（电力电子与电力传动专业论文）飞机防滑刹车控制器测试系统的研究和设计.pdf

要些! 些盔兰堡主堂堡堡苎 竺! ! 璺曼 a b s t r a c t 舡t h em a i na i r b o r n ed e v i c e ，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 m p l a y s a v e r y i m p o r t a n tr o l ei n a i r c r a f tb r a k i n gs y s t e m t og u a r a n t e et h ea i r c r a f t s e c u r i t y ，i t i s i m p e r a t i v e t o d e s i g n h i g h l ye f f e c t i v ea n dr e l i a b l ed i g i t a l a n t i s k i d b r a k i n g c o n t r o l l e r t ot e s ta n t i 。s k i db r a k i n gc o n t r o l l e rw o r ks t a t u s ，t oe n h a n c eb r a k i n gs y s t e m r e l i a b i l i t y ，t h e ni ta p p e a r se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt od e s i g na n t i s k i db r a k i n gc o n t r o l l e r t e s ts y s t e m f i r s t l yt h ep a p e rn a r r a t e sd e v e l o p m e n ta n dw o r kp r i n c i p l eo fa n t i s k i db r a k i n g s y s t e m a n t i s k i db r a k i n gc o n t r o l l e r sc o m p o s i t i a n 、c o n t r o lm e t h o da n dd e s i g n p r o p o s a li ss t u d i e d ；f i n a l l yt h er e a l i z a t i o np r o c e s so fa n t i - s k i db r a k i n gc o n t r o l l e rt e s t s y s t e mi se l a b o r a t e di nd e t a i lb yt w op a r t so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e c o m b i n i n gt h ep o p u l a rv i r t u a l t e s t t e c h n o l o g y , t h ep a p e re l a b o r a t e sw i t h e m p h a s i sd i s t a la n t i - s k i db l a k i n gc o n t r o l l e r t e s t s y s t e md e s i g nt h o u g h ta n dt h e o v e r a l ls t r a t e g y ，d e s i g n sa i r c r a f ta n t i s k i db r a k i n gc o n t r o l l e rt e s ts y s t e mi n f o r m a t i o n g a t h e r i n ga n dp r o c e s s o r b a s e do nm i c r o p r o c e s s o r8 0 c 1 9 6 k b ，r e a l i z e st e s ta n d e x a m i n a t i o nr e s u l tv i r t u a ld e m o n s t r a t i o no nt h ep c t h ep a p e re l a b o r a t e sw i t h e m p h a s i sp r i n c i p l ea n df u n c t i o no fc o n t r o l l e rt e s ts y s t e mc i r c u i t b yu s i n gt h e m o d u l a r i z a t i o n ，t h es o f t w a r ei m p r o v e st h er e a d a b i f i t y , t e s t a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y t h r o u g nt e s t ，t h et e s ts y s t e mc a na c h i e v et h ed e s i g nt a r g e , m a ys a t i s f yt h e a i r p l a n eb r a k i n gs y s t e mc o n t r o l l e re x a m i n a t i o i ir e q u e s t 。