（电力电子与电力传动专业论文）飞机防滑刹车系统新型控制律设计与仿真研究.pdf

西北工业大学硕 t _ 学位论文 ab s tr a c t ab s t r a c t a i r c r a ft a n t i - s k i d b r a k i n g s y s t e m i s a n i m p o r t a n t a i r b o rn e d e v i c e o f a i r c r a ft , w h i c h p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n t a k in g o ff a n d s a f e l a n d in g . wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f a e r o n a u t i c i n d u s t r y , a n t i - s k i d b r a k i n g s y s t e m n e e d s t o b e im p r o v e d g r e a t ly t o c o n t e n t t h e r e q u i r e m e n t . t h e t r a d i t i o n a l d e s i g n m e t h o d s b a s e d o n i n e r t i a l b r a k e d y n a m i c t e s t c e n t e r c a n n o l o n g e r a d a p t t o h i g h d e v e l o p m e n t t e c h n o l o g y , a n d le a v e t o o m u c h t o b e d e s i r e d f o r t h e r e q u i r e m e n t o f m o d e rn p l a n e d e s i g n i n g , s o a f u l l s y s t e m d i g i t a l s i m u l a t i o n d e s i g n s c h e m e o n a e r o n a u t i c w h e e l b r a k i n g s y s t e m i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r . o n t h e b a s i s o f a n a l y s i n g p r i n c ip l e o f a n t i - s k i d b r a k i n g s y s t e m , c o m p o s i t i o n a n d w o r k c h a r a c t e r i s t i c d u r i n g l a n d i n g b r a k i n g p e r i o d , m o d e l i n g a b o u t b r a k i n g s y s t e m , n e w c o n t r o l l a w d e s i g n in g a n d d i g i t a l s i m u l a t i o n a r e c o m p l e t e d i n t h e t h e s i s ; d y n a m i c s a n d m o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i c o f a i r c r a ft , d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c o f la n d i n g g e a r , b r a k i n g w h e e l r o t a t i o n a n d t y r e / r u n w a y c h a r a c t e r i s t i c a r e i n v e s t i g a t e d i n d e t a i l , w h e n c o n s t r u c t i n g m a t h e m a t i c a l m o d e l s ; a n e w c o m p o u n d c o n t r o l a r i t h m e t i c w h i c h s u i t s t o la r g e a i r c r a ft b r a k i n g s y s t e m i s d e s i g n e d . i n a d d i t i o n , a f u l l s y s t e m s i m u l a t i o n i s p e r f o r m e d b y u s i n g m a t l a b / s i m u l i n k t o o l , b