（电力电子与电力传动专业论文）基于模糊控制的防滑刹车系统建模与仿真研究.pdf

摘嚣 a b s t r a c t i nm o d e r na i r c r a f t ，t h ea n t i - s k i db r a k i n gs y s t e mi so n eo ft h em a i na i r b o r n e d e v i c e sa n dp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei n s a f e l yt a k e o f fa n dl a n d i n g 。t h i sp a p e r p r e s e n t sa f u l ls y s t e ms i m u l a t i o ns t u d yw a yo nt h ea 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 d u r i n ga i r p l a n en o r m a ll a n d i n gp e r i o db yt h es i m u l i n ko fm a t l a b 。t h es y s t e m i n c l u d en o to n l yt h ec o n t r o lu n i tm o d e la n ds e t r ob r a k es y s t e mm o d e l ，b u ta l s ot h e a i r c r a f te q u a t i o n so fb o t hd y n a m i c sa n dm o v e m e n ti nt h el a n d i n gp r o c e d u r e ，t h e f i t n e s sc h a r a c t e r i s t i cc u r v e si nr u n w a y , t h et i r ea n dt h eb r a k e w h e e l sr o t a t i o n p e r f o r m a n c ee t c t h em o d e li nt h i sp a p e rs h o w st h er e a lp e r f o r m a n c eo ft h ea i r c r a f t a n t i - s k i db r a k i n gs y s t e m ， s e c o n d l y 、t h i sp a p e rb r i n g sf 0 州a r dt h ed e s i g ns c h e m ea n di m p l e m e n tm e t h o d o ft h ea n t i s k i db r a k i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ef u z z yc o n t r o l l e r t h ec o n t r o l s y s t e mi saf o r mo fh u m a ni n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 i tu s e sf u z z yc o n t r o l l e rt or e a l i z e s y s t e mc o n t r 0 1 f u z z ym o d e l ，u s i n gf u z z yl o g i c a ll a n g u a g ea n dp o l i c y , i sd e s c r i b e d p r o p e r t i e so fas y s t e m a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp 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 ma n dt h ep r o p e r t i e so ff u z z yc o n t r o l ，t h ea n t i s k i dc o n t r o ls y s t e mu s e dt h e w h e e ls l i pv e l o c i t y , t h ee r r o ra n de r r o rc h a n g e r a t i o , o f s l i pr a t i oi so b t a i n e db yg i v e n r e f e r e n c ev e l o c i t y ，w h i c hi st h ei n p u to ff u z z yc o n t r o la n dw h i c hc o m p r i s e so fi n p u t f u z z y , f u z z yr e a