（电力电子与电力传动专业论文）飞机防滑刹车控制系统的结合系数研究.pdf

西北t 业大学硕十学位论文 a b s 仃a c t a b s t r a c t h lt l l em o d c n la i r c r a f t ，t 1 1 e 卸t i s l 【i db f 越n gs y s t e mi so o f 也em a i na i 】慨e d e 、r i c e s 锄dp l a y sav e 叮咖o n 锄tr o l ei i ls a f c l yt a l ( c o 仃卸dl 卸d i l l g n eg r o u n d a d l l e s i o nc o e 衔c i e n t s l i pr e l a t i i sa n a l y s e d 锄dr 船e a r c h e db y 向l l rm e m o d s f i r s t l y ；a i m i l l ga tp a c c j k am o d e l ，t h er 锄g eo ft h ep a r 锄e t e rb ，c ，d 锄de f 跳so nt l l e p a c e j k ac u r v e ss h a p e si sd i s c 吣s e d s e c o n d l y ，n o n 1 i n e 撕t yc h a r a c t e r i s t i co fg r o u n d a d l l e s i o nc o e 伍c i e n t s l i pi sr c s o l v e db yt l l eb pa l g “t l l mo fm en e u r a ln e t w o f k ，m e 出咖mm e 弱u r e do nt h et e s t - b e da r cd r e wu p ，a n dr e l a t i o no fc o e 伍c i e m s l i pi s u g h t f i n e l y 1 l l i r d l y ，u s i n gn i z z yc o n 舡d lt 0r c l v em en o n l i n e a r i t yc h a r a c t 甜s t i co fg r o u d a d h e s i o nc o e 伍c i e n t s l i p b yi d e n t i 刨n go nl i n e ，d e s i 嘶n gan l z z yc o n 仃o l l e r 卸d d e 丘n i n gt h em l e so ff i l z z yc o n 仃o l ，m cc u r v eo ft h er e l a t i o n s h i po fc o e 伍c i e n t - s l i pi s s o u g h tf i n e l y f o n h l y ，a 1 1o n - l i i l ep 咖c t e ri d e n t i f i c a t i m e t h o dt h a ti sl e 勰t s q u a r ei s p r e s 锄t e db e c a 吣e 协ec o e 瓶c i 朗tb e t e e nt y r ca l l dm r l w a yh a s n tb e g o t f i m l l y ，s i l l l u l a t 吨t 1 1 es y s t 锄i nm em a t l a b s m u l i n l ( ，t l l c l ia i l a l 讧n ga n d c o r n p a r i n gt h er e s l l l t so fs i m u l a t i n g t h er e s u l t si 1 1 d i c a t et h a tt h es y s t c mw l l i c ha d o p t s t l l em e l o do f a r t i f i c i a l i n t e l l i g 明c e 锄da b i l i t i e si sm o r ee x c e l l e i l tt h a nt l l es y s t 锄t h a t a d o p t st h em e m o do f m a t h 锄a n cc a l c u l a t i n g 1 【e yw o r d s ：m a 舀cf 0 彻u l a ；n e u r a ln e t w o r k ；如z z yc o n 由r o l ；l e 鼬“s q u a r em e t h o d u 西北= f 业大学硕十学位论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 在现代战争中，空军起着越来越大的作用。