e n h a n c et h ea u t o m a t i c i t yi n t h ev e r yg r e a td e g r e eo ft h ea i r c r a f ta n t i s k i db r a k i n gc o n t r o l l e r ，e n h a n c e st h es y s t e m t e s te f f i c i e n c ya n dt h et e s tu n i f o r m i t y k e yw o r d s ：a n t i s k i db r a k i n g ，t e s ts y s t e m ，v i r t u a lt e s ts y s t e m ，c o n t r o l l e r 西北工业人学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章首先简要叙述了课题研究的背景，回顾了防滑刹车系统的发展历程，然 后详细介绍了测试系统的发展，最后在此基础之上给出了本课题研究的目的、意 义及主要工作。 1 _ l 课题研究的背景 飞机防滑刹车系统作为飞机重要的机载设备，对飞机的起飞、安全着陆起着 重要的作用，刹车系统性能的好坏直接影响到飞机及机载人员的安全。由于飞机 着陆过程持续的时间比较短，所以要求防滑刹车系统必须安全、可靠、反应迅速， 确保飞机安全刹车。 随着时代的发展，飞机的起降速度大为提高。应用防滑刹车系统最初的目的 便是防止机轮抱死，减少轮胎磨损，除了上述两点要求之外，防滑刹车系统还必 须以最短的距离刹停飞机。这个要求在正常条件下是可以满足的，但对于军机而 言，经常在恶劣的条件下起飞、着陆，如机场周围有比较大的侧风，跑道积水较 深以及冰雪覆盖着跑道，这些都对防滑刹车系统提出了更高的要求。 随着飞机对安全可靠性的更高要求，且飞机刹车系统是一个复杂的系统，例 如运行环境的变化和非线性等等，许多学者专门对防滑刹车系统的非线性进行了 研究，其刹车过程受到跑道状况、轮胎压力、刹车盘温度等诸多因素的影响。所 以，希望提供一种方便测试防滑刹车控制器的方法，能够在飞机非刹车状态下， 对控制器进行有效性的测试，使防滑刹车系统安全、可靠、反应迅速，确保飞机 安全刹车。本课题便是在这样的背景之下展开的。 1 2 防滑刹车系统的发展 国外最早的防滑刹车系统是以俄罗斯为代表的惯性防滑刹车系统，惯性防滑 刹车系统最大的优点是可靠性高，至今仍受到世界上许多国家的青睐，俄罗斯至 今仍在它的新型飞机上装备这种防滑系统。但是这种系统刹车效率低，着陆距离 西北工业大学硕士学位论文 第章绪论 长和刹车不平稳。二十世纪四十年代初，美国和英国开始了电子防滑刹车系统的 研制，最著名的是美国h y d r o a i r e 公司的m a r k 系列和英国的o s c a r 系列，这两 大系列中又以i a r k 系列更为典型。 从二十世纪至今已经历了好几代，m a r k 系列从最初的m a r k i 型已经发展到 目前最先进的m a r k v 型。它安装在波音b - 4 7 飞机上，最初的目的是防止飞机在 刹车过程中爆胎以及用来减少轮胎磨损，m a r k i 型为机械式一惯性防滑刹车系统， 使用继电式开关控制，但无法仔细区分跑道表面的状况以及机轮的打滑程度，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，这种系统的刹车 效率较低，在1 9 6 0 年被调节式m a r k i i 型代替。 m a r k i i 型使用机轮速度传感器来测量机轮的速度，并且使用微分电路得到 机轮的速度变化率。m a r k i i 型在干跑道上具有良好的性能。 二十世纪六十年代初期，为了适应飞机大推力、大载荷和高降落速度的要求， 美国又推出了m a r k i i i 型，它是基于模拟信号的闭环反馈控制系统，具有非常精 确的机轮速度检测机构，轮胎打滑误差检测机构，压力偏调，相位补偿等，与 m a r k i i 型相比，m a r k i i i 型的控制律做了本质的变化， 近几年来，由于微电子技术的飞速发展，单片微控制器的不断出现，不但使 许多复杂的控制规律能够实现，成品的可靠性和可维护性增加，而且使整个飞机 刹车系统自动化程度提高，所以，电子防滑刹车系统的数字化将是刹车系统发展 方向之一。目前国外在一些飞机上已经使用了数字式防滑刹车系统。 四十多年来，为了适应飞机推力、载重、降落速度的不断变化，国外防滑控 制系统已从以m a i l ( i 型为代表的继电式开关控制、历经m a r k i i 型、m a r k i i i 型 等模拟式机轮减速度或滑移误差控制系统发展到目前的数字式多余度滑移速度 误差压力偏调型电子自动防滑控制系统。通过不断发展完善已经使飞机在不 同气候条件下基本上满足对刹车系统的要求。 