（电力电子与电力传动专业论文）基于ihawk平台的飞机刹车半实物仿真系统设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a i r c r a f tb r a k i n gs y s t e mi sv e r yi m p o r t a n tf o r t h es a f e t ya n dt h eg e n e r a lc h a r a c t e r o ft h ea i r p l a n e i ti sh a r da n dc o s t l yi nd e s i g n i n gt h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r e s ot h e s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nd e s i g na n de x p e r i m e n to fa i r c r a f t b r a k i n gs y s t e m n eh a r d w a r e i n t h e l o o p ( h i l ) s i m u l a t i o ni s a ni d e a lr e s e a r c h m e a n sb e c a u s ei ti sc h e a p e ra n dm o r ee f f i c i e n tt h a nt h ep h y s i t ss i m u l a t i o na n dm o r e a u t h e n t i ct h a nm a t h e m a t i c ss i m u l a t i o n ，s oi tc a l lb ea ne f f e c t i v ee x p e r i m e n tp l a t f o r m t ot e s tt h ec o n t r o lw i t h r n e t i eo ft h ea i r p l a r eb r a k i n gs y s t e ma n de v a l u a t et h ea c t u a l c o n t r o l e f f e c ta n d g e n e r a lp e r f o r m a n c e 1 1 1 ed e m a n d so ft h es i m u l a t i o ns y s t e ma r ec o n f i r m e da n dt h eh i ls i m u l a t i o n s y s t e mb a s e do ni h a w kr e a l - t i m es i m u l a t i o nc o m p u t e ra n dr t - l a bp l a t f o r mh a s b e e nd e s i g n e dw i t i lt h em u l t i a n a l y s i so ft h eo p e r a t i o nt h e o r yo fa n t i s k i d b r a k i n g s y s t e m n eg e n e r a ls t r u c t u r eo ft h eh i ls i m u l a t i o ns y s t e m t h es e l e c t i n go fr e a l - t i m e s i m u l a t i o n c o m p u t e r , t h ei n t e r f a c e o fm o d e ls y s t e mb e t w e e nr e a l o b j e c t ，t h e r e a l i z a t i o no ft h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo ft h es y s t e mh a sa l s ob e e nd i s c u s s e di nt h e p a p e r n l eh i ls i m u l a t i o ns y s t e mo fa i r e r a rb r a k em a i n l yc o n s i s t so fs ms u b s y s t e m a n ds s s u b s y s t e m n l es m _ s u b s y s t e mi n c l u d e st h em o d e lo ft h ea i r p l a n ed y n a m i c s m o d e l ，t h el a n d i n gg e a r sm o d e l ，t h et i r em o d e l ，t h er u n w a ym o d e l ，t h eb r a k e e q u i p m e n tm o d e le t c ，a n dt h es s _ s u b s