（电力电子与电力传动专业论文）飞机刹车系统的建模与地面结合系数的研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 飞机刹车系统的建模与地面结合系数的 研究 ab a s t r a c t a lo n g w i t h s c i e n c e t e c h n i c a l p r o g r e s s a n d d e v e lo p m e n t s , a i r c r a ft i s j u s t t o w a r d s t h e m o re s a f e , h i g h d e p e n d a b l e , h i g h t e c h n i q u e d i re c t i o n d e v e l o p m e n t . a n d t h e a n t i s k i d b r a k e s y s t e m i s a n i m p o r ta n t m a c h in e o f a i r p l a n e t o c a r r y t h e e q u i p m e n t s , a s t o i f s d e s i g n t h e r e q u e s t i s a l s o m o r e a n d m o r e h i g h . i t i s s i m u l a t e d i n t h e ma t l a b / s i m u l i n k . t h e g r o u n d a d h e s i o n c o e ff i c i e n t - s l i p r e l a t i o n i s a n al y s e d a n d r e s e a r c h e d 勿 t w o m e t h o d s . f i r s t l y , a i m i n g a t p a c e j k a m o d e l , t h e r a n g e o f t h e p a r a m e t e r b ,c ,d a n d e ff e c t s o n t h e p a c e j k a c u rv e s s h a p e s i s d i s c u s s e d . s e c o n d l y , n o n - l in e a r i t y c h a r a c t e r i s t ic o f g r o u n d a d h e s i o n c o e f f i c ie n t - s l i p i s r e s o lv e d b y b p n e u r a l n e t w o r k , t h e d a t u m m e a s u r e d o n t h e t e s t - b e d a r e d r e w u p , a n d r e l a t i o n o f c o e ff i c ie n t - s l i p i s s o u g h t f i n e l y . s e c o n d ly , a i m a t e a c h d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c f o r t h e r u n w a y a n d t i r e , w h e e l a n d c o n s t it u t e o f a i r p l a n e s , t h i s p a p e r s e t s u p t h e g r o u n d a d h e s i o n c o e f f i c ie n t - s l i p m o d e l , a i r p l a n e d y n a m i c s m o d e l , t h e l a n d i n g g e a r s m o d e l , t h e b r a k e e q u i p m e n t a n d t h e fi r e m o d e l e t c . m o r e o v e r , t h i s p a p e r s i m u la t e s 勿b p m c o n t ro l m e t h o d , g i v e s a n d a n a ly s e s r e s u l t s o f t h e d ry , t h e w e t , t h e s n o w r u n w a y , t h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e m o d e l e s t a b l i s h e d i s b a s i c a l l y r a t i o n a l a n d c o r r e c t , t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c is r e fl e c t e d . t h e b r a k i n g p e r f o r m a n c e a r e i m p r o v e d g r e a t l y , a n d t h e t h e o ry f o u n d a t i o n i s p r o v i d e d f o r t h e b r a k e e ff i c i e n t . w i t h t h e h e l p o f f u n c t i o n o f m a t l a b g u i , t h e p a p e r d e v e l o p s t h e s i m u la t i n g s o ft w a r e p a c k a g e o f t h e a i r p l a n e a n t i s k i d b r a k e s y s t e m， m a k e s u s e o f t h e s k e t c h i n t e r f a c e t o s e l e c t m o d e l , m o d i f i e s c o n t r o l a b o x o f p a r a m e t e r a n d c a r ry o n s i m u l a t i o n . i t p r o v i d e s g o o d s i m u l a t i o n f o u n d a t i o n f o r m o r e r e s e a r c h a n d d e s i g n t h e c o n t r o l l a w o f t h e a i r c r a ft b r a k e s y s t e m k e y w o r d s : a n t i- s k i d b r a k e s y s t e m， g r o u n d a d h e s i o n c o e f f ic i e n t , s l i p , b p n e u r a l n e t w o r k 西北工业大学硕 卜 学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题背景 航空机轮和刹车装置是保证飞机正常起飞、 着陆的重要组成部分， 其性能品 质的检验是保障飞机安全飞行的重要措施。 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的快速反应、 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。 由于飞机着陆过程持续的时间比较短( 大约2 0 秒左右) ， 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。 特别是对于军用机， 很可能 要在恶劣的条件下起飞、着陆，例如机场周围有比 较大的侧风;跑道积水较深; 冰雪覆盖着的跑道， 这些都对防滑刹车系统提出了更高的要求。 因此， 要求防滑 刹车系统保证飞机短时间内 在各种跑道上安全着陆的难度相当大。 防滑刹车系统的性能受很多因素的影响， 如飞机速度的变化、 轮胎的充气压 力、 跑道表面是否开槽、 跑道表面的状况， 其中跑道表面状况主要指: 跑道表面 是否积水， 是否是冰雪跑道等等。 从本质上讲， 这些因素影响的都是飞机受刹机 轮的轮胎与跑道表面摩擦系数， 通常为结合系数。 由于地面结合系数和滑移率的 关系受太多因素的影响， 很难建立起精确的模型， 所以对防滑刹车系统的优化设 计提出了比 较大的难题。 加之， 轮胎又是飞 机动力学研究中的关键因素， 除了空 气气动力外， 还有其它的力， 都是由轮胎为媒介来传递的， 如载荷等。 轮胎和跑 道表面间摩擦系数的 计算， 即地面结合系数一 滑移率关系的 确定，是研究飞机刹 车装置的关键。 近年来， 神经网络理论在控制领域已 取得了很好的控制效果， 利用神经网络 可以克服参数变化、 环境因素造成的不利影响， 避免不精确建模造成的误差，正 好适用于防滑刹车系统这样一个复杂的非线性系统， 所以 将神经网络应用于飞机 防滑刹车系统中， 进行地面结合系数一 滑移率间的参数确定， 势必会显著提高刹 车系统的性能。 西北工业大学硕 卜 学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题背景 航空机轮和刹车装置是保证飞机正常起飞、 着陆的重要组成部分， 其性能品 质的检验是保障飞机安全飞行的重要措施。 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的快速反应、 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。 