我国在引进消化吸收的基础上，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、湿、 冰跑道情况下方向可控性及刹车效率下降等) 。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电子防滑刹车系统，其中仿美m a r k i 的速率 系统，已运用于运十飞机上，经过长期的飞行考验，各项指标均达到设计要求， 西北工业大学硕士学位论文 第一。章缔论 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电子防滑液压刹车系统。在运卜 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 一1 飞机选用，并在运七飞机上 进行了长时期使用和飞行考验。 我国的防滑刹车系统从机械防滑发展到模拟电子防滑，目前已开始向数字电 子防滑刹车系统迈进，并且已取得了一定的进展。 1 3 测试系统的发展 随着科学技术的飞速发展，航空航天设备、军用武器系统等高技术产品的复 杂程度日益提高，传统的人工检测维护手段已经无法满足现代化装备的支持保障 要求，自动测试系统( a t s ) 正逐步成为复杂系统与设备可靠运行的必要保证。 目前自动测试系统已经广泛应用于从产品研制、生产、存储到使用维护的各个环 节，在航空、航天、国防、交通、能源等重要领域发挥着关键的支持保障作用。 特别是航空机载设备a t e ( 自动测试设备) 技术，在国外已经发展许多年，美军 对a t e 十分重视，8 0 年代后更进一步规范了a t e 的发展。主要表现为美空军的 m a t e ( 模块化自动测试设备) 发展计划、美海军的c a s s ( 综合自动支援系统) 发展计划、美陆军的i f t e ( 内场战场测试设备) 发展计划，通过这些计划规范了 a t e 设备的标准，统一了测试软件、检测接口的要求，保证了在一个基地或一个 军种内a t e 设备的标准一致性、互换性一致。 由于传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理 十分困难。且传统仪器体积相对庞大，而利用集成的虚拟测量系统，不但简单， 而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。虚拟仪器强大的功能和价格 优势，使得它在仪器计量领域和教学科研领域具有很强的生命力和十分广阔的前 景。虚拟仪器由计算机、应用软件和仪器硬件组成，计算机与硬件模块又称为虚 拟仪器的通用仪器硬件平台，在这个平台上调用不同测量软件就构成了不同的功 能仪器。 在民用航空领域，自动测试设备技术已广泛应用于大型民航客机的维护过程 中，如法国宇航公司的a t e c 一5 0 0 系统、美国霍尼威尔公司的s t s 一1 0 0 0 系统。这 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 些测试系统的主体测试仪器普遍选用世界各专业仪器厂商提供的性能优越的专 门仪器，而系统的测试软件和被测对象与测试系统之问的对接接口适配器由公司 自身研制。这样做能够保证研制周期短、系统功能强、可靠性高、产品升级和技 术更新快积极扩展能力强。 1 4 课题研究的目的和意义 本课题基于陕西某航空单位的数字防滑刹车控制器，设计了与其配套的控制 器测试系统，并能扩展为通用的控制器测试系统，主要完成对防滑刹车控制器的 测试任务。由于飞机业的发展要求，对防滑刹车系统进行监测是符合刹车系统发 展趋势的，是航空单位高瞻远瞩的举动。 由于受到各行各业，特别是军事领域的强有力的需求牵引，近十余年来自动 测试系统和自动测试设备技术发展十分迅速。总体说来，采用自动测试系统是为 了达到这样的目的：高速、高效率的测试；快速诊断维护，提高装备的机动性； 高档复杂设备的综合检测及过程监视。本课题也正是为航空机载设备一飞机防滑 刹车控制器而设计的高速、高效率的控制器测试系统。 国内飞机防滑刹车控制器还没有一个完整的测试系统对其进行测试，只停留 在用信号发生器、示波器等工具人工直接进行测试校验，同时根据环境的需要， 能够通过手提电脑直接在现场对刹车控制器进行校验测试，所以开展本课题的研 究是有背景意义的，也是飞机防滑刹车系统的发展需要。 本课题研究目的是在深入了解数字式防滑刹车控制器的基础之上，进行控制 器测试系统的设计，以有效地提高飞机刹车系统的可靠性、提高刹车效率和飞机 对各种载荷状况、跑道状况、气候条件的适应能力。课题的意义在于为防滑刹车 控制器提供了一套完整的测试方案，对于提高飞机整体作战性能具有重要作用。 1 5 论文的主要工作 【1 1 绘出了飞机防滑刹车系统的工作环境，介绍了系统的结构和工作原理，明 确了防滑刹车控制器的基本参量和其控制架构。 【2 】分析了控制器测试系统的技术指标，搭建了硬件平台，并给出了电路设 计方案，对各部分电路的原理和功能进行详细的分析和介绍。 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 【3 】介绍了控制器测试系统的软件设计思想，并给出了总体框图和各部分程 序详细的设计流程。 4 对控制器测试系统软硬件的设计进行了总结，并为将来的进一步升级提 出了建议。 