y s t e mi sm a d eu po ft h ec o n t r o l l e ro fb r a k i n g a n dh y d r a u l i ci m p l e m e n tm a c h i n ee t c a i ma tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h e a i r p l a n eb r a k i n gs y s t e m ，t h ec o n s t r u c t i o no ft h em o d e l si sd i s c u s s e s e di n d e t a i la n d t h ee f f i c i e n c yo ft h eb r a k i n gs y s t e mm o d e li st e s t e dt h r o u g ht h em a t h e m a t i c s s i m u l a t i o n n 地d e s i g no ft h es o f t w a r eo ft h eh i ls i m u l a t i o ns y s t e mw i t hr t - l a bi nt h e e n v i r o n m e n to ft h em a = r l a b s l m u l i n ki sd i s c u s s e di nt h ep a p e r , a n dt h es o l v e w a y so fs o m ek e y - q u e s t i o n si nm o d e l s p l i t ，o p t i m i z a t i o no fc o n c u r r e n tp r o c e s s i n g ， c o m m u n i c a t i o no ft h es u b s y s t e m ，h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o na n ds oo na r ea l l m e n t i o n e dt o o a n dt h er e a l - t i m ec o n n e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ev i e w s y s t e ma n dt h eh i ls i m u l a t i o ns y s t e mh a sa l s ob e e nr e a l i z e dw i t hr s - 4 8 5b u s ah i lt e s th a sc a r r i e do u ta i ma tak i n do fa i r p l a n eb r a k i n gs y s t e m ，a n dt h e t e s t - r e s u l ti n d i c a t et h a tt h et e s t - p l a t f o r mo ft h eh i ls i m u l a t i o ns y s t e mo ft h ea i r c r a f t l i 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r a k ei sf e a s i b l e ，a n dt h er e a lt e s tc o n d i t i o no fa i r c r a f tb r a k i n gs y s t e mc a i lb er e f l e c t ， t h ew h o l ep e r f o r m a n c eo ft h ea n t i s k i db r a k i n gs y s t e mc a l la l s ob et e s t e db yt h e p l a t f o r m k e yw o r d s ：a i r c r a f tb r a k i n gs y s t e m ，h i ls i m u l a t i o n , i h a w kp l a t f o r m ，m a t l a b s i m u l i n k , r t _ l a b i i i 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 飞机刹车系统是飞机上具有相对独立功能的子系统，其作用是承受飞机的静 态重量、动态冲击载荷以及吸收飞机着陆时的动能，实现飞机的起飞、着陆、滑 行、转弯的制动和控制，其性能的好坏直接影响到飞机在地面的快速反应、安全 升空和着陆能力，对飞机的整体性能和安全起着至关重要的作用。 为了提高飞机刹车系统的性能以确保飞机的飞行安全，在实航试验前必须对 刹车控制系统进行地面模拟试验，对其性能进行检验。系统仿真作为飞机刹车系 统设计和试验的重要手段，可以有效地提高刹车系统的研制质量。缩短研制周期， 节省人力、物力和财力，因此被世界各国研发人员所重视。 