞机刹车减速就越快，刹车距离就越短，在 飞机重量一定的情况下，影响结合力大小的因素是结合系数，它受诸多因素的影 响，并且存在着极其复杂的非线性关系。 飞机着陆后，驾驶员脚踩刹车，通过连接管路给刹车装置施加一定的刹车 压力，使机轮由于受到刹车装置产生的刹车力矩而减速。这就造成轮胎与地面之 间的相对滑动，由此而产生的结合力给飞机一个向后的拉力即制动力，结合力与 机轮滚动半径的乘积就构成结合力矩，机轮的转动实际上就是由结合力矩和刹车 装置产生的刹车力矩来共同控制的。当结合力矩大于刹车力矩时，机轮加速，机 轮的相对滑移率逐渐减小；当结合力矩小于刹车力矩时，机轮处于减速状态，机 轮的相对滑移率逐渐增大；当结合力矩等于刹车力矩对，机轮恒速转动，在一个 较短的时间内可以认为机轮的相对滑移率基本维持恒定。当滑移率较小时，刹车 压力比较小，也就是刹车压力还比较轻，机轮的滑移率还较浅，这时地面所提供 毽 西北工业大学硕士学位论文 第二章双通道刹车系统结构组成和工作原理 给机轮的结合系数也较小，所以产生的结合力也不是很大，随着刹车压力的增大， 滑移率增大，结合系数也逐渐增大，地面提供给飞机的结合力也随着增大，刹车 效率逐步提高，当刹车压力增加到使机轮产生的滑移率达到峰值处最大结合系数 对应的最佳滑移率时，系统的刹车效率也就上升到1 0 0 。如果继续提高刹车压 力，是滑移率超过结合系数峰值对应的最佳滑移率后，结合系数会迅速衰减，这 样易使机轮滑移率达到1 ，使飞机出现严重打滑现象。 驾驶员刹车越重，阻止机轮滚动的力矩越大，因而机轮受到的结合力也越 大。驾驶员可以通过加大刹车压力的方法有效的缩短飞机的着陆距离。飞机的着 陆动能主要是通过刹车装置转换为热能而逐渐消散掉的。如果刹车压力增加的过 大，而结合力矩的增加又是有限度的。这样可能会使机轮的滑跑过大而出现“拖 胎”现象。在飞机着陆滑跑过程中，如果因刹车压力加的太猛而产生“拖胎”， 不仅不能有效地缩短滑跑距离，而且会使轮胎过度磨损。所以，在飞机着陆滑跑 过程中，正确的刹车方法是：随着飞机滑跑速度的降低而逐渐增大刹车压力。如 果跑道为积水跑道或者积雪跑道，跑道就比较光滑，这种情况下刹车，就应改为 更缓慢的增加刹车压力。 西北f ：业大学硕士学位论文 第三章双通道刹车系统数学模型的建立 第三章双通道刹车系统数学模型的建立 双通道刹车系统即是将左右主轮分开，在控制盒中采用两个通道左右主轮 控制。控制系统的性能与控制变量的选择、所采用的控制规律及刹车执行元件的 响应时间等有很大的关系。为保证飞机安全，在装机试飞前采用地面模拟设备对 防滑系统进行实验来验证系统性能是必要的；而在此之前采用数字仿真手段进行 验证是既省时省钱又安全有效的措施。 在对双通道刹车系统进行数字仿真之前，必须事先对系统各部分进行精确 分析，然后建立各部分模型，最后得到飞机整体模型，以对双通道飞机防滑刹车 系统进行仿真。飞机防滑刹车系统模型包括：飞机机体动力学模型，轮胎模型， 结合系数模型“，起落架模型c ” ，液压伺服系统模型” 、刹车装置模型”】 及控制盒模型。 3 1 左右主轮载荷不平衡下机体的数学模型 在建立飞机机体动力学模型之前，先对飞机作如下假设：第一，将飞机视为 理想刚体，不考虑弹性形变，机体简化为一集中质量；第二，由于飞机在地面着 陆过程中，发动机呈慢车推力状态，所以不考虑发动机转子产生的陀螺力矩；第 三，假设飞机地面着陆滑跑时飞机没有偏航，这时飞机可简化为三自由度的运动 体，即纵向、垂直方向的加速运动以及围绕重心发生的俯仰运动；第四，轮胎只 考虑垂宣变形。 l o 西：i l x ：业大学硕士学位论文第三章双通道刹车系统数学模型的建立 弓盟 图3 1 左右主轮载衙不对称时的机体受力模型 飞机地面着陆滑跑时的受力状况如图3 1 所示。