s o n i n g ，f u z z yp o l i c ya n do u t p u ti n v e r s ef u z z y t h i sp a p e rs i m u l a t e st h eb r a k i n gs y s t e mt h a tu s i n g f u z z yc o n t r o la n d u s i n gp i d c o n t r o lo nt h ew e tw a y , d r yw a ya n di c ew a yb yt h es i m u l i n ko fm a t l a b ， a n a l y s e st h es i m u l a t e dr e s u l t s t h es i m u l a t e dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h em o d e l si nt h i s p a p e ra r er i g h ta n dv a l i d ，t h ef u z z yc o n t r o lc a ni m p r o v et h ea i r c r a f tb r a k i n g p e r f o r m a n c eg r e a t l y k e yw o r d s ：a n t i s k i d b r a k i n gs y s t e m f u z z yc o n t r o lf u z z yc o n t r o l l e r c o n t r o ll a ws i m u l a t e 两北工业人学坝1 1 论文 笫一章绪论 第一章绪论 唾。1 本课题礤究背景及意义 防滑刹车系绕是飞机重要的机载设备，对飞机的起飞、安全着陆起着重要 豹 擘蠲，纛车系绫蛙驻熬努蓼鑫接影蟪到飞镌及辍载入爨豹安全。 出于飞机着陆过程持续的时间比较短( 大约2 0 秒左嚣) ，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 可巍凝在恶劣弱条 孛下起飞、港陆，翔凝场鹅交奏毙较大豹铡撼，爨遂积零较 深以及冰雪覆盖麓跑道，这些都对防滑刹牮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隧的难度相当大。 嚣裁，重内露翅p i d + p b m ( 褊疰谖节) ( 篼参考文麸【2 】) 控翻寒设诗防潺 刹车系统的控制棒，采用这种控制律可以保证在每次打滑解除后系统商足够的 时间使刹车压力维持于较低水平，防止二次打滑产生。但是，由于飞机防滑刹 车系绞是一令复杂熬饕线经系绫，无法薅确建立起萁数学横整，在剩率过程中 存在着随机干扰，结构参数具有时变性和不确定性，所以用p i d 控制雉以达到 预期的刹车效果。 ：i 莛年来，模赣控潮理论纛羧割领域已殴缮了缀努魏羧键效莱，稳麓模糊控 制可以克服参数变化和环境因綮造成的不利影响，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形系统，所以将模糊控制与p b m 结合在一起，著斑矮子飞凝薅辫幕l 车系统中，必然会显著掇毫澍车系绞戆经能。 为保证飞机安全，在装机试飞之前必须采用地面模拟设备对防滑系统进行 试骏以获得各项数据，并验证系统性能指标；而在此之前采用仿真手段对物理 系统l 莛行控毒l 臻调试验涯与参数瑟配鬟萼是既安全有效又节露久力穆力鹃獾施。 通道这条技术途径对飞机防滑控制研究中的重要技术问题可以进行充分的研 究。目前在控制界最为流行的软件m a t l a b 不仅具有交妪式编程功能，而且 有睾誊戆控裁系统辘动设诗工獒。本论文主要羁爱m a t l a b 孛豹镑囊茹| ：境 西北工业人学硕士论文 第一章绪论 s i m u l l n k 平台，对防滑刹车系统进行建模仿真以及控制律的研究。 另外，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，它 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，可实现更 复杂的控制律，工作平稳，自适应性强，效率高，任务可靠性高，有完善的自 检测功能，使用维护方便等优点。而国内现在常用的防滑控制盒还是模拟式的， 因此对防滑控制盒进行数字化是国内防滑刹车系统的一个重要研究方向，本文 第三部分对防滑控制盒的数字化提出了一个实现方案。所以说本课题的研究为 今后防滑刹车系统的设计提供了可靠的理论依据，对以后的工程实践和软件发 计打下坚实的基础，具有非常重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外发展历史 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 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m a r k 系列更为典型。 