系统仿真技术主要有三种：数字仿真、物理仿真和半实物仿真( 又称为半物 理仿真) 。数字仿真是低成本、短周期研制飞机刹车系统的重要环节和手段。但 是为了验证飞机刹车系统的性能和工程实用性，仅仅对其进行数字仿真研究是远 远不够的，还必须进行一系列的物理或半物理仿真试验，进一步对刹车系统的有 效性进行验证。众所周知，在飞机上直接对刹车系统进行验证试验是十分危险的， 稍有不慎就有可能造成重大的安全事故，并且在真实飞机上进行试验费用比较昂 贵。而半实物仿真比实物仿真投资少、效率高，比数字仿真更接近实际，是较理 想的研究手段，可以为飞机刹车系统的试验研究提供较真实有效的试验平台。 针对飞机刹车系统的特点和要求，采用半实物仿真技术来验证其性能。这样 就可以在仿真试验安全、低耗费的情况下，在真实或接近于真实的环境下验证刹 车控制系统的性能，为刹车系统的实航试验打下良好的基础。 飞机刹车系统的半实物仿真试验通过部分实物接入整个仿真回路，不仅可以 及早发现系统设计中的缺陷，确定最佳控制策略以降低风险、缩短设计周期、减 少试验成本，而且有助于新技术、新理论在飞机刹车系统设计中的应用与推广。 通过查阅大量文献资料，我们发现目前国内对于飞机刹车系统的仿真大都还 是采用基于数学模型的数字仿真方法，物理仿真和半实物仿真技术应用较少，缺 少成熟方案。本文在充分调研论证的基础上，通过建设具有一定先进水平的飞机 刹车半实物仿真系统，为飞机刹车系统控制算法研究、实际控制效果评估和整体 性能验证提供了有效的试验平台，有助于飞机刹车系统设计中新技术、新理论的 应用与推广，并为后续开展的飞机全电刹车、智能控制以及控制执行机构的半实 物仿真研究奠定了基础，具有较强的实际工程意义。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外发展现状 仿真技术经过半个多世纪的发展，由最初简单的模拟仿真、数字仿真发展为 物理仿真、半实物仿真( 又称硬件在回路中的仿真) ，到现在已经成为人们研究 复杂系统的有力工具，它的应用领域已经非常广泛，涉及到工业、航空航天等武 器系统以及与国民经济相关的各个领域。 以美国为代表的发达国家高度重视仿真技术的发展和应用，1 0 多年来美国 国防部一直将仿真和建模技术列为国防关键技术，先后建成了红外成像制导武器 系统的半实物仿真系统、雷达寻的制导的毫米波半实物仿真系统m s s 2 ，更好地 满足了地空导弹毫米波精确制导系统和精确打击武器装备的复合制导系统需要。 欧洲对于仿真技术的研究也十分重视。北大西洋公约组织( n a t o ) 对应于 美国分布交互仿真工业组成立了相应的研究机构进行跟踪研究，并制定了建模与 仿真的计划。 在电力工业中，随着单元发电机组容量越来越大，系统越来越复杂，对它的 经济运行、安全生产提出了更高的要求，仿真系统是实现这个目的的最佳途径。 在英、法等国，电站仿真系统已成为电站建设与运行中必须配备的装备。 汽车制造业巾，如何在最短的时间内，以最经济的手段开发出用户能够接受 的高性能的产品，已经成为当今汽车市场竞争的焦点。半实物仿真是解决这个焦 点问题的手段。德国a u d i 汽车生产公司开发的a u d ih i l 测试工作台，使用了 t e s i s ( m u n i c h ，g e r m a n y ) 开发的v e d y n a 三维汽车动力学模型。由于在闭 环控制中液压刹车系统的非线性及快速动态特性使得构建其系统模型非常困难， 所以在v e d y n a 仿真模型中没有实现刹车液压系统的动力学模型，而是将真实 的a u d ia 8 型液压刹车系统和a u d ia 8q u a t t r o 四轮驱动的液压刹车系统置于一 测试架上，该测试架与a b s 控制器和v e d y n a 模型同时相连。为了像真实的 汽车一样给e c u 提供i o 信号，整个模型的仿真在采样周期l m s 条件下进行( 小 于a b s 控制器的采样时间) 。半实物仿真作为汽车研发的重要手段之一，能够大 大降低开发成本，缩短研制周期，提高开发效率。 国外对飞机刹车系统的仿真研究起步较早，在刹车控制规律、液压系统和刹 车控制单元等方面都进行了深入的研究，系统数学模型建立的也比较完善，但是 由于保密等技术原因，有关飞机刹车系统半实物仿真方面的报道比较少，查阅资 料比较困难。 西北工业大学硕卜学位论文 第一章绪论 1 2 2 国内发展现状 在国内，经过几个五年计划的努力，我国仿真技术得到了快速发展，并取得 了突破性成果。半实物仿真技术在导弹制导、火箭控制、卫星姿态控制等应用研 究方面也达到了较高的水平。2 0 世纪8 0 年代我国建设了一批高水平、大规模的 半实物仿真系统，如红外制导导弹半实物仿真系统、歼击机半实物仿真系统、驱 逐舰半实物仿真系统、交通运输仿真系统、石油化工过程仿真系统等。2 0 世纪 9 0 年代我国开始对分布交互仿真、虚拟现实等先进仿真技术及其应用进行研究， 开展了较大规模的复杂系统仿真，由单个武器平台的性能仿真发展为多武器平台 在作战环境下的对抗仿真。半实物仿真系统已经在国防工业领域、军事领域和民 用工业领域取得了长足的发展。 对于飞机刹车仿真系统而言，国内对其综合研究起步较晚，与国外先进水平 相比差距较大。