（电力电子与电力传动专业论文）多轮系飞机刹车系统控制与仿真研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s h a c t a b s t r a c t a i r c m f t 枷一s i 【i db i 矗k i l l gs y s t c i ni s 觚j 驴r t a n ta i r b o m ed e v i c eo fa i r c m f t ， 喊p l a y s 孤螂o r t a n t r o l e i n 供血g o 仃a n ds a f e l a n d i n g f m 也e p e r s p e 嘶v e o f c o m m l 觚ds i 眦l l l a t i o n ，m a m e m a t i c a lm o d e l so fm u l t i g e 缸b r a l 【i n gs y s t e ma b l l i l t b ym a t l a b s i m u l 址an e wc o i l 仃o l l a ww h i c ha d a p t st ot l 圮s y s t 锄i sd c s i 印c d 锄da h a r d w a 静i n - m e - l o o p 饵i l ) s i i i l u l a t i p l a t f o mi se s t a b l i s h c d b a s e d t h ea n a l y s i so f c o m p o n e n ta n ds 仇l c t l 】旧o f 咖1 t i g e 牡b r a l 【i n gs y s t e i n t l l e a i r p l 锄ed ”1 a n l i c sm o d c l ，u n d e r c a r f i a g em o d e l ，b m i 【i n gt o r q u em o d e l 觚d c o m b i l l c dm o d c la r ee s 协l i s h e d h 、，i e wo f t h ec o n l p l e x i 劬珊c e n a i l 时锄d m 硫埘 c h a m c t e r i s t i c so f m u m g e 盯b l 蛐gs y 卧锄，an e wm 础0 dw t l i c hb 船c do nb pn e 盯a l n e t o r ki sp m p o s e dt oi i n p v e 圮仃a d 砸伽【a lp b m c 伽血| o l l a w 1 如u 曲仃a i l l ：i n gt t 坞 i 1 1 p u t - o u t p u t 蛐w i l i c h l o c t c d 舶mt l l ed w c t 锄di c cm n w a yc o n d m o i l ，t h eb p n 咖o r ki sp e 磕娥l yu p b l l i nb ym a t l a b 6 5 衄b o o l ，n 圮c o n 缸d l l e r 州c h 璐c di nt 量地 觚t i s 虹dc o n n o lb o xi st oi m p r o v em es 劬l a t i p r c c i s i o n ah 【ls i m u l a t i s y s t e mb 勰c do nc c u r r e m 伽蜘p m 盯i sp 佗m e d 舭dt h e r 1 乙l 肺i s 印p l i e dt 0 1 v cr e a l 撕m ec o n n d l 呻b l e m u s i n gt h ec c u r r e mc o m p u t 盯 a l l dr 1 二l 肺，b o l l la n t i - s k i db r a l 【i n gc o m m l l e r 舡dh y d r a u l i cs y s t 锄c 肌b ep u ti n t om e s i i i l u l a t i o nl o o p m e a w h i l e ，am e m o do f m i x c dp r o 蹦吼i i l i n g 谢t l lv c + + 锄dm a t l a b t 0 0 1 si si n 仃o d u c e di i lo r d e rt 0b l l i l dh l l m a n - c 锄p u t e ri n t 锄c t i o no ft h es i n m l a t i o n s y s t e m b o m d i g i t a la n dh 也s h n u l a t i o nw e 托c a r r i e do u ta i ma tak i n do fa i r p