西北工业大学硕上学位论文 第二章防滑刹车控制 的组成及其控制方法 第二章防滑刹车控制器的组成及其控制方法 本章首先介绍了飞机防滑刹车系统的结构和工作原理，然后又详细介绍了飞 机防滑控制器的组成，以及现如今常用的控制方法和本控制器采用的方法，从整 体上把握飞机防滑刹车控制器的概念，这样的工作为进一步设计控制器测试系统 打下了良好的基础。 2 1 防滑刹车系统的结构和原理 飞机刹车制动主要依靠轮胎和地面间产生的结合力( 当驾驶员脚踩刹车，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，从而造成轮胎与地面之间的相对滑动，由此产生的摩擦力给飞机 一个向后的拉力即制动力，刹车系统中称其为结合力) 使飞机减速。结合力越大， 飞机刹车减速就越快，刹车距离就越短。当飞机刹车压力产生的刹车力矩大于地 面结合力矩( 地面结合力矩是指地面对飞机机轮产生的摩擦力矩) ，机轮便会打 滑，刹车机轮的速度降低，防滑系统在刹车压力控制单元和刹车力矩调节装置作 用下使得刹车力矩慢慢减小，从而机轮打滑解除；机轮打滑解除后，防滑系统又 会使刹车压力按一定规律上升，重新寻找与地面结合力矩相适应的刹车力矩，在 飞机着陆刹车过程中，防滑刹车系统就是这样周而复始不断重复工作，直到飞机 速度为零。 2 1 1 防滑刹车系统结构 由于飞机大小不同、功能各异，防滑刹车系统在物理实现上有较大差异，但 从共性来讲，飞机的防滑刹车系统有两大功能：飞机着陆时的刹车控制和防滑控 制。防滑刹车系统包括了机轮刹车调节系统和防滑控制系统两部分。 对于数字防滑刹车控制器系统来讲，防滑刹车系统的刹车和防滑很难严格划 分开来，具体讲包括减压阀、刹车控制器、电液伺服阀、刹车装置、机轮、机轮 速度传感器等。其组成原理结构框图如图2 1 所示。 西北t 业大学硕士学位论文 第二章舫滑刹车控制器的组j 垃及其控制方法 图2 - 1 防滑刹车系统的结构框图 某重型飞机的防滑刹车系统原理图见图2 2 。 薹嚣矗一【口b 粼粼雾， 刈塞羔璧垡k 、，j | i ，5 勰蒋答拇辩“蒋8 姆耥 i “l 赫精姆 一囊糊h 、 簇燃矬q 竺! ：竺卜 气豫薏l 率锋姆 ；舂赣升咒 耐掰冲审箍簿蚌、 、； r r i 渣孤瓣。虢鼗嶷救 l筋辩翻i 静制敬 hr 一 l 一j l l ，蜊 螺 忙 钵岛滤：母 雏5 。霸；锅专。i 嘲略| u m感棒j 图某重型飞机的防滑刹车系统原理图 ( 1 ) 刹车阀 刹车阀又称为刹车减压阀，它有进油口、回油口和刹车口三个进出口。进油 口接飞机主液压系统的油源，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、壳体和弹簧四个部分。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源压力降低一定 值，输出一个稳定的刹车压力，从而限制了输送给刹车装罱的刹车压力，也就限 西北工业大学硕士学位论文 第二章防滑刹车控制器的组成及其控制方法 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，减压弹簧使飞行员对刹车压力产生一定的位移感，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，而由防滑控制器来调节最终输送给刹车装置的 刹车压力。 ( 2 ) 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电信号，并以此代 表机轮速度传送给防滑控制器。控制器向速度传感器提供1 5 v d c 电源，机轮速度 传感器向控制器输入的正弦信号频率范围为0 3 k h z 。 ( 3 ) 防滑刹车控制器 控制器是整个刹车系统的核心控制部件，它接收指令传感器的刹车信号和机 轮速度传感器的速度信号，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。 ( 4 ) 电液伺服阀 飞机防滑系统执行部件一电液伺服阀为电流型元器件，由防滑控制器输出 的电流进行调节，并且直接接收来自油源的系统压力，它既是刹车调节系统的减 压阀，又是防滑控制系统的防滑阀。电液伺服阀的输出压力与控制电流成反比， 即数字防滑控制器输出的电流越大，输出的刹车压力越小，电流越小，刹车压力 越大。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。另外，由于系统的需要和结构设计的要求，伺服阀还有一个比较 小的死区，当控制器输出电流小于死区电流时，伺服阀的输出压力不会有任何变 化。 ( 5 ) 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，汽缸座活寨移动，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 西北工业大学硕士学位论文第二章防滑刹车控制器的组成及其控制方法 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 防滑刹车系统工作原理 当飞机着陆以后，防滑刹车系统开始工作，飞行员可以脚踩刹车到底，刹车 阀产生最大的刹车压力，防滑刹车控制器通过速度传感器检测当前的机轮速度， 并根据此时的落地开关、检测开关等状态和机轮速度，实施防滑操作，向伺服阀 输出一定的防滑电流。