r a k i n g c h a r a c t e r i s t i c o n r u n wa y , v a r i a b l e we t r u n wa y c u r v e u s i n g i c e r u n w a y i s a n a l y s e d , a n d t h e r e s u l t s a r e c o m p a r e d a n d p b m c o n t r o l a r i t h me t i c . . s i m u l a t i o n s t u d y i n d i c a t e s t h a t t h e m o d e l s in t h i s p a p e r a r e r i g h t a n d v a l i d , b r a k i n g c a n b e e ff e c t i v e l y i m i t a t e d b a s e d o n t h e m o d e l s ; d e e p s l i p o f b r a k i n g w h e e l i n l o w v e l o c i t y w h i c h i s p r o d u c e d b y u s i n g t r a d i t i o n a l c o n t r o l a r i t h m e t i c c a n b e e ff e c t i v e ly i m p r o v e d b y u s i n g n e w c o m p o u n d c o n t r o l a r i t h m e t i c , a n d b r a k i n g e f f i c i e n c y i s i n c r e a s e d g r e a t l y . k e y w o r d s :a n t i - s k id b r a k i n g c o n t r o l l a w s i mu l a t i o n c o m p o u n d c o n t r o l 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1课题研究背景及意义 随着军用和民用航空工业的进步和发展， 飞机朝着大吨位、 高速度方向发展 的需求日 益强烈， 刹车系统要对这类飞机进行制动， 就必须在很短的时间内吸收 更大的飞机着陆时的动能， 所以 对刹车系统来说自 然是一个严峻的考验。 而军机 则往往还受到多种因素的制约， 因此对刹车系统提出了更为苛刻的要求。 它不仅 仅要求保证飞机在全天候情况下降落过程的安全、 平稳、 可靠， 而且要求着陆时 间短、 对跑道的适应性强。 具体对刹车系统来说就是要求防滑系统安全、 高效工 作。 所有这些要求都在很大程度上增加了刹车系统设计和制造难度， 因此各国对 此项工作的研究给予了极大的关注， 投入了 较多的精力， 谋求对系统地进一步改 善，以适应现代军用和民用航空工业地发展。 飞机防滑刹车系统是飞机重要的机载设备， 也是飞机液压控制系统的一个子 系统， 对飞机的起飞、 安全着陆起着重要的作用。 它综合应用液 ( 气 ) 压传动技 术、 电子技术、 伺服控制技术和材料科学技术， 达到充分利用地面提供给机轮的 摩擦阻力， 安全、可靠、 快速地吸收飞机巨 大的 着陆能量， 来使飞机停止运动川 。 飞机刹车制动除了主要依靠刹车时轮胎与地面之间的结合力， 还与飞机的 起飞着 陆性能、 起落架及轮胎的设计等有关。 由于构成系统的部件复杂和使用环境变化 的不确定， 使得飞机刹车系统成为一个具有不确定性与时变参数的复杂非线性伺 服控制系统。 在刹车过程中存在的这些随机和不稳定因素使得飞机防滑刹车性能 受到很大影响。 目 前惯性台的刹车模拟试验系统是一种较为简单的模拟飞机着陆刹车并检 验系统工作性能的方法， 它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。 在这种模拟试验系统中， 没有考虑飞机着陆过程中复杂的运动与动 力状态变化对刹车系统的影响， 另外一个重要的缺陷就是在试验过程中 加在机轮 上的径向 载荷被假定是恒定不变的， 这与飞机真实的着陆状况有很大的差别， 所 以 这种刹车模拟试验台只能对飞机着陆刹车过程做一种简单的近似模拟， 并不能 完全真实 地反映飞 机着陆刹车过程的 实际 状况【 川 。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1课题研究背景及意义 随着军用和民用航空工业的进步和发展， 飞机朝着大吨位、 高速度方向发展 的需求日 益强烈， 刹车系统要对这类飞机进行制动， 就必须在很短的时间内吸收 更大的飞机着陆时的动能， 所以 对刹车系统来说自 然是一个严峻的考验。 而军机 则往往还受到多种因素的制约， 因此对刹车系统提出了更为苛刻的要求。 它不仅 仅要求保证飞机在全天候情况下降落过程的安全、 平稳、 可靠， 而且要求着陆时 间短、 对跑道的适应性强。 