由于飞机着陆过程持续的时间比较短( 大约2 0 秒左右) ， 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。 特别是对于军用机， 很可能 要在恶劣的条件下起飞、着陆，例如机场周围有比 较大的侧风;跑道积水较深; 冰雪覆盖着的跑道， 这些都对防滑刹车系统提出了更高的要求。 因此， 要求防滑 刹车系统保证飞机短时间内 在各种跑道上安全着陆的难度相当大。 防滑刹车系统的性能受很多因素的影响， 如飞机速度的变化、 轮胎的充气压 力、 跑道表面是否开槽、 跑道表面的状况， 其中跑道表面状况主要指: 跑道表面 是否积水， 是否是冰雪跑道等等。 从本质上讲， 这些因素影响的都是飞机受刹机 轮的轮胎与跑道表面摩擦系数， 通常为结合系数。 由于地面结合系数和滑移率的 关系受太多因素的影响， 很难建立起精确的模型， 所以对防滑刹车系统的优化设 计提出了比 较大的难题。 加之， 轮胎又是飞 机动力学研究中的关键因素， 除了空 气气动力外， 还有其它的力， 都是由轮胎为媒介来传递的， 如载荷等。 轮胎和跑 道表面间摩擦系数的 计算， 即地面结合系数一 滑移率关系的 确定，是研究飞机刹 车装置的关键。 近年来， 神经网络理论在控制领域已 取得了很好的控制效果， 利用神经网络 可以克服参数变化、 环境因素造成的不利影响， 避免不精确建模造成的误差，正 好适用于防滑刹车系统这样一个复杂的非线性系统， 所以 将神经网络应用于飞机 防滑刹车系统中， 进行地面结合系数一 滑移率间的参数确定， 势必会显著提高刹 车系统的性能。 西北工业大学硕士学位论文 飞机刹车系统的建模与地面结合系数的研究 本论文以 某型国产飞机为背景机，在m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台下， 对防 滑刹车系统结构进行研究， 重点研究了轮胎地面结合系数一滑移率的关系模式， 建立了整个飞机刹车系统完整详细的数学模型，采用常见的p b m 控制方法，开 发完成相应的系统仿真软件包，为进行实施系统的半物理仿真实验打下坚实基 石 出 。 ; 1 . 2飞机防滑刹车系统发展现状 1 . 2 . 1 飞机防滑刹车系统的发展 1 . 2 . 1 . 1 国外发展现状 1. 2 . 3 1 飞机防滑刹车系统经过五十多年的研究，己经取得了很大的发展。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， 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 fi r e 公司的m a r k 系列。 m a r k 其最初的目 的 是防止飞机在刹车过程中爆胎以及用来减少轮胎磨损，为了适应飞机推力、 载 荷、降落速度的不断变化，该系列从二十世纪至今已经历了好几代，防滑控制 系统己从以m a r k 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 ( p b m )型电子自 动防滑控制系统。 另外，美国早己经于八十年代就开始了进行电刹车研究，并在f -1 6 型飞 机上进行了 试验。法国梅西埃 比加蒂公司也在为其干线飞机研制全电刹车系 统。 英国于9 0 年代末， 也己 经开始发展电刹车系统， 将其列为民用飞机研究和 验证计划中确定的6 个项目 之一，目前已经取得了一些进展。 1 . 2 . 1 . 2 国内发展现状 国产飞机大都采用前苏联研制的惯性防滑刹车系统。我国歼七系列等现役 飞机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气压防滑刹车系 统。六十年代末期仿美m a r k i 的速率系统，研制出四种模拟式电子防滑刹车系 西北工业大学硕士学位论文 飞机刹车系统的建模与地面结合系数的研究 本论文以 某型国产飞机为背景机，在m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台下， 对防 滑刹车系统结构进行研究， 重点研究了轮胎地面结合系数一滑移率的关系模式， 建立了整个飞机刹车系统完整详细的数学模型，采用常见的p b m 控制方法，开 发完成相应的系统仿真软件包，为进行实施系统的半物理仿真实验打下坚实基 石 出 。 ; 1 . 2飞机防滑刹车系统发展现状 1 . 2 . 1 飞机防滑刹车系统的发展 1 . 2 . 1 . 1 国外发展现状 1. 2 . 3 1 飞机防滑刹车系统经过五十多年的研究，己经取得了很大的发展。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， 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 fi r e 公司的m a r k 系列。 m a r k 其最初的目 的 是防止飞机在刹车过程中爆胎以及用来减少轮胎磨损，为了适应飞机推力、 载 荷、降落速度的不断变化，该系列从二十世纪至今已经历了好几代，防滑控制 系统己从以m a r k 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 ( p b m )型电子自 动防滑控制系统。 