高性能的作战飞机已成为左右战 局发展的关键。所有一切，都是依仗飞机的高性能。作为机载设备的飞机刹车系 统也起着很重要的作用，它关系到飞机的安全返航、持续作战和适应机场的能力。 据美国联邦航空局( 姨) 报道，八十年代美国国内至少发生了4 0 0 起与地面操纵 有牵连的飞机事故，从近几年我国飞机事故的统计数据来看，大多数都发生在起 飞和着陆时，由于防滑刹车系统未能正常工作的事故占了很大比例。因此如何有 效的提高飞机的刹车效率，缩短滑跑距离，提高飞机对各种载荷状况、跑道状况、 气候条件的适应能力，成为飞机刹车系统研究的主要目标。提高飞机的起降性能 是提高飞机的战斗力，保证飞机安全的重要方面。 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。 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，即地面结合系数滑移率关系的确定，是研究飞机刹 车装置的关键。 飞机防滑刹车研究中遇到的主要问题是刹车系统的复杂性和刹车工况的不 确定性。影响飞机刹车系统性能的诸多因素之间的关系具有很强的非线性和时变 性，使得传统的控制理论不能圆满地解决问题。现有的飞机刹车控制系统只是在 一种近似理想的条件下工作，与实际情况还有一定的差距。 飞机防滑刹车系统的发展从控制规律上看，经历了从基于机轮转速的控制， 到基于参考减速度门限的控制，再到基于滑移率门限的控制，最后发展为基于最 佳滑移率的控制；从控制理论上分，经历了从机械式控制到传统控制理论，再到 智能控制理论的过程。 本文重点研究轮胎地面结合系数一滑移率的关系模式，分别采用p a c e i k a 魔 两北丁业大学硕士学付论文第一章绪论 术公式、神经网络、模糊控制和最小二乘法这四种方法来进行研究，并进行比较。 p a c e i k a 魔术公式和最小二乘法是数值计算方法，神经网络和模糊控制是人工智 能方法。人工智能的方法与数值计算的方法各有优缺点，数值计算在每个控制顶 点的位置数值都是准确的，它是依靠这些离散点对整修曲线进行拟合，但灵活性 不足，不能根据控制顶点的趋势变换光滑度，在实际的控制中智能化不足；人工 智能的方法具有强大的并行计算能力，极高的自学习和自适应能力，这使得控制 灵活性强、计算简单( 所有计算次数均为一次) ，但是构造人工智能算法所用的 时间较长，如采用神经网络时训练一个网络所需时间较长，在模糊控制中对控制 规则的合成运算也较为复杂。 1 2 飞机防滑刹车系统的发展历史和现状例 二十世纪一十年代，飞机首次采用机轮刹车技术；二十世纪二十年代，飞机 普遍采用机轮刹车技术；二十世纪三十年代，飞机开始采用液压刹车系统；二十 世纪四十年代，飞机开始采用盘式刹车装置；二十世纪五十年代，英国d l l i l l 叩 公司发明了防滑刹车系统，这是一种机械式防滑刹车系统，当时在西欧的旅客机 上广为使用。二十世纪六十年代，模拟式电子防滑刹车系统开始出现。七十年代 后期数字式防滑刹车系统开始出现。在液压防滑刹车系统的发展过程中，还出现 过电传刹车系统，它与普通液压刹车系统原理基本是一样的，唯一的区别是在驾 驶舱内安装的是电传控制器，而不是刹车阀。电传控制器输出的交流电信号幅值 与驾驶员踩脚蹬的位移和操纵力成正比，给驾驶员在操作时提供一定的位移力和 力感。 由于液压系统液压油容易泄漏引发火灾，并且难以维修，以及考虑到“多电 飞机的应用”，到二十世纪八十年代初期川，美国空军与飞机刹车系统公司l o r a l a j r c r a f tb r a l 【i n gs y s t e m s 开始进行电刹车研究的合作，并计划在a l o 飞机上进 行试验，虽然当时由于电刹车系统诱发了a 1 0 飞机主起落架水平方向的振动， 因而无法在飞机上进行试验。但是惯性台试验结果表明，电刹车系统的刹车效率 优于液压刹车系统的效率。随后，美国空军又实施了一项为期三年的电刹车计划， 试验的飞机是f 一1 6 “儿3 ，防滑控制盒在h y d r 0 1 a j r c 公司的m 删v 上进行 改装，刹车装置由b f g 运动控制公司提供。