飞机在着陆滑跑过程中受到 许多外来因素的干扰，致使飞机的运动状态发生变化，然后通过起落架系统对机 轮刹车及防滑性能施加影响。具体受力分析如下：纵向受力，发动机剩余推力， 阻力伞的阻力，空气阻力，左右主轮、前轮地砸结合力：垂直方向受力，飞机重 力g ，空气升力，主轮地面支撑力，前轮地面支撑力，一侧主轮所受扰动。根据 牛顿第二运动定律及转动定律对机体进行分析，可得到如下受力方程： 写一日一层一乃。一弓：一弓。= m + 掌( 1 ) g 一日- f u - f - 巧：_ 耻吖” ( 2 ) ( 3 - 1 ) 互6 c o s 6 + 最( 槐+ 吩) 一( 曩l + 巧2 + ，) 口c o s o 一磊。埕 一( 毋。+ 乃，2 ) + 爿r - f ：l + 日= ，+ 疹( 3 ) 式中：j l = a l l + ( 互。+ f )毋1 2 = “2 e 2。= 2 + 墨 t o = t o + k ，+ v f s ：! ；= j 4 c 日ss + y 2 目= 昙+ j q s 矿2 b ：三，+ c y + s 矿： e ，、巧：、曩均为起落架减震支柱作用在机体上的力，其计算公式为 l h 西北工业大学硕十学位论文第三章双通道刹车系统数学模型的建立 ，；k + 万+ c 4 占2 ( 3 - 2 ) k 、c 分别为起落架架减震支柱的阻尼系数和刚度系数 f 左侧主轮所收外界扰动 最彦分别减震支柱的压缩量及压缩量变化率 “、。2 主轮1 和主轮2 与地面结合系数 u ：前轮与地面结合系数 矿飞机纵向滑跑速度 瓦发动机的剩余推力 鼠发动机的推力速度系数 j 空气密度 c 。飞机滑跑时的阻力系数 c k 阻力伞的阻力系数 s 机翼面积 s 阻力伞计算面积 c ，飞机滑跑时的升力系数 方程组( 3 1 ) 中，( 1 ) 是飞机机体在航向综合受力的牛顿运动定律表达式， 飞机的迎风阻力、阻力伞拉力、主轮前轮地面结合力共同构成了飞机纵向运动的 总制动力。( 2 ) 是机体在垂直方向综合受力的牛顿运动定律表达式。( 3 ) 是飞机机 体围绕重心发生俯仰运动的综合力矩表达式。方程中： m 飞机质量 x 飞机纵向滑跑距离 赏飞机纵向滑跑加速度 g 飞机重量 y 重心高度变化量 r 飞机竖直方向加速度 西北 二业大学硕士学位论文第三章烈通道刹车系统数学模型的建立 口飞机俯仰角 孛飞机俯仰角加速度 ，机体转动惯量 l f | 发动机推力线距飞机水平轴下移距离 红阻力伞悬挂点距飞机水平轴上移距离 日飞机重心距地面的高度 3 3 结合力矩模型 结合力矩由轮胎载荷和机轮与地面的结合系数的乘积构成。故结合力矩模型 包括结合系数模型 63 和轮胎载荷模型。轮胎载荷也受一些因素的影响，例如说 飞机制动时的制动力、由于机场侧风或者不均匀上升气流而使飞机发生倾斜以至 于左右主轮载荷不平衡、滑跑过程中跑道表面不平而引起飞机振动以及作用在飞 机重心上所产生的惯性力均会使轮胎载荷发生变化。结合系数受很多因素的影 响，比如：飞枫速度，滑移率，垂直载荷，轮胎侧倾角，滑移角，轮胎的新旧程 度，轮胎的花纹形式，跑道表面状况等。在诸多影响因素中，以飞机速度和滑移 率影响为最大。在刹车过程中，当结合力矩大子刹车力矩时，机轮转动加速，机 轮的相对滑移率逐渐减小；但结合力矩小于刹车力矩时，机轮处于减速状态，机 轮的相对滑移率逐渐增大。当结合力矩等于刹车力矩时，机轮恒速转动，在一个 较短的时间内可认为机轮的相对滑移率基本维持恒定不变。 3 3 1 左右主轮载荷模型 轮胎载荷按使用状态分主要有停机载荷、着陆与滑跑撞击载荷、刹车与滑 行载荷。停机载荷是起落架支持飞机停放所受的地面反作用力。