另外，美国早己经于八十年代就开始了进行电刹车研究，并在f -1 6 型飞 机上进行了 试验。法国梅西埃 比加蒂公司也在为其干线飞机研制全电刹车系 统。 英国于9 0 年代末， 也己 经开始发展电刹车系统， 将其列为民用飞机研究和 验证计划中确定的6 个项目 之一，目前已经取得了一些进展。 1 . 2 . 1 . 2 国内发展现状 国产飞机大都采用前苏联研制的惯性防滑刹车系统。我国歼七系列等现役 飞机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气压防滑刹车系 统。六十年代末期仿美m a r k i 的速率系统，研制出四种模拟式电子防滑刹车系 西北工业大学硕士学位论文 飞机刹车系统的建模与地面结合系数的研究 本论文以 某型国产飞机为背景机，在m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台下， 对防 滑刹车系统结构进行研究， 重点研究了轮胎地面结合系数一滑移率的关系模式， 建立了整个飞机刹车系统完整详细的数学模型，采用常见的p b m 控制方法，开 发完成相应的系统仿真软件包，为进行实施系统的半物理仿真实验打下坚实基 石 出 。 ; 1 . 2飞机防滑刹车系统发展现状 1 . 2 . 1 飞机防滑刹车系统的发展 1 . 2 . 1 . 1 国外发展现状 1. 2 . 3 1 飞机防滑刹车系统经过五十多年的研究，己经取得了很大的发展。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， 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 fi r e 公司的m a r k 系列。 m a r k 其最初的目 的 是防止飞机在刹车过程中爆胎以及用来减少轮胎磨损，为了适应飞机推力、 载 荷、降落速度的不断变化，该系列从二十世纪至今已经历了好几代，防滑控制 系统己从以m a r k 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 ( p b m )型电子自 动防滑控制系统。 另外，美国早己经于八十年代就开始了进行电刹车研究，并在f -1 6 型飞 机上进行了 试验。法国梅西埃 比加蒂公司也在为其干线飞机研制全电刹车系 统。 英国于9 0 年代末， 也己 经开始发展电刹车系统， 将其列为民用飞机研究和 验证计划中确定的6 个项目 之一，目前已经取得了一些进展。 1 . 2 . 1 . 2 国内发展现状 国产飞机大都采用前苏联研制的惯性防滑刹车系统。我国歼七系列等现役 飞机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气压防滑刹车系 统。六十年代末期仿美m a r k i 的速率系统，研制出四种模拟式电子防滑刹车系 西北工业大学硕 l : 学位论文 第一章 绪论 统，已运用于运十飞机上。 近年来， 电 子防滑刹车系统有了 很大发展。 先后为j 8 1 1 , j 8 1 1 1 , j 了 e ， q 5 m , j h 7 , y 7等机种研制了电 子防 滑刹车系统， 有些己 批量装备部队， 其水平相当 于美国的m a r k 工 工 工 系统。“ 八五”期间为新机配套的两余度数字式电 传刹车系 统同美国 先进的m a r k i v 系统相当。 并在国 产飞机中首开电 子防滑自 动刹车系统 之先河。从七十年代开始，我国 第二代现役飞机也已 装备了模拟式电子防滑液 压刹车系统。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。 现在，国内的某些研究机构己 开始着手于对全电刹车系统的研究。 我国自 行研制生产的飞机上，防滑刹车系统普遍采用的控制方式是速度差 加偏压控制。速度差是指基准速度与机轮速度差，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。本论文采用的就是此控制系统。 1 . 2 . 2 跑 道表 面结 合系数的 认 识41 确定跑道与轮胎间的关系， 对提高刹车性能至关重要的， 有利于解决当前、 未来飞机在刹车滑跑时所出 现的问 题，因 此相关课题的 研究也十分必要。 最初，当 刹车系统在飞机上刚开始使用的时候， 特别是从二十世纪的 三十 年代到五十年代， 人们为了加深对刹车力产生本质的认识， 进行了大量的实验。 特别对轮胎进行了大量的实验。 轮胎动态特性的 研究可以 追溯到二十年代，当时b r o u l h l e t 在研究汽车 轮 胎的动力学特性时， 发现轮胎的侧滑角和其侧向力具有一定的关系。 到了4 0 年 代后期，f i a l a 和v o n s c h l i p p e 又发现了 轮胎与路面的 侧向力之间存在某种非 线性特性，即轮胎与路面接触时，会发生接触形变，进而引入形变与地面间的 侧向 应力的 概念。