飞机防滑刹车系统的建模与仿真研究.pdf

中南大学 硕士学位论文 飞机防滑刹车系统的建模与仿真研究 姓名 曾小信 申请学位级别 硕士 专业 控制科学与工程 指导教师 凌玉华 20080601 摘要 随着军用和民用航空工业的进步和发展 飞机正朝着大吨位 高 速度 高可靠性方向发展 为了保证飞机的安全运行 对其刹车系统 的刹车性能提出了更高的要求 而防滑刹车控制律的研究改进是提高 刹车性能的重要保障 本文针对飞机防滑刹车系统的特点 提出了一 种基于遗传算法的自适应模糊防滑控制算法 论文深入细致地分析了防滑刹车系统的工作原理 组成结构以及 起落架的动态特性对刹车系统的影响 在此基础上 建立了整个刹车 系统的数学模型 包括飞机动力学模型 机轮和轮胎模型 起落架模 型 液压系统模型等 针对飞机防滑刹车系统存在的复杂性 非线性 和不确定的特点 提出了一种基于遗传算法的自适应模糊防滑刹车控 制律的设计方法 该算法结合了遗传算法和自适应模糊的优点 利用 遗传算法对模糊控制隶属度函数的形状进行优化 提高了模糊控制的 自适应性和鲁棒性 从而提高了刹车系统的性能 最后 利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 仿真工具 对飞机防 滑刹车系统的智能控制算法进行了仿真 考察了干 湿 冰跑道情况 下的飞机刹车性能 并将仿真结果与传统的p i d p b m 控制算法的仿 真结果进行了比较分析 结果表明 采用基于遗传算法的自适应模糊 控制方法能够较好的改善飞机刹车系统的性能 关键词防滑刹车系统 起落架 遗传算法 自适应模糊控制 a bs t r a c t w i t ht h ee v o l u t i o no ft h ea v i a t i o ni n d u s t r y m o d e ma i r c r a f t sa r e d e s i g n e da n dd e v e l o p e dt ob ea b l et oc a r r ym o r ew e i g h t t oc r u i s ea t h i g h e rs p e e da n dt ob em o r er e l i a b l e f o rt h es a k eo fa i r c r a f tr u n n i n g s a f e l y i td e m a n d sg r e a t e rb r a k ep e r f o r m a n c eo f b r a k es y s t e m m o r e o v e r r e s e a r c ha n di m p r o v i n go fc o n t r o ll a wo fa n t i s k i db r a k ei sag u a r a n t e e f o ri m p r o v i n gb r a k ep e r f o r m a n c e a na d a p t i v ef u z z yb r a k ec o n t r o l a r i t h m e t i cb a s e do l l g e n e t i ca l g o r i t h m i s p r e s e n t e da i m i n g a t c h a r a c t e r i s t i co fa i r c r a f ta n t i s k i db r a k es y s t e m o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gp r i n c i p l eo fa n t i s k i db r a k i n gs y s t e m c o m p o s i t i o na n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fl a n d i n gg e a r n u m e r i cm o d e l f o rt h ee n t i r eb r a k i n gs y s t e mi sc o m p l e t e di nt h ep a p e r i n c l u d i n g d y n a m i cm o d e lo fa i r c r a f t w h e e la n dt y p em o d e l l a n d i n gg e a rm o d e l h y d r a u l i cs y s t e mm o d e l a n ds oo i l i np e r s p e c t i v eo fc o m p l e x i t y n o n l i n e a ra n du n c e r t a i n t yo fa i r c r a f t a n t i s k i d b r a k i n gs y s t e m a c o m b i n a t i o nc o n t r o la l g o r i t h md e r i v e df r o mg e n e t i ca l g o r i t h m a n d a d a p t i v ef u z z ya l g o r i t h mh a sb e e np r o p o s e d t h i sm e t h o dc o m b i n e st h e m e r i t so ft h eg aa n d 陋 t h es h a p eo ff u z z yc o n t r o l l i n gm e m b e r s h i p g r a d ef u n c t i o ni so p t i m i z e db yg e n e t i ca l g o r i t h m a n da d a p t i v e a n d r o b u s t