着陆撞击载荷是 飞机着陆接地点起落架受到的地面撞击力，包括垂宣载荷与侧向撞击载荷。飞机 前俯着地时起落架受垂直撞击载荷增大。滑跑冲击载荷是飞机滑跑时受到的迎面 撞击力，主要与地面不平及障碍有关。刹车载荷是飞机滑跑时起落架受到的地面 载荷，主要与飞机机身状态和跑道状况有关。 西北工业大学硕士学位论文 第三章双通道刹车系统数学模型的建立 起落架在飞机的地面运动过程中所受的载荷按其方向分为垂直载荷、水平 载荷和侧向载荷。由于时间和能力关系，本文没有考虑水平载荷和侧向载荷，只 考虑了垂直载荷( 本文后面章节所说载荷均指垂直载荷) 。起落架垂直载荷主要 由缓冲器承受，该载荷与飞机竖直方向速度和飞机重心变化量有关。飞机在滑跑 过程中可能受到很多因素使左右主轮载荷发生变化进而不平衡，本文只考虑飞机 受地面干扰( 例如一侧跑道不平) 时轮胎的载荷变化情况，而跑道不平可能就直 接使飞机发生倾斜。飞机倾斜过程中外侧轮胎的载荷增加，而内侧轮胎的载荷减 少，即发生了载荷移动。这种载荷移动使外侧轮胎在行驶过程中受到结合力矩增 大，而内侧轮胎结合力矩减少。该载荷移动的等效作用就是轮胎左右主轮载荷不 对称( 即左右轮胎状态不对称) 。下图为飞机倾斜过程载荷变化示意图： 图3 2 轮胎载荷变化 载荷变化可能使左右主轮运动情况不一致，导致飞机滑行轨迹为s 形或偏 航。故建模时在飞机左侧主轮引入一个微小扰动( 建模时使用随机函数模块来模 拟) ，设计控制律时使用双通道将左右主轮分开控制。左右主轮所受载荷模型如 下图所示： 图3 3 左侧主轮所受载荷模型( 虚线框内为所加扰动) 秘 西北工业大学硕士学位论文第三章双通道刹车系统数学模型的建立 3 3 2 轮胎模型 图3 4 右侧主轮所受载荷模型 飞机在滑跑过程中，由于受到结合力矩和刹车力矩的作用，机轮会产生角加 速度；而且支柱也是与机轮连接，在滑跑过程产生走步现象，也会对机轮角加速 度产生影响，故在考虑机轮速度时应综合考虑这两方面的因素。根据牛顿定律， 机轮角加速度为： 1 i ，：丝尝+ 堇( 3 - 3 ) i ， r 枣 式中：m 。为刹车力矩，为沿机体纵向的轮轴速度， 左侧主轮摩擦力矩为：m z ，= 蹦。+ ( e 。+ ，) + r 宴， 右侧主轮摩擦力矩：m z ：= m 24 只2 + r 实， r 实为轮胎此时实际半径。 轮胎此时实际半径即轮胎滚动半径。通常轮胎有接地和不接她两种状态， 可根据轮胎的径向压缩量来判断轮胎是否与地面接触，其表达式为： 最= r c o s 7 一d ，式中，d 为地平面到机轮轴心的铅垂距离，r 为机轮半径，y 为 滚转角。当4 0 时，轮胎接地；点0 时，轮胎未接地。轮胎在飞机着陆过程中 形成一个空气垫，以帮助吸收撞击能量或摩擦产生的热能，而且在地面支持飞机 西北工业大学硕士学位论文第三章双通道刹车系统数学模型的建立 的重量，并产生必要的刹车结合力矩以便在飞机着陆时使飞机停住。轮胎必须能 承受高速且巨大的静载荷和动载荷。飞机着陆接地时，轮胎压缩变形吸收部分撞 击动能而减小撞击力。吸收的能量主要克服轮胎反抗压缩的作用力，包括气体作 用力与轮胎变形力。这两个量都与轮胎压缩量有关，压缩量又取决于着陆重量、 充气压力与轮胎的变形。轮胎接地时，其半径计算公式为： r 实- - - - r 一去。+ k ( 3 - 4 ) 式中：r 为机轮自由半径，k 。为轮胎压缩系数，n 。为轮胎受地面弹力。 根据角加速度公式，可得轮胎此时线速度为： v = w + 如 ( 3 5 ) 从角加速度公式可看出，当摩擦力矩大于刹车力矩时，机轮加速，但最 大不会大于飞机自由滚动时的速度；当摩擦力矩小于刹车力矩时，机轮减速，但 最小不会小于0 ，即机轮不会反转。另外，从公式还可看出，摩擦力矩对机轮的 转动是起主动作用的。