l 锄e n 峙 d i 百t a ls i l n u l a t i o nr 韶u ni n d i c a t e s 恤tt h ec 0 砷o ls c h 锄ei sc o n 优t 锄df c 硒i b l e ；t l l e h i ls i m u l a t i r c s u l ts h o w st 1 1 a t 1 ep l a t 矗) mo ft h eh i ls i 删l a t i o ns y s t e mm n e c t s r e a le n v 的啪c n t ，i tc 姐p r o v i d e 觚a c t l l a lc 】【p 谢mc i l _ 嘶0 np l a t f o n nf o rd c s i 印j n g 锄d i i n p m v i i l gm ea i r c m f tb r a l ( i n gs y s t 锄 k e y 柙o r d ：a i r c m f th l l 【i n gs y s t e i n ，m u l t i g e 鹅 b pn e 啪ln e 咐o r l 【，r t l 惦， h a r d w 黜一n t l l c 1 0 0 p 饵i l ) s i m u l a t i o n i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查 阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 亟兰查 油0 年岁月享。日 指导教师签名： 弛哆 弘9 7 辱专只；o 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所 知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已 申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： 毒i 兰 加刁年月；o 日 一v ，j + 】门7vl j 西北工业人学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 飞机刹车系统是飞机机载设备的重要组成部分，其作用是充分利用地面提供 给机轮的摩擦阻力，安全、可靠、快速地实现飞机起飞、着陆、滑行、转弯时的 制动和控制，其性能好坏直接影响到飞机的快速反应、安全返航及持续战斗能力， 进而影响飞机整体性能。随着军用和民用航空工业的进步和发展，飞机朝着大吨 位、高速度发展的需求日益强烈，这类飞机均采用多机轮制动。因此我们有必要 对多轮系飞机刹车系统的结构进行深入细致的研究，对其进行合理的数学建模并 采用相应的控制方法来实现防滑控制。 现代飞机刹车系统由自动刹车系统与防滑控制系统组成，优良的刹车控制系 统必须在最大刹车工作状态下还能提供有效的防滑保护，且能通过不断调控刹车 压力得到最高的刹车效率。防滑控制系统的性能与控制量的选择、所采用的控制 律、刹车执行元件的响应时间等均有很大关系。多轮系飞机刹车系统是一个比单 轮刹车系统复杂的非线性系统，刹车过程中存在着更多的随机干扰，结构参数具 有时变性和时不变性，用传统的控制方法难以达到预期刹车效果，目前我国对多 轮系飞机刹车系统防滑控制方面的研究基本上是空白。近年来，各种新型控制算 法发展很快，如神经网络、模糊控制、自适应控制、滑模变结构控制、专家系统 等，已经越来越广泛地应用在实际工程中。同时，这些新的控制研究技术在刹车 控制律设计中的运用也越来越活跃，其中，神经网络控制非常符合多轮系飞机防 滑刹车系统的特点，所以考虑将神经网络引入刹车控制系统中，对多轮系刹车系 统进行调节从而改善系统性能。 刹车系统控制律的研究是保证刹车性能的重要手段，而精确可靠的仿真平台 则是验证刹车控制律的重要保证。由于现有的惯性台刹车模拟试验系统不能够完 全真实地反映飞机着陆刹车过程的实际情况，本课题针对飞机刹车系统的特点和 要求，提出了半实物仿真的设计方案。对飞机刹车系统进行半实物仿真，可以直 接用来指导新型防滑刹车系统的设计，实现飞机在给定环境下的起飞、着陆模拟 试验，为产品设计、改进以及参数的优化设计提供理论和试验依据。 本论文研究内容就是在这样的背景下提出的，并依托于航空科学基金资助项 目，针对飞机刹车系统控制与仿真技术进行深入细致的研究。 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 国外现状 最早的飞机防滑刹车系统是以俄罗斯为代表的惯性防滑刹车系统，该系统的 最大优点是可靠性高，受到世界许多国家的青睐，俄罗斯至今仍在它的新型飞机 上装备这种防滑刹车系统。但是这种系统的刹车效率低，着陆距离长，并且刹车 不平稳。二十世纪4 0 年代初，美国和英国开始了电子防滑刹车系统的研制，以 美国m 恤【系列和英国o s c a r 系列为代表的刹车系统在数十年发展中逐渐形 成四种控制方式：开关式防滑刹车系统、机轮速度变化率式防滑刹车系统、滑移 速度控制式防滑刹车系统和滑移率控制式防滑刹车系统“妇b 1 。