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。它安装在波音b 一4 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，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 西北工业大学烦= l 论文 第一章绪论 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e ( 即 刹车机轮和不刹车机轮速度的差值) ，但是m a r k i i 型已把控制律由“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 型的刹车效率相对m a r k i 提高了7 0 8 5 ，且刹车变得更平稳了。 在m a 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。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，i a r k i i i 型的控制律做了本质的变化，原先的“速率e ” 控制已被“速度误差v 。”控制代替，a v 。a o , g j 车机轮速度v 。和参考速度v 。 ( 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 s 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 i i i 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 i 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 a 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。 1 m 北一c 业人学坝i j 论史 帮一章绪论 数字式电予院污刹车系统楚譬嚣毽赛土壤先进羲耱灞潮车系统。美罄较先 进的战斗机卜1 6 和f1 8 采用的也是模拟式防滑刹车系统，更先进的战斗机 f 一2 2 上才开始采用数字式电传液压防滑刹举系统。数字式电子防滑系统除了具 有一般模掇式电予防溪弱车系统戆傀点之努，还其有稳应抉，工传乎豫，蠡逶 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 籀系绞已磊夷戬m a r k 壅为伐表鹣继毫式开关控翻、历经m a r k i l 垄、m a r k i i i 壅 等模拟式机轮减速度或滑移误麓控制系统发展到目前的数字式多余度滑移速度 误麓压力偏调( p b m ) 型电子自动蒴滑控制系统。通道不断发展竞落已经使 飞撬在不同气嫉条箨下基本上瀵足对裁车系统豹要求。 1 2 2 国内发展现状 我国在弓 避消化吸收的旗黼上，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、 冰跑道媾况下方两可控牲及刹率效率下降等) 。我国歼七系列等现役飞辘袋用的 是五十年代来期以惯性传感嚣为检测元件的梳械一气压防滑刹车系统。国内有 关嫩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予防滑刹车 系统，其中仿美m a r k i 教速率系统，已运用予运十飞瓿上，经过领先撬长期的 飞行考验，各项指标均达到设计要求，能够满足飞行需爨。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 装鍪了模拟式电子茨潺滚压刹车系统。在运卡飞规电予虢游巅车系统吾隽铡豹基 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麓电子防滑系统，t 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。 我萤垂行硬臻l 生产豹飞飒上营遍采用戆薅潘翻车系统黥控刳方式怒速度差 加偏压控制。速度差是指基准速度与祝轮速度的差，并以此为控制信譬；偏压 控制是指该系统熊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，铁焉把裂车掇力调节到一个接近能产生打涛售号豹臻力僮，数搀麓系统豹 两北t 业大学坝i j 论义 第一章绪论 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。 1 2 3 防滑刹车系统的发展趋势 飞机防滑刹车系统的发展趋势是综合控制和电动防滑控制。综合控制是把 防滑刹车、前轮转弯和方向舵控制由计算机来协调，其前提是各个子系统为电 传操纵。后两个子系统主要控制飞机的滑行方向，高速时由方向舵控制，低速 时由前轮转弯或差动刹车控制。该综合控制系统主要用于光滑跑道和战时环境。 电动刹车系统是美国空军9 0 年代实施的一项重要研究计划。