目前国内对于飞机刹车系统的研究大多局限于数字仿真研究和惯 性台试验研究。文献对飞机的六自由度模型进行了仿真研究，在系统建模的 过程中没有对刚体运动模型和气动数据做线性化处理，考虑了飞机纵横向之间的 耦合作用和决定飞机性能的绝大多数因素，但是在仿真过程中仅对飞机机体模型 进行了研究，并没有综合考虑刹车过程中机轮、起落架、刹车装置等对飞机主体 的影响；文献n 9 l 对飞机起落架的缓冲器模型进行了研究，分别给出了单腔式、 双气腔、双油式起落架缓冲器的数学模型，对其进行了理论分析但没有进行仿真 试验研究：文献口oj 对刹车与起落架抖动的相互影响进行了研究，建立了起落架 支柱的刚度、机轮转速、滚动半径、振动周期和刹车系统设定的打滑量与刹车力 矩之间的定量关系，给出了消除抖动和刹车失效的解决措施，但是目前这些解决 措施在实际应用中还不能完全达到刹车无抖动的要求；文献b 1 j 中采用简化的起 落架模型，通过改变起落架的结构参数，分析了起落架与刹车系统在飞机着陆过 程中的相互作用并对其进行了计算机仿真，但是仅局限于局部数字仿真；文献1 2 2 j 对飞机刹车系统控制律进行了仿真研究，但是在系统建模中，并没有考虑起落架 对刹车系统的影响；文献1 2 3 】对飞机刹车系统的刹车控制单元采用了模糊控制， 由于模糊控制的控制规则充分反映了人的智能活动，所以存在着主观性比较大， 没有充分利用跑道提供的最大结合系数，不能按给定的控制性能指标进行优化设 计等缺点，对刹车控制单元采用模糊控制算法目前还停留在理论分析和数字仿真 阶段。 上述文献的研究工作多数局限于刹车系统局部部件的数字仿真，没有对整个 飞机刹车系统进行系统的、全面的研究；文献虽然对整个飞机刹车系统进行 了仿真研究，但是仅限于数字仿真研究，缺少展开半实物仿真研究的手段。 西北t 业大学硕七学位论文 第一章绪论 文献p 5 】在惯性试验台上对刹车控制单元的性能进行了研究，惯性试验台是 一种较为简单的检验刹车控制单元性能的试验设备，它采用转动鼓轮的动能来代 表飞机着陆时的动能，依靠与鼓轮接触的刹车机轮产生的结合力矩使鼓轮逐步停 止转动，以此来模拟飞机着陆刹车的过程。在惯性台试验中，没有考虑到飞机着 陆过程中复杂的运动状态变化对刹车系统的影响，所以对刹车控制单元的考察还 不全面。 1 3 论文的主要研究工作 本论文所作的研究工作主要包括以下几方面的内容： 针对项目要求，通过分析比较提出了飞机刹车半实物仿真系统设计方案， 研究了半实物仿真系统的总体构成、仿真计算机选型、与实物系统的接口以及半 实物仿真软件的开发等闯题。 分析了飞机刹车系统各环节的动态特性，构建了半实物仿真中的模型系 统和实物系统，具体包括飞机动力学模型、起落架模型、机轮模型、轮胎跑道 特性模型、刹车装鬣模型、刹车控制单元和液压模拟系统，研究了刹车控制单元 与液压模拟系统的外部接i ：1 ，并通过数字仿真对刹车系统模型进行了完善。 在r t l a b 环境下，完成了飞机刹车半实物仿真系统软件、实时通讯模块 和人机交互模块的开发与设计，解决了模型拆分、并行处理优化、子系统通讯、 人机交互等关键问题，实现了将刹车系统模型下载到i h a w k 实时仿真计算机中运 行，以及半实物仿真系统与视景系统间的接口与实时通讯。 1 4 论文的章节安排 第一章是绪论部分，主要阐述了课题研究背景和意义，综述了国内外飞机刹 车系统的仿真研究现状，分析了论文的主要研究工作，给出了论文的章节安排等。 第二章介绍飞机刹车系统的组成结构，分析了刹车系统的工作原理，并给出 了刹车性能评估指标。 第三章通过对不同仿真平台的对比和性能分析，结合半实物仿真项目的具体 要求，提出了飞机刹车半实物仿真系统设计方案，分析了半实物仿真计算机的选 型、实物系统接口与仿真软件的设计方法等问题。 第四章分别对飞机刹车半实物仿真系统中模型系统、实物系统的组成结构和 动态特性进行了详细的分析，构建了飞机动力学模型、起落架模型、机轮模型、 轮胎，跑道特性模型、刹车装置模型、刹车控制单元模型和液压模拟系统模型等； 并通过飞机刹车系统的全数字仿真对系统模型的有效性进行了验证。 西北工业大学硕十学位论文第一章绪论 第五章在r t - l a b 环境下完成了飞机刹车半实物仿真系统软件、实对通讯模 块和人机交互模块的开发与设计，对半实物仿真软件设计中的关键问题进行了分 析研究。 第六章介绍了半实物仿真试验系统的构成，以某型飞机为例，对飞机刹车系 统进行了半实物仿真试验，并对试验结果进行了详细的分析。 最后一章对论文的研究工作进行了总结，并对今后的研究方向进行了展望。 西北工业大学硕十学位论文 第二章飞机刹车系统的结构与组成 第二章飞机刹车系统的结构与组成 2 1 系统的组成结构 2 1 1 系统的组成 一般说来，整个刹车系统由机轮刹车调节系统和防滑控制系统两部分组成， 其组成框图如图2 1 所示。图中虚线部分为防滑控制系统，其余为机轮刹车调节 系统。 图2 - 1 刹车系统的组成框图 刹车系统工作时，机轮速度通过机轮速度传感器反馈给刹车控制单元，控制 单元通过相应的控制算法，输出控制电流给电液伺服阀，电液伺服阀接收刹车阀 给出的刹车压力，输出与控制电流成反比的并作用于刹车装置的刹车压力，刹车 装置的承压盘将刹车压力均匀地作用到动静盘上，使相互交错的多片动盘和静盘 互相挤压，动盘和静盘问的相对运动产生很大的摩擦力矩即杀0 车力矩，使机轮制 动，实现飞机的刹停。 