5 0 年代， w i l k i n s o n 发现橡胶在其表面上的结合系数随载荷 的 增 大 而减小， 且 在 某一 速 度 下有 最大 值。 6 0 年 代， h . s a k a i , k . a . g r o s c h 和 g . m a y c o c k通过对实验数据的研究， 得出 地面结合力是滑移率的函数。密歇根 西北工业大学硕 l : 学位论文 第一章 绪论 统，已运用于运十飞机上。 近年来， 电 子防滑刹车系统有了 很大发展。 先后为j 8 1 1 , j 8 1 1 1 , j 了 e ， q 5 m , j h 7 , y 7等机种研制了电 子防 滑刹车系统， 有些己 批量装备部队， 其水平相当 于美国的m a r k 工 工 工 系统。“ 八五”期间为新机配套的两余度数字式电 传刹车系 统同美国 先进的m a r k i v 系统相当。 并在国 产飞机中首开电 子防滑自 动刹车系统 之先河。从七十年代开始，我国 第二代现役飞机也已 装备了模拟式电子防滑液 压刹车系统。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。 现在，国内的某些研究机构己 开始着手于对全电刹车系统的研究。 我国自 行研制生产的飞机上，防滑刹车系统普遍采用的控制方式是速度差 加偏压控制。速度差是指基准速度与机轮速度差，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。本论文采用的就是此控制系统。 1 . 2 . 2 跑 道表 面结 合系数的 认 识41 确定跑道与轮胎间的关系， 对提高刹车性能至关重要的， 有利于解决当前、 未来飞机在刹车滑跑时所出 现的问 题，因 此相关课题的 研究也十分必要。 最初，当 刹车系统在飞机上刚开始使用的时候， 特别是从二十世纪的 三十 年代到五十年代， 人们为了加深对刹车力产生本质的认识， 进行了大量的实验。 特别对轮胎进行了大量的实验。 轮胎动态特性的 研究可以 追溯到二十年代，当时b r o u l h l e t 在研究汽车 轮 胎的动力学特性时， 发现轮胎的侧滑角和其侧向力具有一定的关系。 到了4 0 年 代后期，f i a l a 和v o n s c h l i p p e 又发现了 轮胎与路面的 侧向力之间存在某种非 线性特性，即轮胎与路面接触时，会发生接触形变，进而引入形变与地面间的 侧向 应力的 概念。5 0 年代， w i l k i n s o n 发现橡胶在其表面上的结合系数随载荷 的 增 大 而减小， 且 在 某一 速 度 下有 最大 值。 6 0 年 代， h . s a k a i , k . a . g r o s c h 和 g . m a y c o c k通过对实验数据的研究， 得出 地面结合力是滑移率的函数。密歇根 西北工业大学硕 卜 学位论文飞 和刹 车系统的建模与 地面结合系数的研究 大学公路安全研究学院的研究人员又增加考虑了 纵向 应力对跑道一轮胎接触面 的影响，即纵向和侧向的祸合关系。 7 0 年代， 英国、美国、瑞典和其它一些国 家都设计了用来测量路面附着系数的特殊装置。其中，前南斯拉夫机动车专家 们对机动车在刹车过程中地面附着系数的动态特性，附着系数的影响参数进行 了实验研究，包括:轮胎的载荷、汽车速度、 脚踏板作用时间等参数对结合系 数的影响都做了详细分析。8 0 年代初期，h . s a k a i 通过对轮胎的动态特性的细 致理论分析和实验研究，建立了一个全面的轮胎模型，即将轮胎胎面分成5 个 带，每一个带都由小的橡胶元素组成，考虑其之间的祸合来分析侧偏角、滑移 率、 载荷、 轮胎充气压力、飞机速度、 温度等因素对轮胎变形、 摩擦力的影响。 因此，只有通过大量实验测得的轮胎数据，才能正确描述轮胎的特性。当 然这些方法都只是纯粹的数学描述、功能替换。 数学表示法能够很好的对数据进行缩减、 存储。 对机动车动力学模型来说， 同 样它也是非常好的工具。 机动车模型提供了 包括轮胎和车身在内的整体模型， 并能帮助设计者改进轮胎与车身间的关系。因 此，只要动力学模型越简单， 含 义越深，轮胎模型才能被正确评价，轮胎模型的计算所需时间越短，工程师们 才有更多的时间去分析性能。 但是， 这种方法不能给出轮胎受力情况与轮胎结 构的关系。 在1 9 8 7 年p a c e j k a 魔术公式发现之前， 表示轮胎参数的最常用方法 就是采用图形来分析，但理论上很难讨论。鉴于此点，轮胎参数的公式表示是 必要的。 所以，1 9 8 3 年s i t c h i n 用多项式的方法来表达轮胎滑移率和地面结合 系数之间的关系一一将数据分成5 个区域， 采用变量回归算法进行计算寻优。 但是， 他的实验成果并没有被广泛接受， 其问 题是在微分时没有考虑边界区 域 不连续的问题。 1 9 8 7 年， p a c e j k a 教授得出了一个 特殊的函数， 它的特殊结构能更加精确 的描述可测量数据，以简单方式表达参数。 