当刹车装置对机轮制动时，轮胎上就有了纵向力的作用， 在轮胎与路面的接触点处将会产生纵向相对运动或相对运动趋势，从而使轮胎中 心的纵向速度与其圆周上的线速度产生差异，这种差异的大小可用滑移率来表 示。 西北工业大学硕士学位论文 第四章基于模糊控制的双通道刹车系统控制方法设计 第四章基于模糊控制的双通道刹车系统控制方法设计 4 1 单通道控制方法及其缺陷 由起落架系统结构旧可知，起落架通过机轮与地面接触，从而承受地面载 荷，该载荷即为机轮载荷。飞机滑跑时起落架受到的地面载荷，主要与机身状态、 天气情况和跑道状况有关。 目前关于刹车系统的建模与仿真都是建立在单通道模式的基础上的，所谓 单通道控制即是指刹车过程中飞机左右主轮载荷平衡，对左右主轮一起控制。如 下图所示为单通道控制框图： 图4 1 单通道控制框图 现有的单通道控制采用的都是传统的p d + p b m 控制方法。该方法是一种多门 限的p i d 设计方法，其中的积分级与常规的积分级不同，该积分级的值既可以增 加，又可以减小，称之为压力偏调级，所以简称p b m 级。采用这种控制方法对刹 车系统进行控制调节，其控制效果比最初使用p i d 调节的效果明显要好。另外 p b m 还具有对跑道的适应性强、安全可靠等优点。 由于飞机刹车系统内在机理复杂，而且存在着非常复杂的非线性特性和不确 定性。飞机在刹车过程中轮胎及跑道特性会受到各种时变因素或不确定因素的干 扰( 如飞机速度，干、积水、积雪等路面结构情况) 。在这些因素的影响下，轮 胎跑道特性曲线也将会发生变化。因此在设计其防滑控制律时要注意以下问 题：( 1 ) 建立系统数学模型时，对系统的某些高阶非线性环节进行了线性化，以 西北，r 业大学硕士学位论文第四章基于模糊控制的双通道刹车系统控制方法设计 至于系统模型不够精确；( 2 ) 强的干扰和环境变化要求刹车系统具有很强的鲁棒 性。 传统的p d + p b m 控制律由于受到以上限制，使刹车系统在飞机低速段鲁棒 性变差，易使飞机出现低速打滑现象。现有的单通道控制都是基于飞机左右主轮 载荷平衡的情况，而在实际刹车过程中，飞机受到侧风、遇到不均匀气流、两侧 跑道不对称等情况都会使飞机左右主轮载荷不平衡，因此现有的单通道控制与实 际情况不相符，需要加以改进。 4 2 双通道控制的引入和分析 飞机左右主轮载荷不平衡直接会导致左右主轮所受结合力矩不平衡，进而 使左右主轮运动状态不一致。此时左右主轮可能会对控制盒提出完全相反的要 求，一侧主轮由于速度较小，导致滑移率较大而要求解除刹车压力；另一侧主轮 由于速度较大，导致滑移率较小而要求提高刹车压力。因而，现有的单通道控制 不能满足要求，需要采用两个通道对左右主轮分开进行控制，即双通道控制。 下图所示为双通道控制框图： 左侧主轮速度 飞机机l 囹 翮垄堡薹壅垄i 体模型 厂一 r 叶平衡调节r 一- 一_ h 兰兰兰兰竺 一。_ | 右侧基准速剧 图4 2 双通道控制框图 在采用双通道控制过程中，还要注意保持使左右主轮速度差不能太大。如 果速度差过大。飞机极易出现侧滑甚至横滚现象，其运动轨迹将成为s 型，偏离 正常航线，这将严重威胁到飞机安全。因此在设计双通道控制方法时，在左右主 轮间加上了双通道平衡调节方法，以协调飞机左右主轮的防滑控制，使左右主轮 速度一致。 西北工业大学硕士学位论文第四章基于模糊控制的双通道刹车系统控制方法设计 4 2 1 双通道问平衡调节方法 由于主轮载荷直接影响飞机的结合力矩，而本文考虑了飞机左右主轮载荷 不平衡情况，这会使左右主轮结合力矩有很大差距，可能使左右主轮速度不一致， 从而使飞机产生偏离航向的侧转运动，因此需要在两个通道之间加上平衡调节方 法。