通过伺服阀的调压作用，再通过连接管路给刹车装置施加 一定的刹车压力，对机轮刹车。伺服阀输出的压力是刹车阀给它的压力和刹车控 制器的防滑信号的要求输出压力的叠加。它不同于电传结构的防滑刹车系统，电 传结构的防滑刹车系统由油源提供压力，输出的压力取决于防滑刹车控制器获得 的从指令传感器的得到的指令信号和防滑信号叠加后的信号。 2 2 防滑刹车控制器的总体组成 图2 3 是某型飞机的控制器的原理框图。 图2 - 3 防滑刹车控制器原理图 控制器中包含有参考电路、调压电路、偏压调节电路、速度反馈电路等。 参考电路产生一个与飞机速度相似的参考速度，若v 苫v r ，则矿= y ；若 vc k 则一；一。一a t ，a 为给定的参考减速率，一为当前参考速度，y 为机轮速 度，。为前一时刻的参考速度。 调压电路是一个函数发生器，用于克服铁基摩擦材料的“马鞍形特性”造成 的低速段刹车不平稳，此电路只在低速段有输出。 偏压调节电路：在加压时调节输出电流，控制刹车压力升压过程，使刹车压 9 西：l t t 业太学硕士学位论文 第二章防滑刹车控制器的组成及其控制方法 力在远离理想压力时快速升压，而在接近理想压力时，转入慢速加压状态，即此 时电流缓慢释放，以保证刹车平稳。 速度反馈电路：当机轮速度小于参考速度时，该电路输出高电平，产生一个 阀控电流，将机轮松刹。 该控制器充分发挥数字防滑刹车控制器调试方便、易改性强的优点，参考速 度，偏压调节都将由软件完成。 2 3 防滑刹车的控制策略 2 3 1 飞机防滑刹车系统控制方式 目前，国内外已装备的飞机防滑刹车系统的控制方式从大的方面来讲有三个 大的分支：滑移率控制、减速率控制和速度差加压力偏调控制。 滑移率控制是以滑移率为控制对象，当滑移率大于某一门限时，认为结合系 数已经超过了峰值，使控制器产生防滑信号，解除刹车压力。因此，这种控制方 法需要以飞机速度作为参考量，求得准确的机轮相对于飞机速度的滑移率，并且 应有多个参量变化对结合系数的影响曲线，才能实现准确的防滑控制，使刹车系 统的工作效率达到一个很高的值，而往往这又是比较困难的，所以为了保证系统 工作的安全性，都采用了比较保守的滑移率。欧洲的一些商用或军用喷气式飞机 采用的是滑移率控制防滑刹车系统。 减速率控制则只接受机轮速度传感器来的速度信号的变化量，并设定一门槛 值，认为当机轮减速率大于该值时，就说明机轮已经打滑，这时产生防滑信号， 使机轮解除刹车。减速度控制只接受机轮的减加速度信号，其主要弊端就是在解 除打滑动作开始后，因为减速率信号变为零，而机轮速度还没有恢复时，应让防 滑电流有一定的保持时间，使机轮加速，而该保持时间的取值是非常重要的，时 间太短，系统工作频繁，刹车效率极低，甚至不能解除翻车的打滑状态，时间长 了又可能没有及时恢复刹车而造成的效率损失，而且这种控制思想不能根据跑道 的变化对系统的参数进行适当的调整，因此对跑道的适应性较差，造成刹车效率 偏低。但是目i j 也有一些在此基础上发展起来的减速度控制系统，采用其它措施 解决了这些问题，最终得到的刹车效率也是比较高的。 1 0 西北工业大学硕士学位论文 第二章防滑刹车控制器的组成及其控制方法 波音飞机装备的m a r k 系列防滑刹车装置和我国自行研制的电子防滑刹车系 统生产的飞机采用的是速度差加压力偏调控制。速度差是指拟定的参考速度( 该 参考速度按照比飞机实际减速度大的某一速率衰减) 与机轮速度的差，并以此为 控制信号：偏压控制是指系统根据不同的跑道状态和打滑特性产生一个相对稳定 的输出分量，从而把刹车压力调节到一个比较接近能产生一个相对稳定的输出分 量，以提高系统的刹车效率。它的最大优点就是对跑道的适应性强，而且安全可 靠，预研投入相对较少。 文献【1 5 】对上述三种控制方式进行了详细的对比，n a s a 对各种控制方式的 刹车系统进行了试验，文献 1 5 q b 给出了几种防滑刹车系统的性能比较情况。在 几种控制方式上滑移率控制式的性能最好。一般情况下，可以将飞机自由滚动的 前轮速度作为机体速度，就能容易得到滑移率，控制相对简单，但由于飞机的即 时滑跑速度不易检测并且难以实时传输丽且目前飞机上没有为前轮专门配备速 度传感器，所以本刹车控制器采用了以参考速度代替飞机速度的速度差加压力偏 调控制方式，本论文的控制策略是在速度差加压力偏调控制基础上提出来的。 2 3 2 速度差加压力偏调控制实现原理 数字防滑刹车控制器的速度差加偏压控制原理图如图2 4 所示。 图2 4 速度差加偏压控制原理框图 飞机防滑刹车系统控制不同于一般控制系统之处在于它没有一个确定的参 考输入信号。机轮的速度信号作为输入信号，它却能改变参考速度的变化规律， 机轮速度作为输出信号，又对飞机的制动起着关键性的作用。我们控制的目的就 是让机轮在任何情况下都要保证其滑移量维持在一个合适的范围内，并力争使机 轮与跑道之间的结合系数达到最大，让飞机尽快制动。在没有飞机速度做参考的 情况下，牵涉到在何种机轮速度下就认为已经达到并超过了最佳滑移率，系统若 西北工业大学硕士学位论文 第二章防滑刹车控制器的组成及其控制方法 处于结合系数一滑移率曲线的负斜率区，且无法调整到正斜率区，这会导致飞机 胎损量增大，机轮完全抱死，最后飞机极u r 能丧失方向稳定性。