参与此项计划的还有麦道公司、b f g o o 埘c h 机轮与刹车公司。结果也表明，电刹车是下一代飞机高性能的刹车系统。 h o n e y w e l l 【釉d i n gs y s t 锄s 也一直在研制开发电刹车系统，以机电作动机构 代替活塞轴承集合。其目的在于发展和验证e m a ( e l c c 仃d m c c h a l l i c a l 叫i o n ) 和p c e ( p o w e h o n 仃0 le l e c 仃o n i c s ) 技术。1 9 9 8 年，e m a 硬件与f 1 5 e 炭炭刹车 结合，已成功通过了实验室硬件和动态测试仪测试。2 0 0 0 年公布e m a 应用于军 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 用飞机，目前正实施商用飞机应用计划。 另外，法国梅西埃比加蒂公司也在为其干线飞机研制简式全电刹车系统， 这也是该公司推出的一种低费用的下一代刹车系统。该公司为a 3 1 9 ，a 3 2 0 、a 3 2 l 干线飞机发展的这种新型刹车系统已在1 9 9 6 年底得到空中客车工业公司的批 准，目前被a 3 4 0 5 0 0 6 0 0 干线飞机所选用。2 0 0 0 年首次测试了空中客车a 3 2 0 单走廊家庭式一4 8 机轮，2 0 0 1 年4 月首次测试了a 3 4 0 - 5 0 0 6 0 0 宽机身一1 2 机 轮。在美国公司研制的电承车系统中采用的是机电作动机构，而在法国公司研制 的系统中采用的是电动静液作动器。该作动器由电动机、液压泵、液压马达等部 件组成。显然，在该系统中仍需一个分布式的小型电动和电控液压系统。 英国在9 0 年代末也开始发展电刹车系统，目前已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。 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统， 已运用于运十飞机上。j 近年来，电子防滑刹车系统有了很大发展。先后为j 8 l l ，j 8 1 1 1 ，j 7 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 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 谢系统相当。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已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。 1 3 跑道表面结合系数的认识旧 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 两北r 业人学硕十学付论文 第一章绪论 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 m u l l l 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 ns 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 曲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 l 【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 侧向的耦合关系。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，考虑其之间的耦合来分析侧偏角、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 e i 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 l l 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 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 i 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。 4 两北丁业大学硕十学位论文第一章绪论 而且，p e i k a 和m i c h e h n 两组人提出的模型都已通过测试，并验证了它们的有 效性。 