该方法的思想为：对打滑严重的主轮，它的参考速度往往成为主轮的最小者， 当该参考速度小于另一主轮的参考速度达到8 5 时，强制使其参考速度等于另 一主轮参考速度，从而使该主轮的速度差增大，促成刹车压力的尽快解除，该主 轮速度上升，滑移率降低，结合力矩减小，也就能维持航向的稳定。但是，该方 法也降低了系统刹车效率。该级模型如下图所示： ，、左恻莲瞧瞳麓意俄蠛豫媳眨， r 二 o u t 、- - - ， 二卧精_柏潮羲 者觏蕾准速度。啦 h 1 ( 至) i i 瞳= 皇雠准涟麈 图4 - 3 双通道间平衡调节方法模型 该模型中用到了“m a t l a bf u n c t i o n ”模块。根据平衡调节方法设计思想， 在该模块内计算了左右主轮的基准速度。该模块实现代码如下： f u n c t i o ny - - j i s u a n ( u ) i f a b i f u ( 1 ) b i f u ( 2 f u ( 1 ) + 0 8 5 u ( 2 ) - - u o ) ； e n d e n d 煳 p i i 北工业大学硕士学位论文 第四章基于模糊控制的双通道刹车系统控制方法设计 y l = u ( 1 ) ； y 2 = l l ( 2 ) ； 4 2 2 双通道控制律的设计 双通道控制除了在两个通道间加上了平衡调节方法外，其两个通道控制原 理和思想是一致的，故只对其中一侧通道控制方法加以分析，并结合系统本身是 一个高阶非线性的复杂系统、强的干扰因素及环境变化要求系统具有很强鲁棒性 的特点考虑，本章采用模糊控制方法设计的系统控制律。 1 模糊控制基本思想 模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言 变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，用计算机来实现的一种智能控 制方法。它的主要思想是将人类所掌握的知识和经验融合到控制策略中，用于控 制没有数学模型或很难建立数学模型的复杂系统。 在模糊理论提出的年代，由于科学技术尤其是计算机技术发展的限制以及科 技界对“模糊“含义的误解，使得模糊理论没有得到应有的发展。1 9 7 4 年英国科 学家m a m d a n i 和a s s i l i a n 首次将模糊理论应用于热电厂的蒸汽机控制，揭开了模 糊理论在控制领域应用的新篇章。可以说，模糊理论最成功的应用领域是自动控 制领域。特别是n 8 0 年代末期，随着计算机技术的发展，日本科学家成功的将模 糊理论运用于工业控制和消费产品控制，在世界范围内掀起了模糊控制应用高 潮。各种模糊产品，如模糊洗衣机、模糊吸尘器和模糊摄像机等等，相继被开发 出来。各国都将模糊技术作为本国技术发展的关键技术之一，模糊控制技术己成 为自动控制技术领域的一个重要分支。 模糊控制方法模仿人的思维方式和人的控制经验，用电脑代替人脑来实施有 效的控制措施。传统的控制理论依赖于被控的数学模型，而模糊控制则是依赖于 被控系统的物理特性。物理特性的提取要靠人的直觉和经验，这些物理特性在人 脑中是用自然语言来抽象成一系列的概念和规则的，自然语言的重要特点是具有 模糊性的。人可以根据不精确信息来进行推理而得到有意义的结果。用于描述的 数学工具就是z a d e h 提出的模糊集合论，或者说模糊结合论在控制上的使用。用 该方法可以把人的经验形式化并引入控制过程，再运用比较严密的数学处理过 西北工业大学硕十学位论文第四章基于模糊控制的双通道刹车系统控制方法设计 程，实现模糊推理，进行判断决策，以达到令人满意的控制效果。在工程上，则 使用模糊逻辑语言分析方法，且这种语言可以转换为计算机能够接受的算法语 言。