2 1 2 刹车系统的结构 机轮调节系统 机轮调节系统主要包括刹车阀、刹车装置、机轮和轮胎等。 ( 1 ) 刹车阀 刹车阀又称为刹车减压阀，它有进油、出油和刹车三个喷嘴。刹车阀受飞行 员的直接控制，飞行员脚踩刹车时能将飞机主液压系统提供给刹车系统的油液压 力降低到一定值，输出一个稳定的最大刹车压力，从而限n t 输送给刹车装置的 西北工业大学硕士学位论文 第二章飞机刹车系统的结构与组成 最大刹车压力，也就限制了刹车系统的最大刹车力矩。最大刹车压力由飞行员来 控制，它与飞行员的脚蹬力成正比，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，并使飞行员对刹车压力产生一定的位移感，使飞行员对刹车操纵 的掌握更加灵活方便。对防滑控制系统来说，飞机着陆时允许飞行员将刹车阎一 脚踩到底，输如最大刹车压力，而由刹车控制单元来调节最终输送给刹车装置的 刹车压力，因此，在刹车系统中，刹车减压阀只起到了一个恒压源的作用。 ( 2 ) 刹车装置 刹车装置位于机轮轮毂内，飞机着陆时其动盘由轮毂带动并随机轮一起转 动，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，当刹车压力输送到刹车装置的汽缸座时，汽缸座活塞移动，传 力至承压盘，由于承压盘将力均匀地作用到动静盘上，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，以最大限度地增大摩擦系数。 防滑刹车控制系统 防滑刹车控制系统由机轮速度传感器、刹车控制单元和电液压力伺服阀组 成。 ( 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电信号，并以此代表机 轮速度传送给刹车控制单元。 佗) 刹车控制单元 刹车控制单元是整个刹车系统的核心控制部件，它接收机轮速度传感器送来 的速度信号和指令传感器的刹车信号，并以此为依据产生相应的控制电信号，操 纵伺服阀去调节刹车盘刹车压力。 ( 3 ) 电液压力伺服阀 电液压力伺服阀是刹车系统的执行部件，它接收从刹车阀来的刹车压力，并 由刹车控制单元输出的控制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；当有控制电流 输入时，伺服阀输出与控制电流成反比的刹车压力，也就是说，电流越大，输出 的刹车压力越小，电流越小，刹车压力越大。 2 2 系统工作原理 飞机在着陆滑跑过程中，在地面上运动会出现如下三种状态 匿北工业大学硕士学位论文 第二章飞机刹车系统的结构与组成 纯滚动状态：纯滚动状态就是飞机机轮在地面滚动而不滑动，这种状态 出现在飞机着陆开始至开始刹车阶段或者松刹后机轮边缘线速度和飞机速度相 同的情况下，这时机轮未受到任何制动而完全自由的在地面上滚动。 纯滑动状态：飞机机轮在地面上滑动而不滚动，这种情况出现在机轮被 刹死的情况下，即抱死状态，一旦出现这种情况，轮胎将急剧磨损，极有可能导 致爆胎事故，这种状态是要极力避免的。 又滚又滑状态：也就是我们所说的刹车状态，即介于上述两种状态之问， 也是我们将要着重研究的正常刹车过程。 飞机刹车制动主要依靠刹车时轮胎与地面间产生的结合力，即反向摩擦力使 飞机减速。结合力越大，飞机减速就越快，刹停距离就越短。在飞帆重量一定的 情况下，影响结合力大小的因素称之为结合系数，结合系数越大结合力就越大， 该结合系数不是常量，而是一个无量纲因子，它受诸多因素的影响，如：飞机速 度、滑移率、跑道状况、轮胎型别以及环境因素等，其中飞机速度明铂滑移率盯 的影响尤为重要，它们之间存在着复杂的非线性关系，这种关系的准确描述需要 依靠大量的试验和研究得到。 不同飞机速度时，结合系数和滑移率关系曲线如图2 2 所示，可以看出随着 飞机速度的增加，结合系数峰值点将向滑移率小值方向移动。图2 - 2 中曲线是根 据试验数据进行拟合得到的。 u r v 1 ， 、 、 窄2 驴 产 v 3 图2 - 2 不同飞机速度时结合系数与滑移率的关系曲线( k 匕 k ) 实际上，机轮和跑道之间的关系是非常复杂的，图2 - 3 仅给出了随飞机速度 的降低和滑移率的变化时，曲线在幅值上和形状上发生的变化；其实跑道的干、 湿、积雪状态及其覆盖程度和跑道的材料( 水泥或者土跑道) 也极大的影响着“ 值的大小。图2 3 所显示的是由试验得出的不同跑道状况下滑移率与结合系数的 关系曲线。 8 b t 2 0 0 0 0 西北工业大学硕士学位论文 第二章飞机刹车系统的结构与组成 结合幕数h 量移率。 图2 - 3 不同跑道状况下结合系数与滑移率的关系曲线 结合图2 3 进行分析可以得到：当机轮速度工作于结合系数一滑移率曲线的 峰值，即仃= 盯。时，轮胎对跑道的结合系数最大，此时刹车效率最高。当盯 仃。时，随着滑移率的继 续增大，此时地面结合系数减小，刹车效率开始下降。如果不能及时解除刹车， 将会导致轮胎磨损的加剧，出现所谓的拖胎现象。在这种情况下，机轮的滑移率 达到最大值t ，不仅刹车效率很低，而且轮胎磨损非常严重，对飞机来说。