p a c e j l 【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 4 论文的工作及关键技术 论文的主要研究内容是： 1 基于p a c e i k a 模型的结合系数研究。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。通过确定参数的取值范围加以限 制，就可以减少迭代运算次数，减轻计算工作量，给应用带来方便。 2 基于神经网络的结合系数研究。采用神经网络中的b p 算法来拟合出最 优的地面结合系数与滑移率的关系曲线。 3 基于模糊控制的结合系数研究。采用模糊控制方法来处理地面结合系数和 滑移率的之间的非线性关系。 4 针对一种结合系数与滑移率的函数关系表达式，提出了一种运用最小二乘 理论对关系式中的参数进行在线识别的方法，从而得到轮胎与跑道之间的数学模 型。 关键技术： 1 结合系数与滑移率关系式的在线识别。结合系数对防滑刹车系统的性能有 重要影响，结合系数的数学模型对系统的仿真有效性也有影响，但结合系数无法 直接测量得到，研究表明，滑移率和飞机速度是影响结合系数的主要因素。 2 采用神经网络的b p 算法来解决结合系数滑移率之间的非线性关系。在进 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。 3 采用模糊控制方法对地面结合系数和滑移率的之间的关系进行在线识别， 设计模糊控制器，确定模糊控制规则，从而寻求到最优的关系曲线。 1 5 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，结合系数的情况，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的组成和工作原理，并对系统各个部分 的结构和功能进行了分析。 两北t 业大学硕十学付论文 第一章绪论 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，进行尉坤 经网络的参数辨识，达到曲线的最优拟合。 第五章基于模糊控制的方法来进行地面结合系数一滑移率关系的研究，拟合 出最优曲线。 第六章利用最小二乘法通过对一种描述结合系数与滑移率函数关系式中参 数的在线辨识，得出轮胎与跑道之间的数学模型。 第七章通过对防滑刹车系统的建模，将四种方法所得到的仿真结果进行比较 和分析。 第八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。 6 西北工业大学硕十学位论文第二章刹车系统组成和1 = 作原理 第二章刹车系统组成和工作原理 2 1 飞机防滑刹车的理论依据 飞机着陆后。在地面上滑跑可能出现三种状态： 1 飞机机轮处于纯滚动状态，即飞机机轮在地面滚动而不滑动，这种状态 是出现在飞机着陆至开始刹车阶段或者松刹后机轮和飞机具有相同速度的情况 下，这时机轮未受任何制动而完全自由的在地面上滚动。 2 飞机机轮处于纯滑动状态，即飞机机轮在地面滑动而不滚动，这种情况 出现在机轮刹死的情况下，一旦出现这种情况，轮胎将急剧磨损，引起爆破事故， 这种状态是我们要极力避免的。 3 飞机机轮处于又滚又滑状态，即我们通常所说的刹车状态，也就是我们 要研究的刹车过程。 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，显然，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我们称为结合系数的一个无量纲因 子p ，该结合系数不是一个常量，它受许多因素的影响，并且存在着极其复杂的 非线性关系，这种关系需要通过大量的实验研究得到。 美国兰利中心在七十年代作过这方面研究，他们设计出各种测量装置：j 锄e s 刹车减加速计、m u 测量仪等等，在不同的跑道结构( 如碎石路、柏油路、水泥路 等) 、不同的气候状况( 干、湿、积水、冰盖、雪盖跑道) 、不同的飞机速度、不同 的滑移量以及不同的轮胎表面状况( 轮胎花纹结构、槽型、槽数、充气压力) 下， 进行了大量的、基础性的工作。其做法是将一辆卡车或汽车从给定速度以全速进 行刹车，测量出从给定速度到刹停的距离s 或时间t ，然后进行估算，按距离估 算：= v 2 ( 2 g 。s ) ，按时间估算：= “( t + 曲，一般情况下，按时间估算的偏小， 因为停表有一定的时间，t 偏大：按距离估算的偏大，因为刹车到一定程度时， 机轮才开始滑动，s 偏小。对于冰盖和雪盖的跑道挪威和瑞典也进行了有关的试 验。