具体对刹车系统来说就是要求防滑系统安全、 高效工 作。 所有这些要求都在很大程度上增加了刹车系统设计和制造难度， 因此各国对 此项工作的研究给予了极大的关注， 投入了 较多的精力， 谋求对系统地进一步改 善，以适应现代军用和民用航空工业地发展。 飞机防滑刹车系统是飞机重要的机载设备， 也是飞机液压控制系统的一个子 系统， 对飞机的起飞、 安全着陆起着重要的作用。 它综合应用液 ( 气 ) 压传动技 术、 电子技术、 伺服控制技术和材料科学技术， 达到充分利用地面提供给机轮的 摩擦阻力， 安全、可靠、 快速地吸收飞机巨 大的 着陆能量， 来使飞机停止运动川 。 飞机刹车制动除了主要依靠刹车时轮胎与地面之间的结合力， 还与飞机的 起飞着 陆性能、 起落架及轮胎的设计等有关。 由于构成系统的部件复杂和使用环境变化 的不确定， 使得飞机刹车系统成为一个具有不确定性与时变参数的复杂非线性伺 服控制系统。 在刹车过程中存在的这些随机和不稳定因素使得飞机防滑刹车性能 受到很大影响。 目 前惯性台的刹车模拟试验系统是一种较为简单的模拟飞机着陆刹车并检 验系统工作性能的方法， 它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。 在这种模拟试验系统中， 没有考虑飞机着陆过程中复杂的运动与动 力状态变化对刹车系统的影响， 另外一个重要的缺陷就是在试验过程中 加在机轮 上的径向 载荷被假定是恒定不变的， 这与飞机真实的着陆状况有很大的差别， 所 以 这种刹车模拟试验台只能对飞机着陆刹车过程做一种简单的近似模拟， 并不能 完全真实 地反映飞 机着陆刹车过程的 实际 状况【 川 。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 正是基于这样的情况， 我们提出了 航空机轮刹车系统的全数字化仿真设计方 案， 旨 在解决目前惯性台模拟试验系统存在的缺陷， 弥补现有刹车试验系统的不 足。 通过对加载系统、 跑道结合系数模型、飞机动力系统的模型以及飞机起落架 模型的 进一步完善， 最终完全可以 使刹车试验系统的水平再上一个台阶， 同时将 直接用来指导新型防滑刹车系统的设计， 为以后产品设计与改进以及参数的优化 设计提供理论和试验依据， 大大地提高产品的可靠性、合理性，节约研制费、试 验费和测试费，缩短研制周期和测试周期。 本论文将以某型飞机为背景， 对防滑刹车系统进行深入研究。 考察系统各组 成部分的物理特性建立刹车系统整体数字仿真模型以及结合刹车系统特点设计 新型控制方案研究防滑刹车的控制问题将是论文的两个重要研究内容。 1 . 2防滑刹车系统国内 外研究现状 1 .2 . 1国外发展历史 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， 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 - h i r e 公司的m a r k 系列。 m a r k 系列从二十世纪至今已 经历了好 几代，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。 m a r k 工 型为机械式一惯性防滑刹车系统， 使用继电 式开关控制， 用惯性传感 器感受机轮减速度， 当减速度超过门限 值时， 惯性传感器直接通过机械机构操纵 液压阀 使刹车装置与回油路接通。 由于惯性传感器感受的信号不再通过模拟电路 或数字电路进行处理， 防滑刹车系统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 型和m a r k i 型一样， 其被控量是速度误差 即刹车机轮和不刹车机 轮速度的差值) ，但是m a r k i i 型己 把控制律由“ 开关式”改为 “ 调节式” ，每次 松刹车防滑系统不必像 m a r k i型那样使刹车压力回零，因此，m a r k i i 型的刹车 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 正是基于这样的情况， 我们提出了 航空机轮刹车系统的全数字化仿真设计方 案， 旨 在解决目前惯性台模拟试验系统存在的缺陷， 弥补现有刹车试验系统的不 足。 通过对加载系统、 跑道结合系数模型、飞机动力系统的模型以及飞机起落架 模型的 进一步完善， 最终完全可以 使刹车试验系统的水平再上一个台阶， 同时将 直接用来指导新型防滑刹车系统的设计， 为以后产品设计与改进以及参数的优化 设计提供理论和试验依据， 大大地提高产品的可靠性、合理性，节约研制费、试 验费和测试费，缩短研制周期和测试周期。 本论文将以某型飞机为背景， 对防滑刹车系统进行深入研究。 考察系统各组 成部分的物理特性建立刹车系统整体数字仿真模型以及结合刹车系统特点设计 新型控制方案研究防滑刹车的控制问题将是论文的两个重要研究内容。 1 . 2防滑刹车系统国内 外研究现状 1 .2 . 1国外发展历史 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， 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 - h i r e 公司的m a r k 系列。 