上世纪七十年代， 美国国家航空航天总署( n a s a ) 曾经会同其他机构对采用上述四种控制方式的飞 机防滑刹车系统进行了飞行试验和轨道车试验。结果表明，滑移率控制式系统在 各种跑道上的刹车性能都比较好，较其他三种刹车系统的刹车效率都高“1 。 目前国外新型军民用飞机已普遍采用电传防滑刹车系统。电传数字式刹车系 统于1 9 9 1 年在f _ 1 6 战斗机上首次成功地进行了验证，并于1 9 9 4 年向f 一2 2 战斗 机交付了第一套电传数字式刹车系统。法国m e s s i e r b u g a t t i 公司已将数字式电 传刹车系统用在空中客车系列飞机上。西方国家防滑刹车系统经过三、四十年的 发展，已经研究得极为深入和细致，在电子防滑刹车系统和电传数字式刹车系统 方面已有比较成熟的经验，目前在全电刹车系统和防火液压刹车系统方面也有了 较大发展。 随着防滑刹车系统的复杂性，设计难度以及它对飞机安全性的影响日益被人 们所关注，新型控制理论在刹车控制律设计中的运用也越来越活跃。常规控制律、 最佳控制律、模糊和神经网络控制律以及地面方向控制的研究均取得了重要突破， 智能控制方法中的神经网络、模糊控制、专家系统等b 卜协1 在飞机刹车系统研 制中具有广阔的应用前景。通过大量资料“”n “可以看出，很多文献都有涉及 模糊控制的方法，但在应用中，刹车系统对控制理论的要求非常苛刻，由于整个 刹车过程比较短暂，跑道表面状况的变化非常大，所以对模糊规则的制定需要更 多的实际经验，只有很清楚刹车系统的性能与刹车规律，才能制定出较为适用的 规则。同时，很多文献都探讨了复合制算法在飞机防滑刹车系统中的应用，但在 实际的系统研发工作中尚未真正实现，因此有必要研究各种控制算法在刹车系统 中的实际应用。 在刹车系统的仿真与建模方面，国外的研究起步也比较早，飞机各组成部分 的建模也做的比较完善。文献【1 6 】建立了全电刹车系统的模型并进行了仿真， 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 文献【1 7 】对5 一d 0 f 飞机进行受力分析，建立了飞机动力学模型，文献【1 8 】 对飞机轮胎进行了建模，并得出了滑移率的表达式，但由于轮胎在刹车过程中有 效半径随着充气压力与机轮载荷变化而变化，从而导致该方法很难求解飞机刹车 过程中的滑移率。文献【1 9 】提出了在考虑起落架特性情况下飞机轮胎的建模新 方法，文献【2 0 】对液压系统进行了数学建模并采用鲁棒控制算法对刹车系统进 行了数字仿真。文献【2 l 】研究了飞机转弯时候的数学模型及数字仿真方法，文 献【2 2 】将威布尔模型引入刹车系统，对波音7 3 7 型号的飞机进行了可靠性仿真 分析。 综上所述，国外在刹车控制律，液压系统，刹车控制单元以及刹车系统可靠 性等方面都进行了深入的仿真研究，并且系统的数学模型也建立的比较完善。但 是，由于保密等技术原因，近几年来，有关多轮系飞机刹车系统的仿真研究报道 比较少，查阅资料比较困难。 1 2 2 国内发展状况 我国飞机大部分采用前苏联研制的冷气惯性防滑刹车系统。我国歼七系列等 采用的是五十年代末期以惯性传感器为检测元件的机械一液压防滑刹车系统。六 十年代末期仿美m 删( i 的速率系统，研制出四种模拟式电子防滑刹车系统，已 用于运十飞机上。近年来，电子防滑刹车系统在国内有了一定的发展，先后为 j 8 、j 7 e 、m 7 a 、y 7 等机种研制了配套电子防滑刹车系统，有些已批量装备 部队。其水平相当于美国的m 灿皿系统和英国的o s c a r 系统。这两种系统均 属于国外7 0 年代研制的模拟式电子防滑刹车系统。我国的1 0 号工程采用了数字 式防滑刹车控制系统，它采用的是两余度电传防滑刹车控制系统，在国内属领先 水平，总体技术接近于美国f 1 6 飞机的刹车系统，但是在防滑控制的可靠性、 可维修性以及刹车效率和冗余技术等方面存在较大的差距，有待进一步研究。目 前，国内某些科研机构已开始着手于对飞机全电刹车系统的研究。 我国自行研制的飞机上，防滑刹车系统普遍采用的控制方式是速度差加偏压 控制，这种控制方式的优点是对跑道的适应性强，而且安全可靠，因此得到了广 泛应用。在控制律的研究方面，也做了大量的研究工作，【3 2 】对滑移速度式防 滑刹车系统提出了基于反馈线性化原理的刹车控制律设计，该方法仅针对满足三 角形条件和反馈线性化条件的非线性参数化不确定系统提出，并没有考虑其他情 况。