早在8 0 年代初期， 美国空军与飞机刹车系统公司进行过电动刹车研究的合作，并计划在a - i o 飞机 上进行试验。由于电动刹车系统诱发了a 一1 0 飞机主起落架水平方向的振动，无 法在飞机上进行试验。但惯性台试验结果表明，电动刹车系统的刹车效率优于 液压刹车系统。 近年来，模糊逻辑理论在控制领域已取得了很好的效果。国内外很多汽车 的a b s 都采用了模糊控制理论。据文献报道，国外某些飞机防滑刹车有采用模 糊控制器的，也有采用自适应控制的。但是总的来说，应用新型控制理论研究 飞机防滑刹车系统的工作还不够。飞机防滑刹车系统对控制理论的挑战确是严 峻的，应用控制理论的瓤成果对飞机防滑刹车系统进行深入研究，将会进一步 提高防滑刹车系统的性能。 1 3 本文主要研究工作 论文第二章首先给出了防滑刹车系统的工作原理，分析了防滑刹车系统的 特点，并在此基础上总结了结合系数与滑移率的关系曲线：本章重点对液压防 滑刹车系统主要组成部分的原理和模型进行了研究，并利用a t l a b 的仿真 环境s i m u l i n k 对各个部分进行了建模。 科北丁“业大学坝1 1 论史 第一章缔论 第三章鹰】磊貘簇控涮理论纂舅究茨滢裁车系统静控制闽越。本章首先分绥了 模糊控制的基本理论，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，对基于模糊控制的防滑控制愈的仿真 搂囊遣镞了深入翁分凝，最嚣撬窭了基予摸溯控裁器豹耱港控翻金豹设计方案 和实现方法。 第四章分别对飞机在于跑道、湿跑道和冰跑道上着陆时的防滑刹车系统采 震摸壤控毒l 怒律遴行了访囊计算，荠嚣各耱鳃遵上豹傍囊缝莱进行了分车嚣。 第五章对论文的研究工作进行了总结，并展望了今聪飞机防滑刹车系统的 发展和研究趋势。 两北t 业人学顺f j 论文 第二章防滑剁下系统分析及建模 第二章防滑刹车系统分析及建模 本章主要介绍液压防滑刹车系统主要组成部分的原理和模型，并利用 m a t l a b 的仿真环境s i m u l i n k 对各个部分进行建模。 2 1 防滑刹车系统的组成及功能 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，其组成原理结构图如图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。 i 刹车阀卜h 电液伺服阀卜_岖亘 压圣 母轮胎 t o 一防滑控制盒卜一机轮速度传感器卜j l _ - j 图2 - 1整个刹车系统的组成( 虚线框内为防滑控制系统) 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、刹车装置、机轮、轮胎、定量器等附 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 两北t ：业人学坝f 论文 第一帝防拊蒯车系统分析艘建模 刹车动彳乍时，刹车阕输出的潮车压力为零，落飞行爨瓣踩餐车时，撩级力嚣臻 弹簧，推动阀芯f 移，首先切断刹车口和回油口，然后阀芯进一步下移，使刹 车口又和避浦口接通箍与回漓口断开，刹车压力开始上升，由于阀芯的下端黼 上有感受刹车压力的感应面积，所以当刹车压力在阀芯端孺上的反作用力大于 飞行员脚踩的操纵力时，会推动阀芯上移，瞰至于构通刹车口币| i 旧油f 二_ l ，使刹 车压力降低，最终馒剁车口与露油口和进油口骚断，使剥车阉输出的裁车压力 与操纵力成难比的关系。由此可见最大刹车压力由飞行员来控制，它与飞行员 嚣嬲蹬力成歪毙，减蓬弹簧熊起到傻刹车压力与辫蹬行程戏歪比关系黪 睾耀， 并使飞行员对刹车压力产生定的能移感，使飞行员对刹车操纵的掌握更加灵 活方後。黯貔潺控秘系统来说，飞穰着陆辩允许飞行员将翻车阀一辩踩到底， 输出最大刹车压力，而由防滑控制盒来调节镦终输送给刹车装置的刹车压力， 蠢魏，在防淆刹车系统中，刹车减聪阀只起掰了一个恒压源盼作用。 刹车装鼹位于机轮轮毂内，飞机着陆时其动盘幽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，多片动盛与静盘相互交错 装配以增大黪擦瑟，鲞刹车缀力输送别刹车装置的汽螽芏座时，汽缸座遴塞移动， 传力至承压盘，由于承压盘将力均匀地作用到动静盘上，使幼盘和静盘相互挤 歪，由于动焱农静纛之趣存袭耀对运动，困魏霹激产生攫大鹣摩擦力楚繇裂车 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 转换成弱车力矩。动盘葙静纛上装蠢特制斡瘁擦誊季瓣，以最大限度的增大摩擦 系数。 定量器的作用罴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，这时定慧器自动关闭，切断油路， 防止系统迸一步漏油，这样可以避免系统过髓泄漏而造成的危害，超安全保护 睾鼹；覆当系统正鬻工 乍封测援当予一个逶遂，躲瑟骞一定敬节滚 睾蠲努死乎 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。 