这就是说我们设 计的系统中应能根据机轮速度的变化产生个参考信号，由该参考信号与机轮信 号作比较，以此作为控制系统的输入信号，由控制系统根据这个速度差输入信号 来决定应该对刹车装置采取什么样的动作。 参考速度并不是实际的飞机速度而是一个人为设置的参考基准，定义如式 ( 2 1 ) ： k 忙) = fk 忙一y 1 ) a k 一) 口互毳僻( k 一- 1 ) 1 ) 一- 日a - 乏：乏凄 q 一1 ) 其中： 一 ) 为当前参考速度；吒( 七) 为当前机轮速度； n 为参考速度的减速率；一( 七一1 ) 为前一时刻的参考速度； t 控制周期； 参考速度之所以这样设定的原因在于：实验证明，当参考速度按照飞机速度 进行设定时，防滑系统的解除打滑动作频率很高，导致防滑控制不稳定。参考速 度的减速率是一个很重要的参数，应根据不同的跑道情况做相应的调整。减速率 如果设置偏大，参考速度下降很快，则会使速度差偏小，并且不能保持足够的时 间宽度，让控制器及时做出反应，表现为系统不灵敏，不能及时解除机轮的打滑 现象，而减速率若设置偏小，参考速度下降变慢，速度差过大而且持续时间长， 造成控制器长时间地输出电流过大，机轮打滑解除速度过快，防滑电流高频振动， 伺服阀响应跟不上，造成刹车压力加不上去，不能充分利用地面所能提供的结合 系数，这样势必会造成防滑系统工作效率的降低。 以下是速度差加压力偏调控制方式的离散化方程： 速度差可写为 e ，= 0 ： ，一k ，凄：暑：瓷接； c 2 - z ， e ( k l 参考速度和机轮速度之差 比例级是一个带有门限的比例放大，门限的设置使系统具有一定抗干扰能 力，这一级对解除机轮较深的打滑起主要作用。即： 西北工业大学颂十学位论文第二章防滑刹车控制器的组成及其控制方法 ( ) = 0 ：，。 ) 一k ，) 恤) 为比例级的输出 k p 为比例放大系数 为比例级的门限值 ( 2 3 ) 微分级是对偏差变化趋势的预测，微分级在机轮打滑量突然变大时具有很强 的作用，可以迅速解除打滑即： ，t 麓。忙 ，一。 一， ，如：篆；：笼( 2 - 4 ) ) 。 。忙( 七) 一。 一1 ) ) 如。i ；七z k ( 七) 为微分级的输出 为微分级的放电倍数 吃代表微分级的门限 p b m 级也称为压力偏调级，它是控制器最为关键的一部分，刹车效率的提 高主要是通过这一级的放电特性的改善而取得的。本级要求，当速度差大于某一 门限时，p b m 级的输出应逐步增大，且误差小时增长率小，误差大时增长率大。 其功能实现分为三个部分：积分上升、常数上升、二次下降，并由两个门限进行 控制。其表达式如下 限 一”+ k j l 0 ) + e 仲一1 ) 一2 吒1 ) 0 墨e ( k ) 一k ，l 圪2 k ) t k 一1 ) + k i 2 t se 僻) 一吒1 苫圪：( 2 - 5 ) i v c o n s t 一蟛3x o x 乃) 2e ( k ) 一 o 6 v ，频率 f m a x = 2 7 5 0 h z ( 2 7 0 k m h ) 。整波电路就是将飞机速度传感器输出的正弦波信号转 换为同频率的方波信号，此方波信号再通过f 转换电路转换为与频率成正比的 电压信号，以便进行f d 转换。该部分的电路图如图4 - 8 所示。 图4 - 8 整波电路 币弦波信号从l f o u t 处输入，l m l 8 5 l p2 5 是微功耗两端带隙电压基准源， 西北工业大学硕士学位论文 第四章控制器测试系统的硬件设计 稳定输出电压为2 5 v 。工作电流范围为2 0 卅2 0 m a ，并且具有动态阻抗极低、 温度稳定性好的特点。7 f 1 5 8 是一个双通道通用放大器，整个电路中7 f 1 5 8 接成 正反馈方式构成具有施密特特性的比较器，l m l 8 5 l f - - 2 5 为放大器的输入端提 供基准电平，借此抬高比较电平来提高系统抗干扰能力。7 f 1 5 8 负端用一1 2 v 供 电，在于提高后级跟随器对0 v 附近电压的跟随精度。从图中可以看到。7 f 1 5 8 的砸端输入( 3 端) 和负端输入( 2 端) 的基准电平不一样，正端输入的基准电 压为7 5 v ，负端输入基准电压将7 5 v 经过电阻分压而得到，对低温漂移进行补 偿。c 1 、r 1 组成高通滤波器。c 2 是为除去放大器输入端的高频分量。从速度传 感器出来的信号从l f o u t 输入后，经过滤波并与7 5 v 相叠加，当输入电压高于 正端电压时，o u t 输出+ 1 5 v 电平，反之，输出一1 2 v 的电平。整波电路的工 作波形见图4 9 。 ( 2 ) f v 转换电路 r n ( 频率电压) 转换的作用是把频率信号转换为与其成比例的直流电压信 号。l m 3 3 1 ( 军品l m l 3 1 a h ) 是美国n s 公司生产的性能价格比较高的集成芯 片，可用作精密频率电压转换器、a 仍转换器、线性频率调制解调器、长时问积 分器及其他相关器件。l m 3 3 1 采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作 温度范围内和在低于4 0 v 电源电压下都有极高的精度。