拖胎 稍一严熏就会造成爆胎，威胁到飞机安全，很可能由此引发事故，因此必须及时 予以解除，并待机轮转速恢复以后再次进行刹车，逐步逼近最大结合系数点。深 度打滑和爆胎都是要极力避免的。 现代液压刹车系统的工作原理可以简单表述为：当飞机着陆以后，刹车系统 开始工作，飞行员可以脚踩刹车到底，刹车阀产生最大的刹车压力，安装在飞行 器轮轴尾部的机轮速度传感器来检测产生滑移的机轮的速度，实施防滑操作。机 轮速度传感器提供的是与机轮速度成正比的近似正弦信号，并以此表征机轮速度 传给刹车控制单元。刹车控制单元以此为依据通过相应的控制规律输出控制电信 号来操纵伺服阀，利用伺服阀的调压作用，通过连接管路给刹车装置施加一定的 刹车压力，以保持轮胎工作在“一盯滑移曲线的峰值处。刹车装置的承压盘将刹 车压力均匀的作用到相互交错的多片动盘和静盘上，动盘和静盘问的相对运动产 生很大的摩擦力矩即刹车力矩，使机轮制动，实现飞机豹刹停。刹车系统工作流 程如图2 - 4 所示。 西北工业大学硕士学位论文 第二章b 机刹车系统的结构与组成 图2 _ 4 刹车系统工作流程 2 3 刹车系统的性能评估 刹车系统的定性评估指标就是要求系统在各种情况下能安全可靠的工作，轮 胎磨损均匀，系统工作稳定，没有抖动，保持飞机航向的稳定。 刹车系统性能的好坏，可以从刹车效率、刹车距离以及刹停时间等几个方面 来衡量。显而易见，刹车效率和刹车距离在某种意义上是一致的，刹车效率越高， 刹车距离越短。 2 3 1 刹车效率 刹车效率是衡量刹车系统性能的重要指标之一，分为刹车压力效率、刹车力 矩效率和结合系数效率，这三种均指在一定时间内各自参数的实际值占理想值的 百分比。其定义为：第一次开始滑动与最后一次滑动之间的曲线围成的面积与两 次打滑峰值点围成的面积之商。 图2 - 5 给出刹车力矩( 也可以是结合系数、刹车压力) 随时间的变化曲线，根 据图中所示曲线计算的效率r 为： c 玎：二垡堕盟1 0 0 ( 2 - 1 ) s d 8 c d d ( 直边) 西北工业大学硕士学何论文第二章飞机刹车系统的结构与组成 a ：第一次打滑b ：最后一次打滑 国2 - 5 刹车效率计算图 由于按照压力和力矩所测得的效率含有一定的误差，而利用结合系数来计算 刹车效率才是最为真实可靠的。 结合系数效率最能体现系统的工作情况，它反映了轮胎与跑道之间的摩擦系 数的总体水平，但是由于结合系数在整个刹车过程中的实际值和最大值不太稳 定，且不便于测量，所以很少采用。 压力效率会因为刹车控制系统的灵敏性而使计算结果显得不合理，如果假设 机轮已经处于打滑状态，而刹车系统不能使刹车压力解除，在这段时间内建立的 刹车压力按照压力效率进行计算时仍可以使刹车系统表现出较高的压力效率，显 而易见其计算结果不合理。 力矩效率在惯性台上的计算结果合理科学，因为在惯性台上作动力试验时， 加在机轮上的载荷是恒定的，最大结合力矩是不变的，所以以力矩为基准计算出 来的效率也自然应该是制动效率的准确度量，因而这种方法在对刹车系统的惯性 台模拟试验中采用的很多。但是对飞机刹车系统进行仿真研究时则会有一定的出 入。因为飞机在刹车过程中，受各种随机因素的干扰，载荷总是不断变化的，因 此按照力矩效率的计算方法所得的结果往往有些出入。 2 。3 2 刹车距离 刹车距离是指飞机从着陆接地开始到停止的整个刹车过程中飞机的滑行距 离，该值可通过对飞机速度仿真曲线积分求得。 刹车距离的计算公式为： s = c 。巧( r ) 击 ( 2 2 ) 其中：s 一为刹停距离；o ) 一为飞机速度。 目前国际上验证刹车系统性能就是以刹车效率和着陆距离这两种指标为尺 度。 西北工业大学硕士学位论文第三章飞机刹车系统半实物仿真设计方案 第三章飞机刹车系统半实物仿真设计方案 3 1 仿真系统的功能要求 3 1 1 半实物仿真要求 在飞机刹车半实物仿真系统中，仿真计算机既要向实物系统实时的提供各种 模拟接口信号，又要从实物系统实时地采集各种实物输出控制信号等，因此半实 物仿真系统必须要满足咀下几方面的要求： 实时性 在仿真试验中，飞机刹车半实物仿真系统既要对模型系统进行实时地解算， 又要在仿真计算机与实物系统之间进行实时地数据采集与传输、同步控制等，这 就要求系统具有良好的实时性和同步性，仿真计算机必须具有强大的理论模型解 算能力，解算时问必须小于采样间隔时间。 交互性 飞机刹车半实物仿真系统要求仿真计算机与设计操作人员之间必须具有友 好的人一机交瓦界面，在参数允许的范围内能够任意设置参数，并能实时显示和 记录系统仿真曲线，重现仿真历史曲线以及对试验数据进行存储等。 抗干扰性 在半实物仿真试验中，外界的干扰以及各设备自身存在的干扰，都将严重影 响系统的正常运行，因此对信号的采集、连接、剐d 、d ，a 转换以及接地问题必 须采取很好的抗干扰措施。 重复性 仿真系统必须通用性强，既能够对不同机型进行仿真试验，又能够对刹车系 统的每个组成部分进行性能验证，因此系统的模块和实时仿真平台需要具有最大 限度的可重复性。 3 1 2 实现功能 在飞机刹车系统半实物仿真试验中，由于把系统实际使用的部分实物直接纳 入仿真回路，既提高了仿真的逼真程度，又解决了以前存在于系统中的许多建模 方面的难题，还有一个重要的优点是：可以有效的验证被试部件的物理特性。 