8 。 i 巧北r 业人学枷 卜论义 第一章防滑刹下系统分析驶建横 2 1 2 防滑刹车控制系统 防淆刹车控鞠系统瞻梳轮速度传懑器、陵淆控制鑫莘蟊 = 毫液压力髑被阀维藏。 机轮速度传感器能产生频率与机轮速度成正比的近似- f 弦电信号，并以此 代表机轮速度传送给虢滑控制盒。 防滑控制盒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 的频率信号，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压 力。定性的来说，裁楚当极轮速度下降过快对，认为已经凄蜣了打滚，这时就 输出个大的电流，传送给电液伺服阀，解除刹车聪力；机轮打滑越严重，打 滢霹黼越长，电流越大。 电液伺服阀是防滑系统的执行部件，它采用电液压力伺服阀，接收从刹车 阉采静猫车糙力，并出稼漆控制盒输密的奄流对本缀的输密遴行调节。在没有 控制电流的情况下，它相当于一个通道，不越什么作用，直接输出最大刹车蘧 力；当有防滑电流输入时，伺服阀输出与控制电流成反比的刹车压力，也就蹙 说，电流越大，输出的刹车艨力越小，电流越小，刹车压力越大。 2 。2 系统分析与评估 2 2 1 名词定义 l 、缝合系数结合力结仑力矩 结合系数：为飞机轮胎与机场跑道之间的摩擦系数，它是一个变量，与很多因 索毒关，翅飞极速度、淤穆率、戆遵装溅、轮黪嫠剔以及环境因素 罄。 结合力：为刹车跨羹蠡嚣稻轮狳之阕产生静瘁擦力，囊结合系数移辊轮受虱静径 向载荷的乘积构成。 结合力矩：为结合力与梳轮滚动半径的乘积构成。 2 、滑移率 刹车机轮滚动时，有时会产生滑动，也就是说，刹车机轮的转速始终小于自幽 q 。 第一饼防滑刹乍系统分析搜建模 税轮( 不豢车辍轮) 的转速。辊轮匏涛移率定义为： 口：m o - - 1 0 0 ：( 。o - w 1 0 0 ”o 其中： n 。、虢叁由梳轮煞转速、臻速度( 不翻车穰轮滚动时兹转速) ”、m 刹车机轮滚动时的转速、角速度： 2 。2 。2 系统分折 飞机着陆以后，飞行员脚踩刹车，通过连接管路给刹牮装置施加一定的刹 车鬟力，镬辍轮凌予受弱察车装置产生弱裁车力短瑟疆逶，飘毳遥或轮狳与缝 面之间的相对滑动，由此产生的摩擦力绘飞机个向后的力即制动力，刹车系 统中称之为结合力，结合力与机轮滚动半径的乘积构成结合力矩，机轮的转动 其实藏是结合力筑与囊车装置产生熬刹车力矩共嚣终臻静缝栗，当结台力矩太 于刹车力矩时，机轮转动加速，机轮的相对滑移率逐渐减小：当结合力矩小于 刹车力矩时，机轮减速，机轮的相对滑移率逐渐增大：当结合力矩等于刹车力 矩时，援轮速速转动，在一个较短懿跨闻内霹以试麦援轮瓣穰对潺移奉基本维 持憾瓮。当滑移率较小时，刹车压力比较小，也就是刹车力还比较轻，机轮的 滑移率还较浅，遂时地面所提供给机轮的摩擦系数也比较小，所以产生的制动 力凌不是攫大，藏饕翻车压力戆增大，潺移率增大，摩擦悉数也逐澎髦大，地 面提供给飞机的制动力也随着增大，刹车效率逐步提高，幽刹车压力增加到使 机轮产生的滑移率达到对应于峰值处最大结合系数滑移率时，系统的刹车效率 毽裁上秀至1 0 0 ，毽是翅栗继绥提毫囊辜爨力，使灞移率超遂缝合系数漳壤对 应的滑移率后，该摩擦系数便会迅速衰减，如果不能及时觯除刹车，机轮很快 便会刹死，出现撒胎现象。在这种情况下，机轮的滑移率达到最大值1 ，不仅 剥车效率缀低，瑟薤轮骆瘗臻菲零严重，对飞撬来说，拖疑稿一严重簸会造成 爆胎，威胁到飞机安全，很可能由此引发事敞，因此必须及时予以解除，并待 机轮转速恢复以餍再次进行刹车，逐步逼近最大结合系数点。对刹车过程的控 裁氇貔是改交这耱接涮簿，著溪繁控裁系统参数，使凌轮籍与建瑟之瓣摩擦系 西北工业大学硕l 论文第二章防滑刹车系统分析及矬模 数产生的结合力矩达到或接近于最大值来提高刹车效率。 由上面的分析可知，飞机刹车制动主要依靠刹车时轮胎和地面问产生的结 合力。在飞机重量一定的情况下，影响结合力的因素称为结合系数u 。而结合 系数又受多种因素的影响，比如飞机速度、滑移率、跑道状况、轮胎型别以及 环境因素等。其中飞机速度和滑移率最为重要，定量分析飞机速度和滑移率对 结合系数的影响比较复杂。文献【1 】中提出了一种描述结合系数与滑移率的函 数表达式。该关系式利用机轮抱死时的结合系数( u 。j 、结合系数最大值( “ 。0 及其对应的滑移率( 0 。) 就可确定。结合系数和滑移率的关系曲线如图2 2 所示( 图中曲线是对实验数据进行拟合得到的) 。 u u 。 一 u 。1 “。i j 、一， 0 o 。l0 图2 - 2 结合系数与滑移率的关系 描述结合系数和滑移率关系的表达式为： = d s i n ( c a r c t g ( b )( 2 1 ) 式中，b 、c 、d 均大于零。在文献【l 】中还详细的讨论了b 、c 、d 的范围。本 文中在干跑道，湿跑道，冰跑道上b 、c 、d 的值参考了文献【1 】中的数据。 不同飞机速度时结合系数和滑移率的关系曲线如图2 3 所示，可以看出随 着飞机速度增加结合系数峰值点将向滑移率小值方向移动。图2 3 中曲线也是 根据实验数据进行拟合得到的。 