l m 3 3 1 的动态范围宽， 可达1 0 0 d b ；线性度好；最大非线性失真小于o 0 l ，工作频率低到0 1 h z 时仍 有较好的线性，变换精度高，数字分辨率可达1 2 位；外接电路简单，只需接入 o v 7 0 ￥ o v n t l l 再v t 1 v l 睁舞；兰：帮篡豫琶箩一 4 - 9 整波电路：作波形 西北工业大学硕士学位论文 第四章控制器测试系统的硬件设计 几个外部元件就可方便构成v ，f 或f ，v 等变换电路，并且容易保证转换精度。 其逻辑框图如图4 1 0 所示。 图4 - 1 0l m 3 3 1 逻辑框图 由输入比较器、定时比较器、r - - s 触发器、输出驱动管、复零晶体管、能 隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。输出驱动管 采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉 冲的逻辑电平，以适配t t l 、d t l 和c m o s 等不同的逻辑电路。l m 3 3 1 可采用双电 源或单电源供电，可工作在4 o 4 0 v 之间，输出可高达4 0 v ，而且可以防止v c c 短路。 l m 3 3 1 构成的f n 转换电路如图4 - 1 1 所示。 输入脉冲f 1 经r 2 5 、c 1 7 组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。输 入比较器的同相输入端经电阻r 2 6 、r 2 7 分压而加有约2 v c c 3 的直流电压， 罩 图4 1 1f n 转换电路 反相输入端经电阻r 2 5 加有v c c 的直流电压。当输入脉冲的下降沿到来时， 经微分电路r 2 5 、c 1 7 产生一负尖脉冲叠加到反相输入端的v c c 上，当负向尖脉 旦堕垦三些! ! 兰塑兰兰堡篓苎 兰型里丝型堂型堕墨竺塑堡堡堡生 冲大于v c c 3 时，输入比较器输出高电平使触发器置位，此时电流开关打向右边， 电流源i r 对电容c 1 9 充电，同时因复零晶体管截止而使电源v e t 通过电阻r 2 8 对电容c 1 8 充电。当电容c 1 8 两端电压达到2 v c c 3 时，定时比较器输出高电平 使触发器复位，此时电流开关打向左边，电容c 1 9 通过电阻r 3 0 放电，同时，复 零晶体管导通，定时电容c 1 8 迅速放电，完成一次充放电过程。此后，每当输入 脉冲的下降沿到来时，电路重复上述的工作过程。从前面的分析可知，电容c 1 9 的充电时间由定时电路r 2 8 、c 1 8 决定，充电电流的大小由电流源i r 决定，输入 脉冲的频率越高，电容c 1 9 上积累的电荷就越多输出电压( 电容c 1 9 两端的电压) 就越高，实现了频率一电压的变换。 频率一电压的转换公式为： v f = f l + 2 0 9 v 4 罢+ r 3 0 + c 1 8 r 2 9 电容c 1 7 的选择不宣太小，要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度来触发输 入比较器，但电容c 1 7 小些有利于提高转换电路的抗干扰能力。电阻r 3 0 和电容 c 1 9 组成低通滤波器。电容c 1 9 大些，输出电压v 。的纹波会小些，电容c 1 9 小些， 当输入脉冲频率变化时，输出响应会快些。这些因素在实际运用时要综合考虑。 4 4 模拟机轮速度信号产生电路 如前文所述，机轮模拟速度的给定有三种途径：电位器模拟给定、单片机数 字给定和通过上位机设定。第一种的模拟信号可以直接输入到压频转换器l m 3 3 1 中；第二和第三种方式产生的信号则需要经d a 转换电路后，再输入到l m 3 3 1 中。 ( 1 ) 压频转换电路 其电路图如图4 1 2 所示。 其工作原理简述如下：当输入端7 输入一正电压v 1 时，输入比较器输出高电 平，使r s 触发器置位，q 输出高电平，输出驱动管导通，输出端f 0 为逻辑低 电平，同时，电流开关打向右边，电流源i 。对电容c 7 充电。此时由于复零晶体 管截止，电源v c c 也通过电阻r 6 对电容c 1 3 充电。当电容c 1 3 两端充电电压大 于v e t 的2 3 时，定时e b 较器输出一高电平，使r s 触发器复位，q 输出低电 平，输出驱动管截止，输出端f 0 为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容 c 。通过复零晶体管迅速放电；电流开关打向左边，电容c 7 对电阻r 7 放电。当电 堕! 生些查堂堡主兰堡堕塞 塑堕童丝型璺型亟墨堕塑堡壁塑塑 圈4 - 1 2v 腰转换电路 容c 7 放电电压等于输入电压v 1 时，输入比较器再次输出高电平，使r - - s 触发 器置位，如此反复循环，构成自激振荡。设电容c 7 的充电时间为t 。，放电时间 为t z ，则根据电容c 。上电荷平衡的原理有： ( i 。一v 。r 7 ) t 。= t 2 v 。j r 7 其中，k 为电容c 7 两端的电压。 从上式可得： f o = l ( t 。十t ：) = v l ( r 7 l c l i 。t 。) 实际上，该电路的v l 在很少的范围内( 大约l o m v ) 波动，因此，可认为v r - v i ， 故上式可以表示为： f o = = v l ( r 7 i 。t 。) 可见，输出脉冲频率f 。与输入电笨v l 成正比，从而实现了电压频率变换。 