所有这些测试得出了如下一些结论： 1 不同的路面结构的影响。轮胎与地面间结合系数从大到小依次为：石英石混 合路面、柏油路面、鹅卵石混合路面、磨光的水泥路面及草地，有槽的路面结合 系数较高。 2 轮胎表面状况的影响。直纹轮胎比波纹轮胎有更好的结合性，槽数多结合 系数大，但最多到六条。轮胎承载能力和压力提高，结合系数减小，磨损后的轮 胎对干跑道上的结合系数影响较小，对湿的和污染状态下的跑道，其结合系数将 7 西北丁业大学硕士学佑论文 第二章刹车系统组成和r 作原理 显著降低。在内场模拟外场的试验时，通常通过减小轮胎压缩量，达到减小轮胎 载荷，减小结合力来模拟湿跑道、积水跑道的状况。 3 不同气候条件的影响。试验表明：潮湿路面的结合系数低于干跑道，路面上 覆盖水、雪、冰时，结合系数将降低更多，但是当水、雪较厚时，则滚动阻力将 急剧的增大，而结合系数降到很低，甚至出现轮胎脱离地面的状况，即所谓的水 滑状态，总之，路面状态对摩擦系数的影响是相当复杂的。 4 飞机速度的影响。随着飞机滑行速度的增加，结合系数减小，并且在干跑 道上变化很小，而在湿跑道上变化较大。飞机滑行速度与结合系数的关系影响了 飞机刹车时参考减速度的设定，在刹车时，高速段滑移量不能定的太高，否则会 引起轮胎磨损加快，据估算，在高速时，如果滑移时间超过o 1 5 ，轮胎表面就有 可能被切掉的危险。 5 滑移率的影响。滑移率的定义如下：滑移率仃= ( 飞机的速度刹车机轮的 速度y 飞机的速度，滑移率对结合系数的影响非常复杂，当滑移率从o 开始增大时， 结合系数也随着增大，直到达到一个峰值后，随着滑移量的继续增大，结合系数 开始降低。也就是说，在整个刹车的过程中，结合系数存在着一个最大值， 它对应的滑移率为最佳滑移率仃。，滑移率和结合系数的关系见图2 1 p 。| l “ o 口， 1 仃 图2 1 结合系数与滑移率的关系曲线 在盯。处，轮胎对跑道的结合系数最大，此时刹车效率最高，但是在整个刹 车过程中，飞机速度和机轮速度是不断减小的，并且不是按同一减速率减速，因 而滑移率仃也在不断的变化，这必然引起与之有关系的结合系数p 发生变化，同 时，正如前面分析的，还受着其它诸多因素的影响，因此，结合力矩也在不断 变化。为了达到最佳刹车，应不断调节刹车装置的刹车力矩，以使刹车机轮是在 相对滑动量与轮胎对跑道结合系数的最大值完全相对应的情况下产生滚动，或者 在其附近区域工作。 2 2 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 两北t 业大学硕七学位论文第二章刹车系统组成和工作原理 成，其组成原理结构如图2 2 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 厂一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 图2 - 2 防滑刹车系统的组成( 虚线框内为防滑控制系统) 2 3 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问产生的结合力，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“， 该系数不是一个常量，它受诸多因素的影响，并且其问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 3 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 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 9 西北丁业大学硕十学何论文 第二章刹车系统组成和工作原理 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 3 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、防滑控制盒和电液压力伺服阀组成。 