文献【3 3 】探讨了迭代学习控制在全电刹车系统中的应用，提出了一种收敛 性不受学习增益影响的迭代学习控制方法，但没有考虑刹车过程中初始条件变化 及跑道状态改变时的学习算法；文献【3 4 】介绍了变结构控制在防滑刹车系统力 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 矩控制中的应用：文献【3 5 】针对刹车系统建模中存在的误差以及飞机地面滑跑 是存在的各种干扰，提出了一种自适应卡尔曼滤波的鲁棒控制方法；文献【3 6 】 提出了一种应用于刹车系统自适应控制器设计方法，该方法在干跑道和湿跑道上 的仿真效果较好，但在冰跑道条件下效果并不理想；诸多文献”“1 表明，我国 在刹车系统控制律的理论预言方面，和国外相比，同样做了非常深入的研究，但 在实际应用方面，还未取得实质性进展。本论文针对神经网络控制在防滑刹车控 制律的设计方面做了一定的研究工作。 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【4 7 】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，但是仿真过程中仅对飞机机体模型进行 了研究，并没有考虑刹车过程中机轮、起落架、刹车装置、液压系统对其的影响； 文献【4 8 】对飞机起落架的缓冲器数学模型进行了研究，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【4 9 】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、振动周期和防滑刹车系统设定的打滑量与刹 车力矩之间的定量关系，给出了不会引起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还不能完全达到刹车无抖动的要求；文献【5 0 】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，但是仅局限于局部的数字仿 真；文献【5 l 】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； 上述文献的研究工作都是针对左右起落架仅有一单机轮情况考虑的，并且多 数局限于局部部件的数字仿真，并没有对整个飞机刹车系统进行系统的、全面的 研究；文献【5 2 】虽然对真个飞机刹车系统进行了仿真研究，但是仅局限于数字 仿真，缺少开展半实物仿真研究的手段。因此，有必要对多轮系飞机刹车系统的 组成和结构进行详细分析，建立相应的模型。并且对半实物仿真平台的组成结构、 设计原理和应用方式进行深入研究。 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 论文的主要研究工作及关键技术 1 3 1 主要研究内容 本论文所作的研究工作主要包括以下几方面的内容： ( 1 ) 多轮系飞机刹车系统建模 利用成熟的理论方法和应用系统研究成果构建包括飞机起落架在内的多轮 系防滑刹车系统整体结构，并建立各个组成部分的数学模型。 ( 2 ) 多轮系防滑刹车系统控制律的研究 研究采用速度差加压力偏调控制方式时，控制律的设计问题。其中包括： 控制思想的提出。控制方式的选择。控制算法的设计以及控制器的具体实现。 ( 3 ) 刹车系统半实物仿真系统设计 在研究半实物仿真系统总体构成、仿真计算机选型、与实物系统接口及仿真 软件开发等问题的基础上，提出飞机刹车半实物仿真系统的设计方案。系统硬件 拟采用并行计算机，在实时仿真环境下，对飞机刹车系统的数学模型进行了拆分 及代码转化，将非实时的图形模块转化成为可以在并使计算机上运行的实时代 码。同时，设计实时通讯模块及人机交互模块。 1 3 2 关键技术 针对以上研究内容，本文需要解决以下几个关键技术： ( 1 ) 多轮系飞机刹车系统的防滑控制律设计 目前，在研究防滑刹车系统控制律时，由于对飞机刹车系统存在的复杂性、 非线性及不确定性等采用了大量的近似处理，导致刹车效率不高且鲁棒性较差。 随着智能控制理论的快速发展，我们有必要采用一些新型控制律应用于防滑刹车 系统以提高刹车性能。神经网络是以工程技术手段来模拟人脑神经元网络的结构 与特征的系统，通过输入和期望输出数据来建立控制网络的结构，它不依赖于对 象的数学模型，具有鲁棒性好，简单使用等有点，非常适合于飞机刹车系统。因 此，本论文采用神经网络方法对实际现用的p 刀d + p b m 防滑控制律进行了改进， 优化了控制律，是论文的关键技术之一。 ( 2 ) 半实物仿真系统中的模型解算、物理信号采集以及实时通讯间的协调问题 考虑到硬件拟采用并行计算机，该计算机具有多个c p u ，因此需要运用实 时仿真工具将运算负荷分配到多个c p u 上运行，各个c p u 之间通过超低延时通 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 讯技术连接以满足系统实时性要求。r t - l 墟能够提供基于p c 平台的最优秀的 硬实时性能，以确保并行计算时不会改变模型的行为，不会引入实时干扰或者造 成死锁。因此，整个仿真系统的实时性问题是课题研究中的又一关键技术。 1 4 论文章节安排 第一章是绪论部分，主要阐述论文研究背景、意义、飞机刹车系统在控制和 仿真方面的研究现状、论文的主要研究内容和关键技术等。 