西北丁业人学硕 一论文第二章防滑刹中系统分析及矬模 实际上，机轮和跑道之间的特性是非常复杂的，图2 - 3 仅给出了随着飞机速 度的降低和滑移率的改变，曲线在副值上和形状上发生的变化；其实跑道的干、 湿、冰状态及其程度和跑道的材料( 水泥或者土跑道) 也极大的影响着u 值的 大小( 见图2 - 4 ) ；除此之外，轮胎的弹性、材质、花纹、充气压力对其也有不 同程度的影响，而且在刹车过程中，由于刹车时要产生大量的摩擦热，会造成 轮胎弹性的降低，因此“值还要不断的发生变化，单纯的想把u 值精确地控制 在最大值实际上是非常困难的。 u o 6 o 4 o 2 o v l _ _ 一 l v 2 一一 ，7 v 3 2 0 4 06 08 0 6 。p 图2 3 不同飞机速度时滑移率与结合系数的关系曲线( v 1 v 2 , u m n ( 3 1 ) 所以一5 用n b 表示。 一6- - 5432- - 10l23456 p booo00o0o0o 1o 4o 81 o p moo0o00o00 2o 71 00 7o 2 p s0o00 o ooo 91 oo 70 2oo o0o0ooo 5l _ 0o 5 00 oo o n soo0 2o 71 0o 90o0o0oo n m0 20 71 0o 7o 20oo0o000 n b 1 o o 80 4 0 10 oo0ooooo 表3 1 模糊子集的量化 其中：n b = 负大，n m - 负中，n s = 负小，o = 零，p s = 正小，p m = 正中，p g = 正大 如果精确量x 的实际变化范围为 a ，b ，将【a b 区间的精确量转换为 6 ，+ 6 区间变化的变量y ，采用如下公式： y = 1 2 x 一( a 十b ) a ( b a ) ( 3 2 ) 由式3 2 计算的y 值若不是整数，可以把它归入最接近于y 的整数。 两j r 韭人学颀l 论| 虫= 第二章虢潘剥车系统中的模糊控制 2 1 第二种方法怒将在某区阊的精确量x 模糊化成遨样的个模糊子集，它在点 x 楚慕藩凌为l ，除x 点外英余各点豹裳疆凌均取0 。 2 、模糊捺理 模糊推理有时也称为似然推理，其一般形式为 i fxi saa n dvisb t h e nzi sc i fxi saa n d ￥i s8 t h e nzi s ? 当给定的前提为模糊集时，可以采用似然推理方法进行推理。然而模糊控 制中得到的新的输入变量( 如误茇和误差变化) 往往不是个模糊子集，而是一 些孤点( a = x o ，b = y 。) 。此时模糊维理方法略有些不同。一般可分为三类。 馁设有如下嚣条擢毽簸粼： r i ：i fxi s a ia n dyi sb i 。t h e nzi s c l r 2 ：i fxi sa 2a n dyi sb 2 ，t h e nzi sc 2 i ) 第一类推理方法亦称为马丹尼极小运算法。计算方法如下，着已知 x - - x 。，y = x 。，刚新静隶耩度免： 鳓( z ) = 【掰l 玩( z ) 】v p 2a 譬c 2 ( z 霹 ( 3 3 ) 箕中：c o l = ( x o ) a h b , ( 岁o ) ( 3 4 ) 甜2 = 如( x o ) a i 岛溉) ( 3 5 ) 蓑合成方式簌接采黉i 极大极小运算，计舞院较筏犟。 2 ) 繁二类攫理方法瞧稼夯控森慕积运箕法。北时由( x 0 ，y 0 ) 秘摸椒觏则r i 与 r 2 褥到的合成缩果为： c ( z ) = 【l 卢g ( z ) 】v 【m 2 段、，( z ) ( 3 6 ) 式中、( i ) 。计算间上。 3 ) 第三类推理方法这类推理方式是由日本学者t s u k a m o t o 提出，适于隶属度 为攀谖静情况。给定瓣x = x 。y = x 。有 z 。：型塑渔7 ) 1 十珊2 州北工业_ 人学硕士论文第三帑阱滑刹车系统中的模糊挣制 式中：铲j 互2 = 0 ( 玫，2 ) 3 、去模糊纯 作为一个控铡系统，最终宠要产生一一个确定的德号，并必此推动执行移i 构，实现对系统的物理的控制。丽经过模糊推瑷所得的控制鬣是一个模糊矢量， 不熊纛接蠲予控铡皱控对象，必须先经过转纯为一令技 亨撬稳哥以接受豹精确 爨，这就是去模糊化过程。它包含两个内容：首先将全部被激活的模獭规则组 合输出，然后将其变换为精确的可执行鬃。它是从模糊空间到清晰空间的一种 映射，这个缺瓣称为判决。鬻趣躲方法有： 1 ) 最大隶属度法 这个方法楚在输出模糊熊台中选取隶属度最大的论域元索为判决结果，如 聚在多个论域元豢上弱器重出现隶缓度最大徨，剩鼗它裁麴乎穆壤薅为裁决缝栗。 最大隶属发法熊够突如主蘩信息，丽且计裁简单，毽概括的狺患量少，只 能用于控制性能要求般的系统中。 2 ) 敷中经数法 为充分剥髑输出摸糊集合掰包含的倍感，可将描述输出模糊集食黪隶属遁 数曲线与横坐标围成的面积的均分点对应的论域元素作为判决结果。这种方法 秣为取中位数滚。 与第一秘方法捆比，中傻数法摄括了更多熬信息，但计算复杂，尤冀是在 计算述续隶属踊数时，需求解积分方程，因此应用场合较少。 