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，就是当机轮速度下降过快时，认为已经出现了打滑，这时就输出一 个大的电流，传送给电液伺服阀，解除刹车压力；机轮打滑越严重，打滑时间越 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，接收从刹车阀 来的刹车压力，并由防滑控制盒输出的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 3 3 系统分析 飞机着陆以后，飞行员脚踩刹车，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，机轮的转动其实就 l o 两北t 业大学硕士学位论文第二章刹车系统组成和工作原理 是结合力矩与刹车装置产生的刹车力矩共同作用的结果，当结合力矩大于刹车力 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，机轮恒速 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，也就是刹车力还比较轻，机轮的滑移率还较浅，这时 地面所提供给机轮的摩擦系数也比较小，所以产生的制动力也不是很大，随着刹 车压力的增大，滑移率增大，摩擦系数也逐渐增大，地面提供给飞机的制动力也 随着增大，刹车效率逐步提高，当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，系统的刹车效率也就上升至1 0 0 ，但是如果继 续提高刹车压力，使滑移率超过结合系数峰值对应的滑移率后，该摩擦系数便会 迅速衰减，如果不能及时解除刹车，机轮很快便会刹死，出现拖胎现象。在这种 情况下，机轮的滑移率达到最大值1 ，不仅刹车效率很低，而且轮胎磨损非常严 重，对飞机来说，拖胎稍一严重就会造成爆胎，威胁到飞机安全，很可能由此引 发事故，因此必须及时予以解除，并待机轮转速恢复以后再次进行刹车，逐步逼 近最大结合系数点。对刹车过程的控制也就是改变这种控制律，并调节控制系统 参数，使该轮胎与地面之间摩擦系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间产 生的结合力。 西北下业大学硕十学位论文第二章基丁p a c e j k a 魔术公式的跑道表面结合系数研究 第三章基于p a c e j l 认魔术公式的跑道表面 结合系数研究 3 1 魔术公式 魔术公式是由荷兰d e l f i 工业大学p a c e j l r a 教授提出的，用三角函数的组合 公式按拟合实验轮胎数据，得出了一套形式相同可完整地表达纵向力、横向力、 回正力矩的轮胎模型公式，故称为“魔术公式”。其一般表达式为： 】，= ds i n ( c 孤c t a n ( 曰矿) ) + 丛， 妒= ( 1 一d ( j + 鲻。) + ( e 曰) 盯c t a n ( 曰( x + 丛 ) ) ( 3 1 ) 式中：d ：峰值因子，表示曲线的最大值；b ：刚度因子；e ：曲线的曲率因 子，表示曲线最大值附近的形状；c ：曲线形状因子，即曲线代表的是横向力、 纵向力还是自回正力矩；鼠：曲线水平方向漂移；鼠：曲线垂直方向的漂移。 仅曲线的形状因子c 与载荷无关外，其余参数都与载荷有关，可表示为： d = 口l 巧+ 口2 c ；e = 口6 巧+ 口7 c + 口8 ( 3 2 ) 横向力零点处的刚度同c d = 如s 姒口4a r c t a i l ( 如e ) ) ； 刚度因子 口= b c d ( c d ) 对回正力矩和纵向力则有： b = ( 口，巧+ 口。e ) e 幻 ( 3 3 ) 侧倾角，仅与曲线零点的水平、垂直漂移和刚度因子有关，所以仅对这三个 因子进行修正，即：咒= 口9 ，；鼠= ( 口。o 巧+ q 。c ) ， ( 3 4 ) 计算侧向力和回正力矩时，对刚度的修正用( 1 一q ：) ，计算回正力矩时， 对e 进行修正用( 1 4 。，j 巾。这样用q ( f = l 1 3 ) 这1 3 个根据数据拟合出的参数 就可以表达轮胎的主要力分量。 在纯式况( 纯转弯、纯制动) 下，作用在轮胎上的纵向力、横向力及自回正 力矩可表述为： 1 )侧偏力 只= d s i l l ( c a r c t a i l 庐”+ 丛， ( 3 5 ) 其中：矿= ( 1 一e ) + 懿 ) + ( e 曰) a r c t 姐( b + 蟠 ) ) ；d = l 碍+ 口2 c ；c = 1 3 0 ： 埘。：吖；口：( 塑塑黑坐趔) ( 1 1 ：i 州) ；e 巩巧蝎c 怕； 鲻，= ( 口l o ，? + 口l l c ) ， 2 )纵向力 e = d s i n ( c a r c t 觚( b 矿) ) ( 3 6 ) 其中：妒= ( 1 一层) 七+ ( e 口) a r 切m ( 占_ j ) ：d = 口i 碍+ 口2 最；c = 1 6 5 ； 耻笔筹；目= n 孵和。 