第二章介绍多轮系飞机刹车系统的组成结构，分析刹车系统的工作原理，并 对多轮系飞机刹车系统进行建模 第三章采用双通道控制方法，对多轮系刹车系统进行平衡调节与防滑控制。 提出一种基于神经网络的飞机刹车系统防滑控制律设计方法。首先介绍神经网络 的基本原理及其算法的实现流程，之后使用神经网络系统对现有的刹车控制律进 行优化改进，最后给出仿真结果。 第四章在介绍半实物仿真系统组成和结构的基础上，结合半实物仿真项目的 具体要求，对飞机刹车半实物仿真系统进行方案设计 第五章针对半实物仿真系统要求，研究仿真软件的设计方法，主要包括系统 模型的编辑和编译、仿真节点的分配和模型的加载运行、实时通讯模块的实现和 仿真操作界面的设计。 第六章在半实物仿真平台上，对某型飞机在干跑道、湿跑道和冰跑道三种情 况下进行半实物仿真实验研究，以验证仿真平台的真实性和有效性。 第七章对论文的研究工作进行总结，并对今后的研究方向进行展望。 6 西北工业大学硕士学位论文 第二章多轮系飞机刹车系统的组成和建模 第二章多轮系飞机刹车系统的组成和建模 多轮系刹车系统是指一个主起落架为支柱的带有多个机轮的刹车系统( 这 里所指多轮系只考虑4 轮以上结构，一般大型飞机有4 轮系，8 轮系甚至1 6 轮 以上轮系) 。本章主要对4 轮系飞机刹车系统进行建模研究。 2 1 系统的组成结构 2 1 1 系统的组成 多轮系刹车系统的组成和单机轮刹车系统组成基本相同。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。图2 1 所示为典型的两 通道刹车系统的组成原理图，为了简单起见，图中仅画出左右起落架下一对机轮 的工作情况，其它每对机轮的工作情况与此相同。其中虚线部分为防滑控制系统。 霸板翁譬蘩定 刹孳= 瓣 鬻术装键 尼铡l ：辘 结弁力钕 - - 一 、- 一 靠辅t 齄 蚰奋力鹫f 图2 1 刹车系统的组成 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，输出控制电流给液压伺服阀，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的作用到动静盘上，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刹车力矩，使机轮制 动，实现飞机的刹停。 7 西北工业大学硕士学位论文第二章多轮系飞机刹车系统的组成和建模 一个典型的刹车系统组成如图2 2 所示，包括一个双通道的刹车力测量阀， 两个双通道的防滑阀( a s v ) ，两个轮速传感器( w s t ) ，以及一个刹车控制单 元( b c u ) 。还需要一个已加压的压力源来提供紧急情况下的刹车压力。 左主机艟奢主执抢 图2 2 典型刹车系统结构 2 1 2 刹车系统的结构 2 1 2 1 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。进油口接飞 机主液压系统油源，回油口接回油管路，刹车口输出刹车油源。刹车阀的主要构 成部件有阀芯、阀套、壳体和弹簧四部分。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，从而限制了输送给刹车装置的最大刹车压力，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 西北工业大学硕士学位论文第二章多轮系飞机刹车系统的组成和建模 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阀一脚踩到底；输出最大刹 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，在防 滑刹车系统中，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，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 1 2 2 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。 ( 2 ) 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，它接受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 9 西北工业大学硕士学位论文第二章多轮系飞机刹车系统的组成和建模 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。 飞机在着陆滑跑过程中，地面运动会出现如下三种状态： l 、纯滚动状态：纯滚动状态是指飞机机轮在地面滚动而不滑动，这种状态 出现在飞机着陆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。 