m a r k 系列从二十世纪至今已 经历了好 几代，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。 m a r k 工 型为机械式一惯性防滑刹车系统， 使用继电 式开关控制， 用惯性传感 器感受机轮减速度， 当减速度超过门限 值时， 惯性传感器直接通过机械机构操纵 液压阀 使刹车装置与回油路接通。 由于惯性传感器感受的信号不再通过模拟电路 或数字电路进行处理， 防滑刹车系统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 型和m a r k i 型一样， 其被控量是速度误差 即刹车机轮和不刹车机 轮速度的差值) ，但是m a r k i i 型己 把控制律由“ 开关式”改为 “ 调节式” ，每次 松刹车防滑系统不必像 m a r k i型那样使刹车压力回零，因此，m a r k i i 型的刹车 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 正是基于这样的情况， 我们提出了 航空机轮刹车系统的全数字化仿真设计方 案， 旨 在解决目前惯性台模拟试验系统存在的缺陷， 弥补现有刹车试验系统的不 足。 通过对加载系统、 跑道结合系数模型、飞机动力系统的模型以及飞机起落架 模型的 进一步完善， 最终完全可以 使刹车试验系统的水平再上一个台阶， 同时将 直接用来指导新型防滑刹车系统的设计， 为以后产品设计与改进以及参数的优化 设计提供理论和试验依据， 大大地提高产品的可靠性、合理性，节约研制费、试 验费和测试费，缩短研制周期和测试周期。 本论文将以某型飞机为背景， 对防滑刹车系统进行深入研究。 考察系统各组 成部分的物理特性建立刹车系统整体数字仿真模型以及结合刹车系统特点设计 新型控制方案研究防滑刹车的控制问题将是论文的两个重要研究内容。 1 . 2防滑刹车系统国内 外研究现状 1 .2 . 1国外发展历史 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， 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 - h i r e 公司的m a r k 系列。 m a r k 系列从二十世纪至今已 经历了好 几代，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。 m a r k 工 型为机械式一惯性防滑刹车系统， 使用继电 式开关控制， 用惯性传感 器感受机轮减速度， 当减速度超过门限 值时， 惯性传感器直接通过机械机构操纵 液压阀 使刹车装置与回油路接通。 由于惯性传感器感受的信号不再通过模拟电路 或数字电路进行处理， 防滑刹车系统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 型和m a r k i 型一样， 其被控量是速度误差 即刹车机轮和不刹车机 轮速度的差值) ，但是m a r k i i 型己 把控制律由“ 开关式”改为 “ 调节式” ，每次 松刹车防滑系统不必像 m a r k i型那样使刹车压力回零，因此，m a r k i i 型的刹车 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 效率相对m a r e提高了7 0 % -8 5 ya， 且刹车变得更平稳了。 在n l 4 r k i i 型研制阶 段首次为防滑系统增加了接地保护、 机轮防抱死、 机轮防加速旋状、 扰流板作动、 前轮刹车、 前轮防滑等辅助功能。 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 工 工 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 工 型的控制律做了本质的变 化， 原先的“ 速率c ” 控制己被“ 速度误差v w ” 控制代替，av 。 即刹车机轮 速度 v 。 和参考速度 v r 对应于滑动摩擦系数峰值的滑动速度)的差值。当刹车 机轮速度 v 。 低于基准级参考速度 v r 时， 刹车压力下降，机轮处于松刹状态，刹 车机轮速度 v 。 上升;反之，则增大刹车压力，机轮处于刹车状态，刹车机轮速 度v 。 下降。随着m a r k 工 工 工 型的使用防滑刹车效率首次达到了9 0 ， 并且防滑系 统已 经由 简单的防止轮胎爆胎演变为可以 提高刹车效率， 增强回转能力， 提供接 地保护并延长轮胎寿命的复杂系统。 m a r k i 工 i 型提高了刹车效率， 它不仅使飞机 对跑道路面具有较强适应性， 而且使刹车更平稳。 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. 二十世纪八十年代， h y d r o - h i r e 公司在波音 7 5 7 和7 6 7 上使用m a r k i v 系列，它是世界上第一 个使用微处理器的数字式防滑 刹车系统。 