3 ) 热毅平均法 规权平均法是模缴控制系绫中应用较为广泛的一霉孛瓤决方法。葵诗舞公式 如下： ，哆 扩= 岂_ 一 ( 3 + 8 ) 七， i = l 邑有研究袭髑，嬲权平均法魄中位数滋舆程更加的链熊，雨中餐数法的动 西北丁业人：笋顺一。论文 第三章防滑刹车系统中的模糊控制 态性能要优于加权平均法，静态性能略逊于加权平均法。 3 1 2 控制规则设计 模糊规则的设计是实现模糊控制器的关键，一般包括三部分设计内容：选 择描述输入输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的 控制规则。 1 、选择描述输入输出变量的词集 模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入 输出变量状态的一些词汇( 如“正大”、“负小”等) 的集合，称为这些变量的 词集。一般选中“大、中、小”三个词汇来描述模糊控制器的输入、输出变量 的状态。由于人的行为在正、负两个方向的判断基本上是对称的，将大、中、 小再加上正、负两个方向并考虑变量为零的状态，共七个词汇，即 负大、负中、负小、零、正小、正中、正大 用英文字头缩写： t n b ，n m ，n s ，z r ，p s ，p m ，p b 、 其中n ：n e g a t i r e ，z ：z e r o ，p ：p o s i t i v e ，b ：b i g ，m ：m i d d l e ，s ：s m a l l 。 选择较多的词汇描述输入、输出变量，可以使制定的控制规则方便，但是 控制规则相应变的复杂。选择词汇过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器 的性能变坏。一般情况下，选择上述七个词汇，但也可以根据系统需要选择三 个或五个语言变量。 描述输入输出变量的词汇都具有模糊特性，可用模糊集合来表示。因此， 模糊概念的确定性问题就直接转化为求取模糊集合隶属函数的问题 2 、定义各模糊变量的模糊子集 定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集的隶属函数。隶属函数有 时是以连续函数的形式出现，有时是以离散的量化等级形式出现。将确定的隶 属函数曲线离散化，得到了有限个点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊变 量的模糊子集。常见的隶属函数类型为： 西北j “业人学倾t 论文 第三章阱泔刺车系统中的模糊控制 ( 1 ) 三麴形型这耱隶属函数懿形状秘分毒虫三令参数表示，一般可攒述为： | 等勒 z v w 其中：v r 为参考速度电压： a 为参考速度的减速率： v r o 为转换点处的机轮速度电压； 基准速度级之所以要这样设定是因为实验已经证明可行，当基准速度按照 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 两北1 ：韭大学硕0 论文第三三章簖辩裁车系统中的模期拎铡 定。本缀敦输出凑送至魄较缀，与瓿轮速度 乍眈较露产生速度差售号，繇以减 速率是一个根重要的参数，成根据不同跑道情况做相应的调整。减速率如果设 翟镶大，参考速度下降缀快，鄹会捷眈较缀输出的遥度差编小，并羹不麓 巢簿 足够的时间宽度，让控制盒及时作出反应，表现为系统不灵敏，不能及时解除 视轮的打滑现象，丽减速率菪设置偏小，参考速度下降变慢，眈较缀输出的速 度茇过大而且持续时间长，造成控制盒长时间地输出电流过大，机轮打滑勰除 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， 不能楚分利j ； l 选嚣掰戆提供的结合系数，这样势必会造成骁潢系统工馋频率降 低。图3 - 6 ( a ) 时是参考速度的原理框图。 缀据器疆框蓬建立豹魏囊模型强遁3 - 6 矗：( 3 。1 6 ) 一巧一巧，l 0 其中：v ，为p b m 级的输出电压； 吃、蠓均代表状态转换点处翁v i 谴； v 。为p b m 级的门限值； k 。为爵压逮搴： k ，为放电嬲速度： 堕苎! 些查兰堡! ：堡兰 篓兰兰堕登型羔墨篓主堕篓塑笪曼l i 口口 0 图3 - 8p b m 级模型 p b m 级的模型见图3 - 8 ，它的输入端是跣较级的输出信号。其中0 4 表示 个f 1 双，4 4 弋替状态转换点处敌傻。 3 ，4 ，5 模糊控制级 刹用m 射l a b 的模糊控制工具褴可以缀容易的实现3 3 节介绍的模糊控制 器。模糊控制工具箱是进行模糊推理和模糊控制器仿真的工蹙包，它熊成了f i s 编辑器、隶溪丞数续辑器、模糊嫂粼编辑器、趣烈淄楚爨积浚出溺燕器等可援 化工具，使用户快速开发设计模糊控制器成为可能。当然，这些工熬实质都是 由开发者受m a t l a b 蠲户编霉戆瓣文传或s 瞒数缓或翡，翔f u z z y 1 l l 等等。这些 以i n 为后缀名的文件通常放在f u z z y 目录下，用户也可以在m a t l a b 编程环境 中擎独编程调用这冀文件或函数。 