2 、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。 3 、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间， 是我们将要着重研究的正常刹车过程。 着陆过程中飞机制动能力( 从而决定跑道长度) 主要依靠受刹机轮轮胎与跑 道间的结合力矩。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， 并且存在着及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，由此而产生的摩擦力给飞机一个向后的拉力即制动力，即通常所说 的结合力，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；当结合力矩等于刹车力矩时，机 轮恒定转动，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，机轮滑移较小，这 时地面所提供给机轮的结合系数也比较小，所以产生的结合力矩不是很大，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l o o 。如 果继续提高刹车压力，使滑移率超过结合系数对应的最佳滑移率后，结合系数会 迅速衰减，这样容易使机轮滑移率达到1 ，从而导致飞机出现严重打滑。 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 1 0 西北工业大学硕上学位论文第二章多轮系飞机刹车系统的组成和建模 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 积水或者积雪跑道，路面就比较光滑，这种情况下刹车，就应更缓慢的增加刹车 压力。 2 3 多轮系飞机刹车系统模型的建立 多轮系刹车系统结构与单轮刹车系统的最大不同之处在于起落架的结构不 同，从而导致飞机和机轮的受力变得比单轮复杂。本节以四轮系起落架为例分析 研究，对多轮系刹车系统进行建模。 2 3 1 多轮系飞机起落架的结构及受力分析 图2 3 多轮小车式起落架的结构 图2 3 所示为多轮小车式起落架，车架上安放着成对的装在前后轴上的四个 机轮，轮轴静止地固定于车架地叉形接头上。支柱与车架之间的连接方式有两种， 分别为固接和铰接；对于固接形式，当起落架在跑道上遇到不平的凸起时，前机 轮由于受到撞击会使整个起落架抬起，前机轮受载增加，而后机轮可能不受力， 此时支柱上会受有附加的弯矩。对于铰接形式，当机轮着陆时，刹车引起的地面 摩擦力矩将车架绕铰接头逆时针旋转，使后轮组卸载，前轮组加载。为了解决这 一问题，需要加装“刹车平衡机构”来传递这一载荷。 西北工业大学硕士学位论文第二章多轮系飞机刹车系统的组成和建模 图2 4 多轮小车式起落架刹车平衡机构工作原理 刹车平衡机构如图2 4 所示由平行于车架2 3 的拉杆禾5 ( 与前、后轮组的 刹车盘相接) 、摇臂4 6 、受拉杆6 - 8 ( 与支柱及前轮刹车盘相连) 等组成。减震 支柱下铰接点l 与前轮轴2 的连线与6 8 杆的轴线交点应正好落在地面上。刹车 盘与轮轴通过花键刚性连接，轮轴穿过车架接头，相互间是铰接。前轮和后轮刹 车力矩的总作用力通过拉杆6 8 由支柱来承受，如果车架在刹车力b ，拉杆总 应力& 。和铰接点的反作用力r 。( 此力通过前轮轴l ，使作用于轮轴1 上的力得 到平衡) 作用下处于平衡状态，在力矩的作用方向上车架就不会相对于铰接点1 产生旋转，而且各机轮之间不会产生应力再分配。 根据作用于车架上诸力的平衡条件，可以列出力矩平衡方程； 对于铰接点1 ： 峨= 2 马2 三一2 胄3 。4 三一4 ，；日+ - 踞8 6 = o 其中 置：作用于前轮的反作用力； 焉。作用于后轮的反作用力； & 。拉杆6 - 8 的应力； b 单个机轮上的刹车力； 三前轮轴与支柱间的距离； 口拉杆6 8 和前轮轴2 之间的距离； 6 铰接点1 和拉杆6 8 之间的距离； 日铰接点1 到地面的垂直距离； 如果机轮之间不发生应力再分配，则下面等式成立： r l ，2 = r 3 。4 于是可以得到： 1 2 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 西北工业大学硕士学位论文第二章多轮系飞机刹车系统的组成和建模 & 。6 = 4 日日 ( 2 3 ) 对于前机轮轮轴2 ： m ：= s 。4 4 昂日= o ( 2 川 将( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式联立，可以得到： 皇：导( 2 5 ) 口疗 若刹车平衡机构能满足上述( 2 5 ) 式的关系，那么刹车时车架就不会旋转，载 荷可以均匀分配。 