式中i n 由内部基准电压源供给的1 9 0 v 参考电压和外接电阻r 8 决定， i r _ 1 9 0 r 8 ，改变r 8 的值，可调节电路的转换增益，t 由定时元件r 6 和c 1 3 决 定，其关系是t = 1 1 r 6 c 1 3 ，典型值r 6 = 6 8 k q ，c 1 3 = 0 0 1uf 时t i = 7 5 ps 。 由l = v 1 ( r 7 i x t ) 可知，电阻r 8 、r 7 ：r 6 和电容c 1 3 直接影响转换结果f o ， 因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电容c 6 对转换 结果虽然没有直接的影响。但应选择漏电流小的电容器。电阻r 4 和电容c 1 3 组 成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。 ( 2 ) d a 转换电路 本控制器的d a 转换器件选用a d 5 5 8 ，它是一个并行8 位数模转换器，内 部包括输出滤波器，完善的微处理器接口和高精度电压参考源，不需要外接器件 西北工业大学硕士学位论文 第四章控制器测试系统的硬件设计 或微调部件。其内部结构参见图4 1 3 。 它具有以下特点： 8 位1 2 l 输入寄存器，具备微处理器相兼容的控制逻辑，使a d 5 5 8 。u 直 接与8 位或1 6 位数据总线相连。 单片激光微调薄膜电阻能对a d 5 5 8 的绝对精度和线性度进行校准。 内部配备精密低电压能带隙参考源，无需外接独立参考源。 电压开关结构连同高速输出滤波器和激光微调电阻使得用户可选择o + 2 5 6 v 或o + 1 0 v 输出电压。在两个范围内，电路能在最短过渡时间内得到 内部补偿，是在8 0 0 n s 时间内，对全刻度2 5 5 v 电压典型值补偿值1 2 l s b 。 a d 5 5 8 采用单电压供电，供电电压范围为+ 4 5 v 十1 6 5 v 。 c o n t r o ld i g i t a li n p u td a t al b u s i n p u t s ，。，k 。，、 。一。甚名、。轺基墓基菪薹誉荟鏊骷8 + v 。 r o u t v o u t s e n s e a v o u t s e l e c t 图4 - 1 3a d 5 5 8 内郡结构图 a d 5 5 8 的配置让用户使用非常方便，内置参考，输出放大器和逻辑连接，除 此以外，所有校准微调在出厂就已完成，以确保指定精度，用户不需要对它调整。 用户唯一需要做的就是跳线选择输出电压范围。o v + 2 5 6 v 输出需采用在4 5 v 到+ 1 6 5 v 范围内的电压供电。o v + 1 0 v 输出采用+ 1 1 4 v + 1 6 5 v 的供电电 压。a d 5 5 8 内置数据输入锁存器，简化与8 位和1 6 位的数据总线接口。a d 5 5 8 的 控制逻辑时序见图4 一1 4 。 西北工业大学硕士学位论文 第四章控制器测试系统的硬件设计 疆 帮 o c 触协 图4 1 4a d 5 5 8 控带0 逻辑时序图 本控制系统中，两个a d 5 5 8 的数字量输入均由8 0 c 1 9 6 k b 的p 1 口给出，其 选通信号由p 2 口的相关口线分别给出。 4 5 d 转换参考电压产生电路 8 0 c 1 9 6 k b 的集成刖d 转换器由一个8 通道的模拟多路转换开关、一个采样 保持电路、一个1 0 位逐次逼近型a d 转换器、a d 命令寄存器、a d 结果寄存 器和控制逻辑等组成。 为了完成实际的a d 转换，8 0 c 1 9 6 k b 采用了逐次逼近法。转换器的硬件包 括：一个2 5 6 级梯形电阻网络、一个比较器、耦合电容、一个1 0 位逐次逼近寄 存器和一个控制逻辑。当参考电压。= 5 1 2 v 时，电阻网络的阶梯为2 0 m v ，而 采用耦合电容后，在2 0 m v 的梯形电压内又形成了5 m v 的阶梯。因此，有1 0 2 4 级的内部参考电压可用来与模拟电压作比较，形成了1 0 位转换结果。 逐次逼近的基本原理是：把一个以二进制规则变化的参考电压序列逐次与模 拟输入作比较，以寻找一个与输入最接近的参考电压。 a d 转换器的模拟参考电压为p 名。，输入电压应在0 - p r 置。范围内。p 名。应保 持在k 。0 3 v 范围内，而k 。；5 o 5 v 。电源应能提供5 m a 左右的电流。 a d 转换是比率式的，当输入电压与。之比为1 时，转换结果为十位全1 。 般情况下，输出结果为1 0 2 3 ( 输入电压一a n g n d ) ( p k f a n g n d ) ，其中a n g n d 为模拟地电压。由此可阻看出。和a n g n d 对转换精度的影响。当输入信号取自 1 西北工业大学硕士学位论文 第四章控制器翘4 试系统的硬件设计 比率式传感器( 即输出与电源电压成正比的传感器) 时，提高精度的最好办法是 传感器ia d 转换采用同一电源，这时可与k 。相连。 技术条件中的a d 转换器的精度为0 0 0 4 。，综合非线性度为 0 0 0 4p 么口。为了保持较高的a d 转换精度，k 。最好是分开供电，若与k 。共 电源，也要分开引线。a n g n d 引脚应尽量靠近电源端