对飞机刹车系统进行半实物仿真试验，主要实现功能如下： 西北工业大学硕士学位论文 第三章飞机刹车系统半实物仿真设计方案 研究刹车系统某些环节、参数的特性对系统性能的影响及改进措施 刹车系统中某些环节、参数的特性( 如起落架特性等) 不易用数学表达式加 以描述，或有些问题在理论上尚未解决，但在实际工程中又必须采用一定措施来 加以解决。都可以通过半实物仿真进行相应的分析与研究，进而找出相应的改进 措施； 实现刹车系统参数的优化设计 在半实物仿真试验的过程中，可以对系统参数进行实时调整，达到参数优化 设计目的，来提高飞机刹车系统的性能，进而为飞机刹车控制单元设计提供有力 的参数依据； 验证刹车控制系统在真实飞行环境下的控制性能 因为半实物仿真把飞机刹车系统真实的硬件设备接入到仿真回路中，并利用 现代仿真技术手段使仿真环境更加逼近飞机着陆滑跑的实际环境，所以可以更真 实地反映刹车控制系统在飞机刹车过程中的动态特性及刹车效率； 检验新的刹车控制算法的控制性能 在新的控制算法( 如智能控制) 实际应用于刹车系统以前，可以通过半实物 仿真试验来检验控制算法的有效性能，为新型刹车控制算法实际工程应用做好前 期准备，从而大大地降低刹车控制单元研发成本，缩短开发周期，提高了开发效 率； 实现飞机刹车系统各环节的半实物仿真 飞机刹车系统半实物仿真试验平台是一个通用平台，既可以对飞机刹车系统 的每个组成予系统( 如液压模拟系统、刹车装置、机轮等) 进行半实物仿真试验 来验证其性能，又可以为刹车控制系统的批量生产提供检验平台； 可以实现不同型号飞机着陆刹车过程的半实物仿真试验。 3 2 半实物仿真系统的组成 为了模拟飞机着陆滑跑过程中的刹车环境，仿真系统尽可能把更多实物接入 仿真回路，像刹车装置、液压系统和刹车控制单元等均以实物系统来代替，其它 如机轮和跑道特性等不能用实物代替的可用模型取代。 由于受试验条件和环境的限制，我们仅将液压模拟系统、刹车控制单元用实 物系统来代替模型接入仿真回路；飞机主体、起落架、机轮、刹车装置等用物理 实现比较困难，因此采用数学模型，通过仿真计算机接入仿真回路【2 “a 这样整个飞机刹车系统的半实物仿真回路就可以由命令工作站、实时仿真计 算机、刹车控制单元、液压模拟系统、信号调理电路和视景系统等组成，其中刹 车控制单元、液压模拟系统是作为系统实物接入仿真回路中的。图3 - 1 为飞机刹 西北工业大学硕士学位论文第二章飞机刹车系统半实物仿真设计方案 车半实物仿真系统组成框图，图中虚线部分为实物系统。 命令工作站 命令工作站主要用来实现飞机刹车系统模型的构建、实时仿真软件的设计、 开发与调试，包括目标代码的生成下载、仿真数据的可视化处理( 如实时仿真过 程数据的图形图表和曲线显示) 、控制仿真开始停止进程等功能；同时还可以脱 离实物系统和仿真计算机，对飞机刹车系统进行全数字仿真。 本系统命令工作站可采用通用的p c 机实现。 实时仿真计算机 实时仿真计算机是半实物仿真系统的核心部分，它运行实体对象和仿真环境 的数学模型和程序，主要用来对难以用实物进行仿真试验的动态数学模型进行实 时解算，这些模型主要有飞机动力学模型、起落架模型、机轮模型、轮胎跑道 特性模型、刹车装置模型等( 这些模型在后继的章节中会详细描述) ；除此以外 还要实现节点与i o 之间的实时通讯、i ，o 系统的初始化、模型内部变量与外部 输出的采集与传输等功能。 液压模拟系统 液压模拟系统主要用来模拟飞机刹车系统的液压油源、管道、伺服阀以及操 作机构，接收刹车过程中的刹车参数，并由刹车控制单元输出的刹车控制电流对 本级输出进行调节，输出与控制电流成反比关系的刹车压力。 刹车控制单元 刹车控制单元是整个刹车系统的核心部件，主要用来接收机轮速度传感器送 来的机轮速度信号和指令传感器传来的刹车控制信号，并将接收到的机轮速度信 号与基准速度进行比较，将比较后的速度差进行比例放大，并以此为依据通过一 定的控制算法产生相应的刹车控制电信号，去控制液压伺服阀，调节刹车盘刹车 压力。 信号调理电路 信号调理电路是实现实时仿真计算机、控制系统与现场信号之间的接口桥 梁。为了防止各种干扰对仿真系统中的信号采集与传输产生影响，调理电路将实 现仿真计算机输出信号的变换、滤波和驱动等功能，同时将实物系统的输出信号 进行相应调理放大，输入到实时仿真计算机； 视景系统 视景系统的主要作用是接收飞机刹车系统半实物仿真试验中的飞机姿态、机 轮速度等信号，对刹车过程中的飞机和机轮运动状态进行实时地动态显示。由于 视景系统不是本论文的研究重点，在此不做细述a 除此以外，飞机刹车半实物仿真系统还包括完成整个半实物仿真试验所必需 西北工业大学硕士学位论文 第二章飞机刹车系统半实物仿真设计方案 的一些设备，如电源、示波器等。 图3 1 飞机刹车半实物仿真原理框图 3 3 实时仿真计算机 3 3 1 对仿真计算机的要求 仿真计算机是飞机刹车半实物仿真系统的核心，在系统仿真中承担着模型系 统的实时解算、实物系统的数据采集、控制和传输、以及控制仿真系统同步运行 等任务。 根据飞机刹车半实物仿真系统要求，仿真计算机的选择必须考虑如下几个方 面： 满足仿真的实时性要求 实时性是本仿真系统的一个基本要求，仿真计算机需要有较快的计算速度， 能够满足模型系统( 即飞机运动与动力学、起落架、机轮、轮胎和跑道、刹车装 置等模型) 的解算，完成现场各物理信号的采集、信号的实时处理和输出控制功 能等。 