数字式电 子防滑刹车系统是目 前世界上最先进的防滑刹车系统。 美国 较先进 的战斗机f - 1 6 和f - 1 8 采用的也是模拟式防滑刹车系统， 更先进的战斗机f - 2 2 上才开始采用数字式电 传液压防滑刹车系统。 数字式电 子防滑系统除了具有一般 模拟式电子防滑刹车系统的优点之外，还具有响应快，工作平稳，自 适应性强， 刹车效率高， 有完善的自 检测功能以 及使用维护方便等优点。 4 0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 r k i 型为代表的继电 式开关控制、历经m a r k 工 工 型、 m a r k 工 工 工 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。 通过不断发展完善己 经使 西北工业大学硕 f - 学位论文第一章绪论 飞机在不同气候条件下基本上满足对刹车系统的要求 zjo 1 . 2 . 2国内发展现状 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、 与湿、 冰 跑道情况下方向 可控性及刹车 效率下降 等) 7 1 。 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。 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 a 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 第二代现役飞机己 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。 如今，国内 部 分飞 机上己 经 使用了 数 字式防 滑 控 制盒， .但 是 其 应 用还 不是 非常 广泛。 所以 ， 目 前数字式防滑控制盒的试验研究仍然是一个重要的 课题， 具有重大的 现实意义。 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。 本论文讨论的控制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， 采用这种方法设计的系统通常 存在低速打滑现象。 西北工业大学硕 f - 学位论文第一章绪论 飞机在不同气候条件下基本上满足对刹车系统的要求 zjo 1 . 2 . 2国内发展现状 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、 与湿、 冰 跑道情况下方向 可控性及刹车 效率下降 等) 7 1 。 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。 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 a 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 第二代现役飞机己 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。 如今，国内 部 分飞 机上己 经 使用了 数 字式防 滑 控 制盒， .但 是 其 应 用还 不是 非常 广泛。 所以 ， 目 前数字式防滑控制盒的试验研究仍然是一个重要的 课题， 具有重大的 现实意义。 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。 本论文讨论的控制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， 采用这种方法设计的系统通常 存在低速打滑现象。 西北工业大学硕 l : 学位论文第 一 章绪论 1 . 3 控制理论的新进展 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。 并且随着智能计算机的 飞速发展， 解决了用物理可实现系统模拟人脑的硬件问题。 从而使智能控制理论 的实际应用成为可能。 正是在这一背景下， 模糊控制和神经网络理论得到了迅猛 的发展和应用。 1 9 6 5 年， l .a . z a d e h 教授提出 模糊集合理论， 其核心是对复杂的系统或过程 建立一种语言分析的数学模式， 使自 然语言能直接转化为计算机所能接受的算法 语言。 模糊集合理论的诞生， 为处理客观世界中存在的一类模糊性问题， 提供了 有力的工具。同时，也适应了自 适应科学发展的迫切需要。正是在这种背景下， 作为模糊数学一个重要应用分支的模糊控制理论便应运而生了。 模糊控制能模拟 人的智能行为， 解决传统控制方法无法解决的许多复杂的、 不确定性的、 非线性 的自 动化问题， 而且易于用硬件或软件来实现。另外， 值得注意的是所谓模糊控 制， 只是在所采用的控制方法上应用了模糊数学理论， 但它所进行的却仍然是确 定性的工作， 它不仅能成功地实现控制， 而且还能模仿人的思维方法， 对一些无 法构造数学模型的被控过程进行有效控制。 