1 9 9 3 年，来自m i c h e l i n 公司的工程师们，在p a c e j k a公式的基础上，经 过共同研究，建立了轮胎数学模型表达式。用于在平稳刹车状态， 机动车动力 学分析。 而且， p a c e j k a 和m i c h e l i n 两组人提出的模型都己通过测试， 并验证 了它们的有效性。 p a c e j k a魔术公式适合于纯刹车和纯拐弯稳态条件。虽然和传统的带系数 西北工业大学硕 1 . 学位论文 第一章 绪论 多项式相比，并没有什么特殊含义，但这种表达轮胎参数的方法还是朝前走了 一大步。 1 . 2 . 3 飞机防滑刹车系统控制率的发展现状 传统控制理论发展到今天己 非常成熟。 然而， 随着控制系统要求的不断提高， 在一些复杂控制过程中， 如航空航天等领域， 却遇到了 越来越多传统控制理论无 法解决的问题。 这些复杂系统往往具有如下的特点: 缺乏精确的数学模型， 高度 的非线性， 复杂的任务要求。 为此人们提出了多种新型的智能控制方法， 其中尤 以模糊逻辑控制和神经元网络便于实际应用而最为典型。 尽管许多文献中介绍过采用自 适应防滑刹车系统、 模糊控制等控制器l5 , 。 但 很少用于实际应用。目 前， 飞机上常采用的防滑刹车系统控制方式是速度差加偏 压控制( p b m 控制) ，即多门限p i d 控制。本文在系统仿真模型采用此控制方法。 飞机刹车系统经过多年的研究， 已 取得了较大的发展， 其中控制系统是整个 刹车系统的核心。 飞机防滑刹车系统控制具有: 1 ) 系统的复杂性: 2 ) 系统的非线 性特性; 3 ) 系统的不确定性。 复杂性和非线性来自 于飞机机轮动态模型、 刹 车装置的 滞坏特性以及轮胎和跑道结合系数一 滑移率关系。 不确定性则来自 于跑 道条件的 变化、 磨损轮胎性能的变化、 刹车盘温度变化导致的 刹车特性的变化。 刹车系统要保证飞机短时间内在各种跑道上安全着陆的难度是相当大的。因此， 运用控制理论的新成果对飞机防滑刹车系统进行深入研究， 设计出高性能的防滑 刹车系统是非常必要的。 神经网络作为一种模拟人直观性思维的非线性动力学系统， 是在研究生物神 经系统的启示下发展起来的理论。 本文利用神经网络其固有特点: 高度非线性的 思维和全局作用;联想、记忆功能和容错性好;自 适应、自 学习、自 组织功能 强，进行地面结合系数一滑移率关系的辨识。 夸 1 . 3本课题所做的 研究工作及关键技术 论文主要研究内容有: 1 .采用p a c e j k a 魔术公式， 讨论公式中各个参数的 取值范围， 及其对地面 结合系数一滑移率曲线形状的影响。 西北工业大学硕 1 . 学位论文 第一章 绪论 多项式相比，并没有什么特殊含义，但这种表达轮胎参数的方法还是朝前走了 一大步。 1 . 2 . 3 飞机防滑刹车系统控制率的发展现状 传统控制理论发展到今天己 非常成熟。 然而， 随着控制系统要求的不断提高， 在一些复杂控制过程中， 如航空航天等领域， 却遇到了 越来越多传统控制理论无 法解决的问题。 这些复杂系统往往具有如下的特点: 缺乏精确的数学模型， 高度 的非线性， 复杂的任务要求。 为此人们提出了多种新型的智能控制方法， 其中尤 以模糊逻辑控制和神经元网络便于实际应用而最为典型。 尽管许多文献中介绍过采用自 适应防滑刹车系统、 模糊控制等控制器l5 , 。 但 很少用于实际应用。目 前， 飞机上常采用的防滑刹车系统控制方式是速度差加偏 压控制( p b m 控制) ，即多门限p i d 控制。本文在系统仿真模型采用此控制方法。 飞机刹车系统经过多年的研究， 已 取得了较大的发展， 其中控制系统是整个 刹车系统的核心。 飞机防滑刹车系统控制具有: 1 ) 系统的复杂性: 2 ) 系统的非线 性特性; 3 ) 系统的不确定性。 复杂性和非线性来自 于飞机机轮动态模型、 刹 车装置的 滞坏特性以及轮胎和跑道结合系数一 滑移率关系。 不确定性则来自 于跑 道条件的 变化、 磨损轮胎性能的变化、 刹车盘温度变化导致的 刹车特性的变化。 刹车系统要保证飞机短时间内在各种跑道上安全着陆的难度是相当大的。因此， 运用控制理论的新成果对飞机防滑刹车系统进行深入研究， 设计出高性能的防滑 刹车系统是非常必要的。 神经网络作为一种模拟人直观性思维的非线性动力学系统， 是在研究生物神 经系统的启示下发展起来的理论。 本文利用神经网络其固有特点: 高度非线性的 思维和全局作用;联想、记忆功能和容错性好;自 适应、自 学习、自 组织功能 强，进行地面结合系数一滑移率关系的辨识。 夸 1 . 3本课题所做的 研究工作及关键技术 论文主要研究内容有: 1 .采用p a c e j k a 魔术公式， 讨论公式中各个参数的 取值范围， 及其对地面 结合系数一滑移率曲线形状的影响。 西北工业大学硕 1 . 学位论文 第一章 绪论 多项式相比，并没有什么特殊含义，但这种表达轮胎参数的方法还是朝前走了 一大步。 1 . 2 . 3 飞机防滑刹车系统控制率的发展现状 传统控制理论发展到今天己 非常成熟。 然而， 随着控制系统要求的不断提高， 在一些复杂控制过程中， 如航空航天等领域， 却遇到了 越来越多传统控制理论无 法解决的问题。 