l 、定义输入输出变髓 进入m a t l a b 编税环境麻键入f u z z y 即可进入f i s 编辑嚣，如图3 9 所示。 f i s 编辑器是摸糊撵理系统的主界聪，它集成了寨糕函数编辑器、模糊规则编 辑器、规则浏览器和输出浏览器等功能，通过主菜单可以选择。可以在f i s 编 辑嚣中设菱模糊控制嚣夔攘糊冀子( 始a n d 或o r ) 、辕入辕感交量个数( 霆中 为两个输入变量，一个输出变量) 、模糊变量名称、模糊推理系统的类型( 可以 采麓m a m d a n i 或s u g e n o 掰萃孛类黧) 溢及释模糊亿的方法( 鲡穗稷重心法 c e n t r o i d 、中位数法b i s e c t o r 、最大隶属度法i b o i b 等等) 。 西北工业大学硕士论文 第三章防滑刹车系统中的模糊托制 图3 - 9 模糊控制工具箱编辑器主界面 2 、定义语言变量隶属函数 双击f i s 编辑器中的输入变量或输出变量方框，就可以进入隶属函数编辑 器主界面，对模糊变量的隶属函数进行编辑，如图3 一1 0 所示。 图3 一l o 隶属函数编辑器 选中要编辑变量的图标，确定当前变量量化等级的范围( r a n g e ) ；选定e d i t 两北1 1 + 业大学硕i 。论文 第三章舫滑刹车系统中的模糊挡制 下控蘩摹a d dm f s 逸顼，打嚣确定变量隶_ | i 甏醢数戆密蜀，懿霆3 一l l 酝示。 图3 1 l 确定交量隶瘸蕊数翡密霜 确定隶属函数的数量，即变量语言值模糊子集的大小，本文隶属函数的数 量为7 ；然后确定隶属函数的炎趔，编辑器中提供了8 种类型的隶属醺数，我 稍酝逸蠲隶属函数魏类鳌为赢簸整。礁定了变夔的隶属涵数戳嚣，关闭黼3 一l l 所示的窗口。由圈3 - i 0 可以餐出变量e 的论域为 一2 ，2 ，变量的模糊集为 n b ，n 眠n s ，z e ，p s ，p m ，p b ，隶属函数豹类型为筒斯型。 3 、定义模颧控澍裁粼 双击f i s 编辑器中流程图里的规则方框即w 进入模糊舰则编辑器主界面，如 图3 一1 2 所示。其中模糊规则编辍框实际上燕个文本编辑糕，只要用户按照规定 的模襁疲嬲书写格式编写模襁麓鬟| j ，诗算橇赣可懿禳据模糊獾理合成疯刘进行 模糊矩阵计算。 圈3 1 2 援剐编骧嚣 两北。t 。北入学顺 。论空 第三章防滑刹车系统中的模糊招r 制 4 、输出预览 警蕊弼输入无误霜，选择f i s 编辑器等密傣主菜单中的v i e ws u r f a c e ， 可以褥到经模糊决策矩阵运算并解模糊化后得到的三维坐标图，如图3 1 3 所 不。 图3 一 3 输燃预览器的三缭坐标图 每个坐标轴代表一个模糊变辍，坐标范戮就是该模糊燮爨的论域，通过鼠 标拖动可以旋转坐标轴，不同的变量可以任意选用不同的嫩标轴得到不同的观 察视建。图3 一1 3 中，x 、y 轴分嬲表示输入模糊变量e 和腿，z 辘表示输继模 辍交爨u 。由就可露出该三维坐标图穗当于一个模糊控翮焱询表，可以缀直观 地校骏模糊规则编霹得是否合理。 5 、规则查看器 。 选择主菜单中的v i e wr u l e s 予菜单， t 开规则查着器，还可以针对模糊 控制器的输入输出进行仿真检验。规则查看器用于显示各祭模糊控制规则对应 的输入璧积输出量黪隶羼函数。邋过指定输入爨，可以壹戏曩煞显示疑采蠲躲控 铡瓶鞠，以及通过梭期推理褥劐稠应输出量的过程，以便对模糊规则进行修改 和优化。参见图3 - 1 4 。 两北1 业入学顺i j 论义 第三章舫泔刹车系统中的模糊摔制 图3 1 4 巍则查凌器 当模襁蔽刚编辑完以后，橙可以将已设计好的模糊控制器模型存盘，文件 名后缀为m s ，用和可以随时调用该文件以修改模型。用户也可以选择主菜单下 的“s a v e t o w o r k s p a c e ”憋计算结果以矩阵变量豹形式存入内存缓冲区，从霹可 以在s i m u | i n k 仿真平台上将该矩阵变量作为参数赋给一个封装的f u z z y 模块， 使设计好的模糊控制器作为模糊控制系统中的一个组成部分参与仿真过程。 3 4 。6 综合级 综合级的功能就是把p b m 和模糊控制级的输出按各融的权值叠加，并且 陵裁一个最大懿输爨俊，表达式黧下： = k “_ + k c 目u且k l 。 ( 3 1 7 ) 其中： v s 为综合级静电压输出； k l s 为p b m 级的平衡系数； k u 。为模糊控制级的平衡系数； 出褒达式可以明驻地看出，通过改变各级憋放大倍数霹以分裂谴节p b m p 叫r 业大学坝f 一论文 鹕三章防荆刹车系统中的模糊摔制 和模糊控制级对防滑控制作用的大小。 3 4 7 驱动级 驱动级的主要作用是把综合级的电压经过功率放大转换成恒流源输出，用 以驱动伺服阀，控制刹车压力。表达式如下： ，。= k 。u( 3 1 8 ) 其中：i o 为控制盒输出的防滑电流； k c 为电流放大倍数； 这里的功率放大倍数能线性的改变整个防滑系统的控制增益，也就是控制 盒的最后一级，它输出的电流将送给伺服阀，控制机轮的输出压力。由于伺服 阀有最大电流的