满足仿真的精度要求 仿真计算机应该具有足够的计算精度，与实物系统进行实时通讯的蜘) 、 d a 数据采集卡的分辨率和转换时间应满足飞机刹车系统半实物仿真的精度要 求。 仿真计算机必须具有实时操作系统，同时具有高速i 0 吞吐能力。 3 3 2 实时仿真计算机的选取 飞机刹车半实物仿真系统涉及机械、液压一体化系统建模，为了提高效率， 西北工业大学硕士学位论文 第二漳飞机刹车系统半实物仿真设计方案 最好能利用成熟的建模工具如m a t l a b 、m a t r i x 等工具实现大系统的实时协 同仿真。现有的能够和m a t l a b 、m a t r i x 实现无缝连接的仿真技术有d s p a c e 、 x p c 、p l u g & s i r e 以及并行计算机等。d s p a c e 、x p c 构建的实时仿真系统一般局限 于小规模的系统，无法直接实现大规模的实时仿真1 2 7 】。基于c o r b a 技术的 p l u g & s i m 虽然能够很好的实现协同仿真，但因为飞机刹车系统半实物仿真有硬 件系统接入仿真回路，对实时性有较高要求，而p l u g & s i m 却无法满足该实时性 要求。相比较而吉，并行计算机不仅能够满足飞机刹车系统半实物仿真中实时性 的要求，而且支持分布式仿真。基于以上考虑相飞机刹车系统半实物仿真项目的 技术要求，本系统的仿真计算机选用美国并行计算机公司的i h a w k $ 6 0 实时仿真 计算机。 选用i h a w k 实时仿真计算机的优势具体体现在以下几点： 实时性 i h a w k 8 6 0 采用多c p u 结构，各c p u 之间内存共享，运行单一拷贝的操作 系统，大大加快了复杂模型的解算速度，是真正的对称多处理系统；r c d h a w k 单一的内核设计满足了飞机刹车半实物仿真系统的实时性要求； 开放性 采用与源代码开放的r e d h a tl i n u x 兼容的r e d , h a w k 实时操作系统和i n t e l 处理器技术，具有高性能的计算能力，不但可以根据自己的特殊需求对实时操作 系统做底层开发，如在仿真计算机上直接进行飞机刹车系统模型设计，而且可以 将h o s t 平台上的系统仿真模型下载到实时仿真计算机i h a w k 中去运行； 采用i h a w k 实时仿真计算机，将应用层与其底层支撑环境功能分开，即将 仿真功能的具体实现、仿真运行管理和底层传输三者分离开来，保证了系统范围 内的互操作和重用性；而且i h a w k 实时仿真计算机也适用于其它系统的半实物 仿真； 性价比高 i h a w k 是一个操作平台，它可用于许多产品的开发和实时仿真测试，验证被 试部件的性能，而不是一物一用，仅局限于飞机刹车系统仿真的应用； 3 3 3i h a w k 实时仿真计算机的配置 半实物仿真系统的仿真计算机采用并行计算机系统i h a w k 8 6 0 ，它是专为实 时数据采集、实时仿真和工业系统应用开发而设计的高性能实时计算平台，它运 行的是高性能的r e d h a w kl i n u x 实时操作系统，广泛应用于航空、航天、航海、 国防研究以及其它高速实时应用领域。 系统硬件配罱 1 6 耍i 坚些! 堂堡主堂垡堡壅 蔓三童! 塑型主墨篓兰窒塑笪塞堡盐查塞 i h a w k 8 6 0 系统的具体配置如下： ( 1 ) 2 + c p u 2 8 g h z s m p ； ( 2 ) 2 0 g 内存； ( 3 ) 3 6 g 硬盘； ( 4 ) 1 0 1 0 0 b a s e t + 千兆以太网； ( 5 ) 6 个p c i 插槽；2 个串口； 在飞机刹车半实物仿真系统中，实时仿真计算机、刹车控制单元和液压模拟 系统之间既存在着模拟信号的采集与处理，还存在着各种开关量信号的输入与输 出，考虑系统输入、输出信号类型与数量以及系统的可扩展性，我们选用如下几 个i o 系统板卡： ( 1 ) a i d 板卡：c s - n i p c i 6 0 7 11 块 c s - n i - p c i - 6 0 7 t 主要配置了6 4 通道的1 2 位a d ，2 个1 2 位d a 通道和8 位d i o ，速度可达1 1 2 m s s ，能够满足系统输入输出要求； ( 2 ) d a 板卡：c s - n i - p c i 6 7 1 3 l 块 c s - n i - p c i - 6 7 1 3 是d a 转换板，含8 通道的1 2 位高速d a 转换器，转换速 度为1 m s ，s ；能够满足系统的输入输出要求； ( 3 ) i o 板卡； c s - n b p c i d i o 9 6 1 块 c s - n i - p c i - d i o 9 6 是数字i o 板卡，有9 6 位d i o 通道；能够满足系统的输 入输出要求，同时也可用于以后系统的升级。 综上所述，i h a w k 实时仿真平台硬件组成如图3 - 2 所示。图中a d 、d a 和 i o 板卡的电压取值范围均为1 0 v + 1 0 v 。 p i n t o l x 雕i n t e l u o 扳母：= 划c s 堋饿