2 3 2 多轮系刹车系统模型的建立 2 3 2 1 飞机动力学模型 在建立多轮系飞机动力学模型之前，首先需要做如下假设： 第一，将飞机视为理想刚体，不考虑弹性变形，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，在飞机滑跑的六个自由度运动中，只考虑纵向，垂直和俯仰运动。 第四，假定所有受刹机轮的刹车机构性能一致，且同步控制。 飞机地面滑跑时的受力分析如图2 5 所示： 机体y 方向 图2 5 飞机滑跑受力分析 器 飞机地面着陆滑跑时的受力状况如图2 5 所示。飞机在着陆滑跑过程中受到 西北工业大学硕士学位论文第二章多轮系飞机刹车系统的组成和建模 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：纵向受力为：发动机剩余推力 ，空气阻力e 。阻力伞阻力足，作用于前轮的总摩擦力y b ：，作用于主轮 的总摩擦力y ，。；垂直方向受力为：飞机重力g ，升力y ，主起落架缓冲器的 支撑力用。册，前起落架缓冲器支撑力用，飞机触地瞬间地面对机体的 地面效应力疋；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： i 以= m o ，+ 巧) = 瓦一c o s 护乃。+ c o s 护0 ：，一g s i n 口一只一b ( 1 ) 2 ：b = f ( 口r 一国) = y + 用l + ，：h 2 i + 用2 2 + 一g c o s 口 ( 2 ) 【，护= 6 c o s 口2 ，+ b ( 日s + 日，) 一日( “+ 2 ，) 一瓦坼一口c o s 口i 1 ( 3 ) ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中，( 1 ) 是飞机机体在航向综合受力的牛顿运动定律表示，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示。( 3 ) 是飞机机体围绕重心发 生俯仰运动的综合力矩表达式。转动惯量j ，机体航向速度n ，垂至于机体航 向的速度巧。阻力伞到重心距离日。，发动机推力线到重心距离日，；为飞机机 体横向轴线和地面水平线之间的夹角口；其中， 1 矗= 巧+ k y 。矿以= 妄+ ，+ c i + s + 矿2 二 1 f s = 鼍j c 璐s s y 2y = 丢j c y 。s v 2 二二 矿飞机纵向滑跑速度置，发动机的推力速度系数 ，空气密度c ，飞机滑跑时的阻力系数 l * 阻力伞的阻力系数l r 飞机滑跑时的升力系数 s 机翼面积o s 阻力伞计算面积 j 1 发动机推力线距飞机水平轴下移距离 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 2 3 2 2 起落架模型 起落架是飞机主要的承重机构，在飞机着陆滑跑的过程中，机体的运动状态 要通过起落架对刹车系统的刹车及防滑性能施加影响，与此同时，机轮刹车防滑 系统又反过来通过起落架施加给飞机主体动态的作用力，不断改变飞机的运动状 态。考虑到刹车过程中，起落架受力情况的复杂性以及建立真实模型的困难性， 在建立理论模型时对其做合理的简化，假定扭力臂刚度足够大，忽略机轮相对于 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章多轮系飞机刹车系统的组成和建模 支柱和缓冲器的扭转自由度，故不考虑扭力矩，只考虑影响最为直接和明显的垂 直方向和纵向的作用力情况，并将其等效为垂直方向的缓冲特性和水平方向的横 向刚度删呻1 。 ( 1 ) 缓冲器模型 在不考虑气体的压缩温度变化的等温压缩条件下，缓冲器的数学模型可以简 化为一个质量一弹簧一阻尼系统，其受力主要分为等效弹簧力和等效阻尼力。以 下分别为前起落架缓冲器、左起落架缓冲器、右起落架缓冲器的受力关系，局， 咒，勘分别为前起落架和左右主起落架缓冲器相应的压缩量，其值与输入的y ， 咖他有关，印为缓冲器受到的机体载荷，其大小也等于起落架减震支柱对机体 的支撑力册。蝎，尬， 锄分别为前起落架和左右主起落架质量。n 为机轮 对起落架的支撑力。 f 印2 1 一只2 l = m 2 l 恐1印l 一巴l = m 蜀 ( 2 7 ) l 印2 2 一2 2 = m 2 2 托2励= k 石+ c k 为等效弹簧胡克系数，c 为等效阻尼系数，其中k 值可以根据绝热压缩 的热平衡方程求得，根据流体力学经典的局部压力损失理论，等效阻尼的阻尼系 数c 可由以下两个方程求得，其中e 、母为油腔正、反行程活塞面积；4 、4 为正、反行程主油孔( 阻尼孔) 面积；j 【。、x 。为正、反行程油液阻尼系数；s 。、 屯为正、反行程回油腔有效压油面积；彳。、彳。为正、反行程回油孔有效过流 面积。 c = 岛f x 。s ：3 ( 2 4 2 ) 一1 + 丘眦3 ( 2 如2 ) 一l 】( x 7 o ) ( 2 8 ) c = 一凡【妒( 2 4 2 ) 一1 + 玩越& 3 ( 2 如2 ) 一1 】( x 7 o ) ( 2 - 9 ) ( 2 ) 横向刚度模型 横向刚度模型描述了起落架在地面结合力作用下发生的航向震动变形。