这些复杂系统往往具有如下的特点: 缺乏精确的数学模型， 高度 的非线性， 复杂的任务要求。 为此人们提出了多种新型的智能控制方法， 其中尤 以模糊逻辑控制和神经元网络便于实际应用而最为典型。 尽管许多文献中介绍过采用自 适应防滑刹车系统、 模糊控制等控制器l5 , 。 但 很少用于实际应用。目 前， 飞机上常采用的防滑刹车系统控制方式是速度差加偏 压控制( p b m 控制) ，即多门限p i d 控制。本文在系统仿真模型采用此控制方法。 飞机刹车系统经过多年的研究， 已 取得了较大的发展， 其中控制系统是整个 刹车系统的核心。 飞机防滑刹车系统控制具有: 1 ) 系统的复杂性: 2 ) 系统的非线 性特性; 3 ) 系统的不确定性。 复杂性和非线性来自 于飞机机轮动态模型、 刹 车装置的 滞坏特性以及轮胎和跑道结合系数一 滑移率关系。 不确定性则来自 于跑 道条件的 变化、 磨损轮胎性能的变化、 刹车盘温度变化导致的 刹车特性的变化。 刹车系统要保证飞机短时间内在各种跑道上安全着陆的难度是相当大的。因此， 运用控制理论的新成果对飞机防滑刹车系统进行深入研究， 设计出高性能的防滑 刹车系统是非常必要的。 神经网络作为一种模拟人直观性思维的非线性动力学系统， 是在研究生物神 经系统的启示下发展起来的理论。 本文利用神经网络其固有特点: 高度非线性的 思维和全局作用;联想、记忆功能和容错性好;自 适应、自 学习、自 组织功能 强，进行地面结合系数一滑移率关系的辨识。 夸 1 . 3本课题所做的 研究工作及关键技术 论文主要研究内容有: 1 .采用p a c e j k a 魔术公式， 讨论公式中各个参数的 取值范围， 及其对地面 结合系数一滑移率曲线形状的影响。 西北工业大学硕士学位论文 飞机刹车系统的建模与地面结合系数的 研究 2 .通过b p 神经网络对实验数据的数据拟合， 拟合出最优的地面结合系数 一滑移率的曲线。 3 .针对飞机刹车系统建立各部分的详细数学模型， 进而建立整个系统的数 学模型，并进行仿真研究，开发系统仿真软件包。 关键技术: 1 . 对p a c e j k a 魔术公式的完善， 优化具体的参数范围和讨论参数对结合系 数一 滑移率曲线形状的影响; 在b p 神经网络进行地面结合系数一滑移率的寻优 过程中，确定活化函数、动量因子、学习速率的大小。 2 . 系统的建模与仿真技术， 尤其是地面结合系数一滑移率、 起落架、 刹车 装置建模和仿真技术。飞 机刹车系统既是一个非常复杂的非线性系统， 具有许 多不确定因素，因此，需要对整个系统的特点进行细致的分析研究，建立起完 整的数学模型。 1 . 4论文的安排 第一章是绪论部分.主要阐述了论文的研究背景、飞机防滑刹车系统的发 展状况，控制理论的新进展，本论文的主要研究内容及关键技术。 第二章主要分析了飞机防滑刹车系统组成、工作原理，对系统各个部分的 结构和功能进行了分析。 第三章针对p a c e j k a 魔术公式进行研究， 讨论p a c e j k a 魔术公式中各个参 数的 取值范围， 及其对地面结合系数一滑移率关系曲线形状的影响。 第四章针对在刹车机轮加载实验台上， 得到的地面结合系数一滑移率的 数 据， 进行b p 神经网络的参数辨识，达到曲线的最优拟合。 第五章针对系统各个部分的 特点分别建立了 相应的数学模型， 包括飞机机 体模型、 起落架模型、机轮模型、跑道模型、刹车装置模型， 然后综合各部分 模型建立了飞机刹车系统的整体数学模型;并对飞机在干跑道、湿跑道以 及冰 跑道上着陆进行仿真计算， 通过分析仿真结果得到的结论，验证了整个系统数 学模型的正确性，尤其是对采用p a c e j k a 魔术公式模型和神经网络两种方法验 证地面结合系数一滑移率关系的正确性、有效性。 第六章对论文的研究工作进行了总结，并展望了今后飞机刹车系统的研究 方向。 西北工业大学硕士学位论文 飞机刹车系统的建模与地面结合系数的 研究 2 .通过b p 神经网络对实验数据的数据拟合， 拟合出最优的地面结合系数 一滑移率的曲线。 3 .针对飞机刹车系统建立各部分的详细数学模型， 进而建立整个系统的数 学模型，并进行仿真研究，开发系统仿真软件包。 关键技术: 1 . 对p a c e j k a 魔术公式的完善， 优化具体的参数范围和讨论参数对结合系 数一 滑移率曲线形状的影响; 在b p 神经网络进行地面结合系数一滑移率的寻优 过程中，确定活化函数、动量因子、学习速率的大小。 2 . 系统的建模与仿真技术， 尤其是地面结合系数一滑移率、 起落架、 刹车 装置建模和仿真技术。飞 机刹车系统既是一个非常复杂的非线性系统， 具有许 多不确定因素，因此，需要对整个系统的特点进行细致的分析研究，建立起完 整的数学模型。 1 . 4论文的安排 第一章是绪论部分.主要阐述了论文的研究背景、飞机防滑刹车系统的发 展状况，控制理论的新进展，本论文的主要研究内容及关键技术。 第二章主要分析了飞机防滑刹车系统组成、工作原理，对系统各个部分的 结构和功能进行了分析。 第三章针对p a c e j k a 魔术公式进行研究， 讨论p a c e j k a 魔术公式中各个参 数的 取值范围， 及其对地面结合系数一滑移率关系曲线形状的影响。 