实践表明，模糊控制具有以下特点: 1不需要知道被控对象的数学模型; 2 ， 易于实现对不确定性的对象和具有非线性的对象进行控制; 3 . 对被控对象特性参数变化具有较强的鲁棒性; 4 . 对于被控对象的干扰具有较强的抑制能力。 以上这些特点较好地适应了飞机刹车控制系统， 由于起落架、 轮胎及路面之 间有着复杂的非线性关系， 用传统控制方法控制有一定的难度并且控制效果不是 非常理想， 达不到所需的控制要求， 而模糊控制恰好适应了这种不确定因素较多 的非线性系统， 因而将模糊控制有效地应用于飞机防滑刹车控制是一种有益的尝 试。 西北工业大学硕 上 学位论文第一章绪论 1 . 4 . 论文的主要研究内容和章节安排 l 4 . 1 论文的主要研究内容 本论文的主要研究内容: 1 .对液压防滑刹车系统的组成结构及工作原理进行深入地分析研究。 2 .以某型飞机为背景，在考虑飞机防滑刹车系统的特点和各组成部分物理特性 的基础上，建立各部分详细的数学模型 ( 尤其是飞机机体运动与动力模型、 起落架模型、 液压伺服系统及轮胎跑道模型) 。 综合各部分数学模型， 建立整 个刹车系统的合理数字仿真模型。 3 运用现代先进的控制理论，并结合系统模型及其仿真结果，进行飞 机液压刹 车系统控制律的研究，设计出满足高性能要求的控制律，使刹车系统的刹车 性能达到新的水平。 4 ，根据所建的数学模型和设计的控制算法， 利用先进的仿真软件对刹车系统进 行全数字仿真， 根据仿真结果分析系统的性能，改进控制律， 优化设计， 使 之满足系统的性能指标。 论文中的难点及关键技术: 1 .系统建模 由 于飞机防滑刹车系统是一 个高阶非线性的复杂系统， 具有众多的非线性不 确定因素， 所以 要对整个系统进行较精确的建模是本文的一个重大难点。 例如要 对轮胎/ 跑道特性、刹车装置以及起落架系统进行建模，就必须详细考察系统部 件的动态特性及刹车过程中的影响因素。 2 .仿真调试 控制部分是整个刹车系统的 核心， 通过反复的仿真调试， 确定控制参数的变 化范围以及参数变化对仿真结果的影响规律。 这是本文一项非常重要的技术， 同 时也是一个艰难而枯燥的 过程。 但仿真调试这个过程有利于对系统防滑刹车控制 思想的更为深入的理解。 3 .控制律的优化设计 对刹车系统这样一 个复杂的非线性系统来说， 要使系统满足高性能控制的要 求， 控制律的设计是亚要的关键技术， 它将直接关系到整个系统运行性能的优劣。 由于传统的 13 1 。控制无法达到预期的控制效果，因此本论文采用了 模糊与 p b m 西北工业大学硕 上 学位论文第一章绪论 1 . 4 . 论文的主要研究内容和章节安排 l 4 . 1 论文的主要研究内容 本论文的主要研究内容: 1 .对液压防滑刹车系统的组成结构及工作原理进行深入地分析研究。 2 .以某型飞机为背景，在考虑飞机防滑刹车系统的特点和各组成部分物理特性 的基础上，建立各部分详细的数学模型 ( 尤其是飞机机体运动与动力模型、 起落架模型、 液压伺服系统及轮胎跑道模型) 。 综合各部分数学模型， 建立整 个刹车系统的合理数字仿真模型。 3 运用现代先进的控制理论，并结合系统模型及其仿真结果，进行飞 机液压刹 车系统控制律的研究，设计出满足高性能要求的控制律，使刹车系统的刹车 性能达到新的水平。 4 ，根据所建的数学模型和设计的控制算法， 利用先进的仿真软件对刹车系统进 行全数字仿真， 根据仿真结果分析系统的性能，改进控制律， 优化设计， 使 之满足系统的性能指标。 论文中的难点及关键技术: 1 .系统建模 由 于飞机防滑刹车系统是一 个高阶非线性的复杂系统， 具有众多的非线性不 确定因素， 所以 要对整个系统进行较精确的建模是本文的一个重大难点。 例如要 对轮胎/ 跑道特性、刹车装置以及起落架系统进行建模，就必须详细考察系统部 件的动态特性及刹车过程中的影响因素。 2 .仿真调试 控制部分是整个刹车系统的 核心， 通过反复的仿真调试， 确定控制参数的变 化范围以及参数变化对仿真结果的影响规律。 这是本文一项非常重要的技术， 同 时也是一个艰难而枯燥的 过程。 但仿真调试这个过程有利于对系统防滑刹车控制 思想的更为深入的理解。 3 .控制律的优化设计 对刹车系统这样一 个复杂的非线性系统来说， 要使系统满足高性能控制的要 求， 控制律的设计是亚要的关键技术， 它将直接关系到整个系统运行性能的优劣。 由于传统的 13 1 。控制无法达到预期的控制效果，因此本论文采用了 模糊与 p b m 西北工业人学硕 卜 学位论文 第一章绪论 相结合的控制方案来研究防滑刹车的控制问题。 1 . 4 . 2论文组织结构及章节安排 第一章是绪论部分， 主要阐述了论文的研究背景、 现实意义、 防滑刹车系统 国内外的发展状况以及论文的主要工作和贡献等。 第二章主要分析了液压防滑刹车系统的组成结构、 工作原理， 对系统各个部 分的具体结构和实现的功能也做了详细分析。 为后续章节中系统数学模型的建 立奠定了基础。 第三章针对系统各个部分的特点分别建立了相应的数学模型。 对模型输入及 输出间的关系进行认真分析研究，就可建立刹车系统的整体数字仿真模型。 第四章主要对系统控制律进行研究， 采用了模糊控制+p b m 偏压调节的控 制方法。 