由于 起落架和飞机非刚性连接，在刹车力作用下会产生水平位移和角位移。对于悬臂 梁结构的支柱，其角位移非常小，可以忽略不计，只考虑水平位移影响。因此起 落架横向刚度模型可看作一个质量一弹簧一阻尼系统“，采用式( 2 1 0 ) 的等效 二阶方程表示： 而再百等而+ 向一如 ( 2 - 1 0 ) 1 胁2 + j 2 + 2 + 魅月胁+ s + 1 。 、 咖= 丢( 一如) ( 2 1 1 ) 如：轮轴处起落架变形引起的航向振动位移量：勋：动态刚度； 咖：轮轴处起落架变形引起的航向振动速度；缸h ：阻尼比；阡砸：固有频率； 西北工业大学硕士学位论文第二章多轮系飞机刹车系统的组成和建模 2 3 2 3 刹车力矩模型 刹车力矩模型包括刹车装置模型与三线滞环特性模块的组合，主要目的是实 现刹车压力到刹车力矩之间的转换，其输入为8 通道的刹车压力，输出为8 通道 的刹车力矩。此外，刹车装置的模型中还包括静力矩三线滞环模块。滞环特性的 成因如下： 为了保证机轮彻底卸除刹车压力，要求动静盘可靠分开，因此在动静盘之间 加一回力弹簧，回力弹簧可以在没有刹车压力的情况下推动静盘，通过预紧力使 动盘和静盘完全脱离，并保持动静盘之间存在一定的距离，刹车作动开始时，刹 车压力首先要克服回力弹簧的预紧力，走完这段空行程才能将动静盘压在一起， 然后产生刹车力矩，因此，刹车装置的静力矩特性产生了一个死区。加之由于诸 如活塞摩擦力等因素的影响又使得刹车静力矩特性曲线形成了一个比较特殊的 滞环“1 如图2 6 所示。 q p sp 如( p 咄) 仇 ，瓴+ 鲁 帆 仇+ 等 p p ( 2 _ 1 2 ) m 。 耶脚o + 鼍 州p 确h + 鲁 m ，时，机轮加速，但最大不会超过自由滚动时的机轮速度； 当m ， 其中：一为基准速度，f 为转换点处的机轮速度，为机轮速度，口为参 考速度的减速率。 西北工业大学硕士学位论文第三章多轮系刹车系统防滑控制律设计 设机轮的目标速度为： “) ：竖塑二竺 一 b 式中，( f ) 为机轮期望转速， 为飞机速度，哆为期望滑移速度，b 为 机轮滚动半径。 定义机轮实际速度n 缸) 与期望速度o ) 之差为输入变量误差p ，则 “f ) = 国4 ( f ) 一( f ) 式中，韵为误差变化率。 控制的目的就是使机轮速度) 能跟踪期望速度。 采用单输入，单输出的控制系统。输入变量为滑移速度即机轮速度与基准速 度之差，输出为液压伺服阀的松刹电压u 。控制框图如下： 图3 4 基于神经网络的刹车控制框图 速度差信号分别引入比例级( 尼) 、b p 神经网络级和p 叫级。比例级起瞬时 控制的功能，当速度偏差太大，机轮开始过度滑移时，提供快速及大幅度的刹车 压力调整。b p 神经网络级是本控制系统中非常重要的一级，对输入的速度差信 号进行网络训练与学习，通过对网络权值和阈值的调整，以输期望的控制信号。 p b m 偏压控制级主要是对速度差信号进行时间积分，使刹车平均压力缓慢改变， 直到保持刹车压力在最优水平附近。这三部分的输出经过综合累加，产生一混合 信号，驱动液压控制系统，对机轮的刹车压力进行控制，从而控制机轮转速。 在b p 神经网络的构建中，实验数据、网络结构、学习速率以及动量因子的 选取，对系统的影响十分重要。下面给出选择依据“： ( 1 ) 实验数据的选取 网络的训练时间与训练数据的多少有关，而且在仿真过程中应尽量减少实验 量，所以应对数据进行优选，尽量选择较少的数据。但是在选择数据的同时，也 必须使其满足以下几点：数据组必须包括所有模式，训练数据组是由一个训练样 西北工业大学硕士学位论文第三章多轮系刹车系统防滑控制律设计 本组成，一个训练样本是一组输入输出数据，只有当训练数据越丰富、越全面时， 经过训练后的网络性能才会越好；设计训练样本时要避免人为因素的干扰，选择 训练样本时，要注意各种模式间的平衡。 通过观察实际飞机刹车过程曲线和使用传统控制律时滑移率的曲线结果，根 据其有特征数据点，结合控制器所需，选择输入输出数据。为了缩小数据训练范 围，便于网络训练，在本系统中，对实验数据进行了归一化处理，将每组数据都 变为1 到l 之间的数。在对数据进行归一化处理的过程中，必须保持各数据的相 对位置不变。因为神经网络的训练都是采用离线训练的方式，故对目标数据进行 归一化处理后( 只是在训练网络实采用) ，再将神经网络模块运用到原系统中进 行控制时，必须使其符合原始数据值的模式。 ( 2 ) 网络结构的选取 对b p 网络来说，结构的选取就是要确定网络的层数、每层的节点数、节点 的响应函数。对于具体实例，输入和输出数据确定后，网络的输入层和输出层节 点数即可确定。只是隐层及其节点数比较难确定。原则是：尽可能选用较小的隐 层节点数，以使网络结构尽量简单。若要求逼近的精度高、非线性程度高，则节 点数多；反之就少。一般先设置较小的节点数，对网络进行训练，并测试学习误 差，然后逐渐增加