这种方法由三个特点：第一，他不是用数值变量而是用语言变量来描述系统； 第二，它是利用附带条件的命题来描述变量之间的关系；第三，它使用模糊运算 法则进行推理。 2 模糊控制原理 下图是由被控过程和模糊控制器构成的典型模糊控制系统原理方框图，主要 由输入、输出接口，模糊化，模糊推理( 由模糊控制规则和模糊决策组成) ，逆 模糊化组成。 图4 4 模糊控制器结构豳 模糊控制系统的核心是模糊控制器，模糊控制器靠软件编程来实现。实现模 糊控制的一般步骤如下：首先将误差信号e 的精确蠹模糊化使其变为模糊量，从 而得到了误差e 的模糊语言集合的一个子集e ，e 此时实际是一个模糊向量；然后 由e 和模糊控制援则r 根据推理的合成规则进行模糊浃策，就可以得到模糊控制向 量“= e or ；最后将得到的模糊量转化为精确量。 ( 1 ) 模糊量化处理 模糊化方法实际上是将精确量( 实际上是数字墨) 转化为模糊量的过程。 模糊控制器的输入必须经过模糊化接口才能用予模糊控制输出的求解，因此 模糊量化处理实际上是模糊控制器的输入接口。它的塞要作用是模糊化，即将模 糊控制器输入量的确定值转换为相应模糊语言变量值的过程，此相应语言变量值 由对应的隶属度来定义。应用过程中，一般采用如下两种方法来对数据模糊化： 1 ) 精确量离散化 如果精确量x 的实际变化范围为b b 】，将弑b 】区间的精确量转换 m i n , m a x 】 西北工业人学硕士学位论文第四章基于模糊控制的双通道刹车系统控制方法设计 区间变化的变量y ，采用如下公式 y = ( m a x - m i n ) x 一( a + b ) a ( b a ) ( 4 1 ) 如果由上式计算的y 值不是整数，可以把它归入最接近于y 的整数。 2 ) 将在某区间的精确量x 模糊化成这样的一个模糊子集，它在点x 处隶属 度为1 ，除并点外其余各点的隶属度均取0 。 ( 2 ) 模糊控制规则的设计 设计模糊控制器就是设计控制规则的形式和推理的方法，因而模糊控制规则 的设计是设计模糊控制器的关键。它是基于手动控制策略，而手动控制策略又是 人们长期经验的积累。手动控制过程一般是通过对被控对象的一些观测，操作者 根据已有的经验和技术知识，进行综合分析并作出控制决策，调整加到被控对象 的控制作用，从而使系统达到预期的目的。 控制规则的设计一般包括以下三个部分： 1 ) 选择描述输入输出变量的词集。一般要求词集中词汇少，并且利用这些 词汇又可以对各种自然现象进行精确的描述。模糊控制器的控制规则一般表示为 一组模糊条件语句。在条件语句中用子描述输入输啦变量状态的词汇( 一般取为 n b , n m , n s ，0 ，p s , p m , p b ) | 豹集合，称为这些变量豹谣集。也称变量的模糊状态。 2 ) 定义各模糊变鐾的模糊子集。j l 唾_ 模糊予集的理想要求是它必须客观的反 映实际情况。定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属度函数曲线形 式。将确定的隶属度曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，便构成了一个 相应的模糊变量的子集。 3 ) 建立模糊控制器的控制规则。模糊控制规则是以手动控制策略为基础的。 利用模糊集合理论将手动控制策略上升为具体的数值运算，根据推理运算的结果 做出相应的控制动作，使执行机构控制被控对象的运行。建立模糊控制规则，就 是利用语言来归纳手动控制过程中所使用的控制策路。常凳的模糊条件语句及其 对应的模糊关系有：( 1 ) 矿 a t h e nb ：r = 一b ；( 2 ) 矿 at h e nbe l s e c ：r =