西北t 业大学硕士学付论文 第二章基丁：p a c e j k a 魔术公式的跑道表面结合系数研究 3 ) 回正力矩 膨：= ds i n ( c a r c t 柚( 曰) ) + 笳， ( 3 7 ) 喜e 中：妒= ( 1 一e ) ( 口+ s ) + ( e 曰) 纠咖( 曰( 口+ 瓯”：d = 盯。碍+ 口2 e ；c = 2 4 0 ； 口= 警) ( 1 - 口l ：；e 咆f 蝎c 怕) ( 1 - 口1 3 帅 在制动和转弯联合工况下，速度及力矢量图见图2 1 2 所示。其中v 为滑移 速度，v ，为滚动速度，令吒= v r = 一七( 1 + 七) ；口，= _ = 一t a i l 口“1 + 后) ； 盯= 盯：+ ；t a l l 口= 一v j ；j i = 一匕 ( 3 8 再定义归一及最大滑移率如下： 屯= 吒盯。；，= 盯y ，盯 ； 方= ( t ) 2 + ( 方，) 2 ； c r 。= 一七，( 1 + 。) ； 盯2 盯” 其中：。c m = c k l + c k 2 f z + c k ，f ：+ c k f ：+ c k s f ：+ c k t f 2 ； k 。= c 氆l + c a 2 f + c a 3 f ；+ c 。c 4 f ：+ c q s f ：+ c a 8 f ： 考虑不同的方值下纵向力和横向力的差异，引入修正系数： s 、= 。| o 。、ed = e ，一装；o 。= o ；、i 二飞 _ 研。 1 + c e 盯“ 。 。 7 得：e ：生只。；e ：一( 旬旦) 只。 ( 3 9 ) d dd d 式中：e 。、0 。：由纯纵向力与横向力作用时计算出的值；只、只：在联合工 况下求得的纵向力和横向力的值。为用实验数据得到公式中参数，采用非线性最 小二乘法拟合。 以p a c e j l 【a 魔术公式为基础的跑道模型可表示成如下： 卢= d s i n ( c a r c t a i l 口( 1 一) 盯+ 乡台a r c t a n ( 曰盯) 】) ( 3 1 0 ) 式中 b ，c ，d 均大于o ，通过确定参数的取值范围加以限制，就可以减少迭代运算次 数，减轻计算工作量，给应用带来方便。 1 3 西北- t = 业大学硕士学位论文 第三章基于p a c e j k a 魔术公式的跑道表面结合系数研究 3 2 公式中各参数的范围确定删州 3 2 1e o 时的曲线 um loz 仉3m4n5u 6u ，u 8u 91 u0 图3 - 1 不同曲率冈子e 下的一盯曲线 ( v = 6 4 h n m ，盯。= o 1 7 ，艿= o ，c = 1 6 5 ，d = 0 9 2 ) 曲线可以得出，曲率因子e 使曲线可局部伸展和压缩。越大，稳定区域内 的弯曲程度就越大；否则，曲率因子越小，曲线在不稳定区域内的弯曲程度就越 小。 3 2 2e ：o 时各参数的范围确定 占= o 时描述结合系数一滑移率关系的表达式可写为： = d s i n ( c a r c t a n ( 曰盯) ) ( 3 - 1 1 ) 根据结合系数和滑移率的物理意义，确定盯。与b 的关系，判断c 的范围。 在此基础上进行搜索，求出c 和b ，再根据( 3 1 1 ) ，就得到结合系数随滑移率 变化的规律。 1 o b 0 时，c 的下限 由于正弦函数的范围是【1 ，+ l 】，所以容易得出d = 。对曲线的峰值点 及抱死点而言，以下两式成立 峰值点： c a r c t 锄( b 盯，) = 詈 ( 3 1 2 ) 抱死点： 兰 c a r c t 锄( b ) 石 ( 3 一1 3 ) 由( 3 1 3 ) 式得c 南，又因删锄( 曰) 1( 3 1 4 ) ( 2 ) o b 1 时，c 的范围 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章基于p a c e j k a 魔术公式的跑道表面结合系数研究 因为b l ，盯 l ，故口口 l ，a r c t a i l ( b ) 三：故在抱死点处，仃，= l ， c 酬小三c ，此时，a r c 州肌三。 当；c 石时，即c 夏磊蠹而，又因为 42 a r c t a l l f 日 a r c 州曰) 2 。 考虑假定条件，故2 c 4 。 当三c 2 万时，则c 4 。