第四章针对在刹车机轮加载实验台上， 得到的地面结合系数一滑移率的 数 据， 进行b p 神经网络的参数辨识，达到曲线的最优拟合。 第五章针对系统各个部分的 特点分别建立了 相应的数学模型， 包括飞机机 体模型、 起落架模型、机轮模型、跑道模型、刹车装置模型， 然后综合各部分 模型建立了飞机刹车系统的整体数学模型;并对飞机在干跑道、湿跑道以 及冰 跑道上着陆进行仿真计算， 通过分析仿真结果得到的结论，验证了整个系统数 学模型的正确性，尤其是对采用p a c e j k a 魔术公式模型和神经网络两种方法验 证地面结合系数一滑移率关系的正确性、有效性。 第六章对论文的研究工作进行了总结，并展望了今后飞机刹车系统的研究 方向。 西北丁业大学硕士学位论文 第二章 刹车系统组成和工作l e i 理 第二章 刹车系统组成和工作原理 2 . 1飞机刹车系统的组成 一般来说，整个防滑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， 其组成原理结构如图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。 防滑控制系统 图2 -1防滑刹车系统的组成 ( 虚线框内为防滑控制系统) 互 2 . 2飞机刹车系统基本工作原理 飞机刹车制动主要依靠刹车时轮胎和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，飞机刹车减速就越快， 刹停距离就越短，在飞机重 量一定的情况下，影响结合力大小的因素是我们称为结合系数的一个无量纲因 子p ，该系数不是一个常量，它受诸多因素的影响，并且其间存在着极其复杂 的非线性关系，这种关系的准确描述需要依靠大量的试验研究得到。 2 . 2 . 1 机轮刹车调节系统 机轮刹车调节系统主要包括刹车阀、刹车装置、机轮、轮胎等附件。 刹车阀又称为刹车减压阀， 有气压和液压两种， 由于本课题是液压刹车系统， 所以采用液压刹车阀， 它有进油、回油和刹车三个喷嘴。 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 西北丁业大学硕士学位论文 第二章 刹车系统组成和工作l e i 理 第二章 刹车系统组成和工作原理 2 . 1飞机刹车系统的组成 一般来说，整个防滑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， 其组成原理结构如图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。 防滑控制系统 图2 -1防滑刹车系统的组成 ( 虚线框内为防滑控制系统) 互 2 . 2飞机刹车系统基本工作原理 飞机刹车制动主要依靠刹车时轮胎和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，飞机刹车减速就越快， 刹停距离就越短，在飞机重 量一定的情况下，影响结合力大小的因素是我们称为结合系数的一个无量纲因 子p ，该系数不是一个常量，它受诸多因素的影响，并且其间存在着极其复杂 的非线性关系，这种关系的准确描述需要依靠大量的试验研究得到。 2 . 2 . 1 机轮刹车调节系统 机轮刹车调节系统主要包括刹车阀、刹车装置、机轮、轮胎等附件。 刹车阀又称为刹车减压阀， 有气压和液压两种， 由于本课题是液压刹车系统， 所以采用液压刹车阀， 它有进油、回油和刹车三个喷嘴。 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 西北工业大学硕士学位论文飞机刹车系统的建模与地面结合系数的研究 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口 刹车减压阀的工作原理: 在飞行员没有刹车动作时， 刹车 阀输出的刹车压力为零， 若飞行员脚踩刹车时， 操纵力压缩弹簧， 推动阀芯下移， 首先切断刹车口和回油口， 然后阀芯进一步下移， 使刹车口又和进油口接通而与 回油口断开， 刹车压力开始上升， 由于阀芯的下端面上有感受刹车压力的感应面 积， 所以当刹车压力在阀芯端面上的反作用力大于飞行员脚踩的操纵力时， 会推 动阀芯上移，以至于构通刹车口和回油口， 使刹车压力降低， 最终使刹车口与回 油口 和进油口隔断， 使刹车阀输出的刹车压力与操纵力成正比的关系。 由此可见 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阀一脚踩到底， 输出最大刹车压力， 而由防滑控制盒来调节 最终输送给刹车装置的刹车压力， 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。 刹车装置位于机轮轮毅内，飞机着陆时其动盘由 轮毅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 . 2 . 2 防滑刹车控制系统 防滑刹车控制系统由