木章首先介绍了模糊控制的基本理论及模糊控制器设计的主要内容， 然 后重点研究了防滑刹车系统中模糊控制器的设计、 模糊控制规则的建立以及模糊 推理的方法，对基于模糊复合 ( 模糊 - p b m)控制的防滑控制盒的仿真模型也 做了深入的分析研究，并对每部分的具体功能做了详细的介绍。 第五章运用前面章节建立的数学模型及设计的控制算法，对飞机在干跑道、 湿跑道以及冰跑道上着陆进行仿真研究， 将仿真结果同p i d + p b m 控制算法的结果 进行比较分析， 以 验证所建立的系统数学模型的合理性、 精确性以及模糊复合控 制方法的有效性。 第六章对论文的研究工作进行了总结， 并展望了今后飞机防滑刹车系统的发 展和研究趋势。 西北工业人学硕 卜 学位论文 第一章绪论 相结合的控制方案来研究防滑刹车的控制问题。 1 . 4 . 2论文组织结构及章节安排 第一章是绪论部分， 主要阐述了论文的研究背景、 现实意义、 防滑刹车系统 国内外的发展状况以及论文的主要工作和贡献等。 第二章主要分析了液压防滑刹车系统的组成结构、 工作原理， 对系统各个部 分的具体结构和实现的功能也做了详细分析。 为后续章节中系统数学模型的建 立奠定了基础。 第三章针对系统各个部分的特点分别建立了相应的数学模型。 对模型输入及 输出间的关系进行认真分析研究，就可建立刹车系统的整体数字仿真模型。 第四章主要对系统控制律进行研究， 采用了模糊控制+p b m 偏压调节的控 制方法。 木章首先介绍了模糊控制的基本理论及模糊控制器设计的主要内容， 然 后重点研究了防滑刹车系统中模糊控制器的设计、 模糊控制规则的建立以及模糊 推理的方法，对基于模糊复合 ( 模糊 - p b m)控制的防滑控制盒的仿真模型也 做了深入的分析研究，并对每部分的具体功能做了详细的介绍。 第五章运用前面章节建立的数学模型及设计的控制算法，对飞机在干跑道、 湿跑道以及冰跑道上着陆进行仿真研究， 将仿真结果同p i d + p b m 控制算法的结果 进行比较分析， 以 验证所建立的系统数学模型的合理性、 精确性以及模糊复合控 制方法的有效性。 第六章对论文的研究工作进行了总结， 并展望了今后飞机防滑刹车系统的发 展和研究趋势。 西北工业大学硕 t : 学位论文第_章 防滑刹车系统组成结构及工作原理 第二章 防滑刹车系统组成结构及工作原理 2 . 1 系统组成结构及功能 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， 其原理结构图如图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 防滑刹车系统的原理结构框图 2 . 1 . 1机轮刹车调节系统 机轮刹车调节系统主要包括刹车阀、 定量器、 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 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。 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 最大刹车压力山飞行员来控制， 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 西北工业大学硕 t : 学位论文第_章 防滑刹车系统组成结构及工作原理 第二章 防滑刹车系统组成结构及工作原理 2 . 1 系统组成结构及功能 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， 其原理结构图如图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 防滑刹车系统的原理结构框图 2 . 1 . 1机轮刹车调节系统 机轮刹车调节系统主要包括刹车阀、 定量器、 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 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。 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 最大刹车压力山飞行员来控制， 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 西北工业大学硕 卜 学位论文第二章 防滑刹车系统组成结构及丁作原理 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。 定量器的主要作用是限制输送给刹车装置的油液量， 当通过定量器的油液体 积超过一定量时， 即认为刹车装置产生了 泄漏， 这时定量器自 动关闭， 切断油路， 防止系统进一步漏油， 这样可以 避免系统过量泄漏而造成的危害， 起安全保护作 用; 而当系统正常工作时则相当于一个通道， 除具有一定的节流作用外几乎不起 什么作用。因此，定量器在防滑刹车系统建模时也可以忽略掉。 2 . 1 .2防滑控制系统 防滑控制系统由机轮速度传感器、防滑控制盒、电液伺服阀组成。 机轮速度