结合的结论，故o 1 时，c 的范围 在盯= 1 处，a r c t a n ( b ) 三，考虑( 3 - 1 3 ) 的右半边，则c ；南，故c 4 ， 并考虑( 3 1 4 ) 式，最后得到 1 c 4 3 b 与盯，的关系 式( 3 1 2 ) 除式( 3 - 1 3 ) ，并稍做变化得o 5 a r c t a l l ( b ) a r c t a i l 旧盯，) a r c t 越( 曰) ， 不等式右端恒成立。以下讨论不等式左端，对其稍做变形得 锄c t 箍( b ) 1( 3 一1 6 ) l 一( 口盯，) 假定1 一( 曰盯。) 2 o ，即口盯p 兰 盯； 综上所述，可得口与，的关系为 瓠删s 时，孚挑毒 当0 s 如，引时，o 档去 至此，就可以确定b ，c 的范围，通过迭代搜索求出具体值。d 等于结合系 数的最大值。 西北t 业大学硕十学位论文第三章基于p a c e j k a 魔术公式的跑道表面结合系数研究 3 2 3 一、如及随飞机速度变化的规律 实验结果表明，随着飞机速度的增大，。逐渐变小，础与之比和盯， 都先减小，然后再增大。根据曲线特性，通常用赢线来拟合随飞机速度变化 的规律；用二次曲线拟合，。与一之比随飞机速度的变化规律；用三次曲线拟 合盯。随飞机速度的变化规律。故根据变化趋势拟合如下： 眦= 口o v + 4 l 二2 l = 6 b v 2 + 岛v + 如 一m x 盯口= c 。v 3 + c l ，2 + c 2 v + q 通过数据的拟合，可得到、q 、6 0 、6 l 、6 2 、c o 、q 、c 。、巳等系数。 西北工业大学硕士学位论文 第四章基于神经网络的跑道表面结合系数研究 第四章基于神经网络的跑道表面结合系数研究 4 1 神经网络田1 神经网络的全称是人工神经网络( a n i 矗c i a ln e u m ln e t w o 成，a n n ) ，它采用 物理上可实现的器件或采用计算机来模拟生物体中神经网络的某些结构和功能， 并应用于工程领域。神经网络的着眼点不在于利用物理器件完整地复制生物体中 的神经细胞网络，而是抽取其中可利用的部分来克服目前计算机或其他系统不能 解决的问题，如学习、控制、识别和专家系统等。 4 1 1 神经网络发展史 神经网络系统理论的发展历史是不平衡的，自1 9 4 3 年心理学家m c c u l l o c h 和数学家p m s 提出神经元生物学模型( 简称m p 模型) 以来，至今已经有5 0 多年的历史了。在这5 0 多年的发展历史中，大体可以分为以下几个发展阶段。 1 初期阶段 白1 9 4 3 年m p 模型开始，至该世纪6 0 年代为止，这一段时间可以称为神 经网络系统理论发展的初期阶段，这个时期的主要特点是多种网络的模型的产生 与学习算法的确定，如1 9 4 4 年h e b b 提出了h c b b 学习规则，该规则至今仍是神 经网络学习算法的一个基本规则；1 9 5 7 年r o s e n b l a 仕提出了感知器( p e r c e p 劬n ) 模型；1 9 6 2 年w i d r o w 提出了自适应( a d a l i n e ) 线性元件模型等。这些模型和 算法在很大程度上丰富了神经网络系统理论。 2 停滞期 上个世纪6 0 年代到7 0 年代，神经网络系统理论的发展处于一个低潮时期， 造成这种情况的原因是发展过程中遇到了本质的困难，即电子线路交叉极限的困 难( 对n 个神经元就存在n 2 条连线) 。在当时的条件下，神经元数量n 的大小受 到极大的限制，因此神经网络系统不可能完成高度集成化、智能化的计算任务。 同时，神经网络系统理论本身也有很多不完整的地方。所以，神经网络系统理论 与应用研究工作进展缓慢。另一方面，这一时期正是数字计算机发展的全盛时期， 无论在硬件、软件还是技术应用和商品市场方面都取得了突飞猛进的发展，使得 大批有才华的科学家在困难条件下坚持开展研究，并提出了很多种不同的网络模 型，展开了增加网络功能和改善学习算法等方面的研究，为神经网络系统发展的 高潮奠定了坚实的基础。 s t 印h e i lg m s s b e 唱是这些人中最有影响力的，他深入研究了心理学和生物学 的处理，以及人类信息处理的现象，把思维和脑紧密地结合在一起，成为了统一 1 7 西北r i = 业大学硕士学位论文 第四章基于神经网络的跑道表面结合系数研究 的理论。 芬兰的k o h o n 在1 9 7 1 年开始了随机连接变化表方面的研究工作，从次年 开始，他将研究目标集中到联想记忆方面。k 0 h o n 将l ，v q 网络应用到语音识 别、模式识别和图像识别方面，取得了很大的成功。 3 黄金时期 从2 0 世纪8 0 年代开始，是神经网络系统理论发展的黄金时期。这个时期最 具标志性的化合物是