n e s so ff u z z yc o n t r o l l i n gi si m p r o v e d t h e np e r f o r m a n c eo fb r a k i n g s y s t e mi si m p r o v e d f i n a l l y t h en u m e r i cm o d e lo ft h ep r o p o s e ds y s t e m h a sb e e nv e r i f i e d i nm a t l a bs o f t w a r e b r a k i n gc h a r a c t e r i s t i c so nd r yr u n w a y w e tr u n w a y a n di c er u n w a yi sa n a l y z e d t h er e s u l t sh a v eb e e nc o m p a r e dt ot h e t r a d i t i o n a lp i d p b ma l g o r i t h m sr e s u l t s t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e b r a k i n gp e r f o r m a n c ec a nb eg r e a t l yi m p r o v e dw h e ng 心妪m e t h o d i s e m p l o y e d k e yw o r d sa n t i s k i db r a k i n gs y s t e m l a n d i n g g e a r g e n e t i ca l g o r i t h m a d a p a t i v ef u z z yc o n t r o l l i n g n 原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名 塑尘堡 日期 丝卫年笪月l 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 作者签名 塑 堡导师签名丝日期 丝 年 月上日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着军用和民用航空工业的进步和发展 飞机正朝着大吨位 高速度 高可 靠性方向发展 为了保证飞机的安全运行 对其刹车系统的刹车性能提出了更高 的要求 而防滑刹车控制律的研究改进是提高刹车性能的重要保障 精确可靠的 数字仿真平台则是验证刹车控制律的重要保证 1 1 课题研究的背景和意义 作为机载设备的飞机防滑刹车系统对飞机的起飞 安全着陆起着非常关键 的作用 关系到飞机的安全返航和适应机场的能力 无论从国内还是国外的飞机 事故报道及统计数据来看 发生在起飞或者着陆时 因为防滑刹车系统未能正常 工作的事故占很大比例 而防滑刹车系统本身又是一个高阶非线性 结构参数具 有时变性和不确定性的复杂系统 在刹车过程中还存在着随机干扰和不稳定因素 这些内外因素使得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 验防滑刹车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 的运动与动力学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进行一种简单的近 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 因此 为了解决 惯性模拟试验台系统存在的缺陷 弥补现有刹车试验系统的不足 本文提出了飞 机防滑刹车系统的全数字仿真方案 通过全数字仿真实验平台实现飞机在给定环 境下的起飞 着陆模拟实验 为产品设计 改进以及参数的优化设计提供了理论 和试验依据 可以大大地提高产品的可靠性 合理性 同时 也将有效的节约研 制费 试验费 测试费 并将缩短研制周期和测试周期 为了提高刹车系统的刹车性能 有必要采取一些技术和手段 而刹车系统控 制律的改进是提高刹车性能的重要手段 精确可靠的仿真平台则是验证刹车控制 律的重要保证 近年来 各种新型控制算法发展很快 如神经网络 模糊控制 自适应控制 滑模变结构控制 专家系统等 己经越来越广泛地应用在实际工程 中 同时 这些新的智能控制算法在刹车控制律设计中的运用也越来越活跃 国 内外有很多文献对智能控制算法在刹车控制律设计中的运用进行了研究 硕士学位论文第一章绪论 针对刹车系统的工作特点 本文提出了基于遗传算法的自适应模糊控制律在 刹车系统中的应用 模糊控制系统根据专家的经验 不需要系统精确的数学模型 就可以建立模糊控制器 同时 为了克服人的主观性和被控过程的时变性 非线 性及随机干扰的影响 需引入自调整与自适应方法 以使模糊控制参数在控制过 程中自动地调整 修改与完善 从而提高模糊控制器的自适应能力和动静态品质 达到更加理想的控制效果 同时应用遗传算法优化模糊控制器规则和隶属度函 数 进一步提高刹车系统的自适应性 将这两种控制算法结合 可以弥补目前飞 机刹车系统采用多门限的带p b m 压力偏调 的p i d 控制律存在的不足 具有 广阔的应用前景和研究意义 本论文对防滑刹车系统进行了深入细致的研究 对刹车系统的各部分建立了 详细的数学模型 并采用基于遗传算法自适应模糊控制律 本课题的研究为今后 防滑刹车系统控制律的设计 刹车系统性能的提升 提供了一定的参考依据 为 以后的半物理仿真打下了基础 具有重要的现实意义 1 2 课题的国内外研究现状 1 2 1 防滑刹车控制算法的研究现状 防滑控制算法的改进是提高飞机防滑刹车系统性能的重要保障 由于防滑刹 车系统的复杂性 设计难度以及它对飞机安全性的重要影响 迫切需要运用新的 控制律来提高刹车系统的性能 以保障飞机的安全性 近年来 各种新型控制算法发展很快 如神经网络 自适应控制 滑模变结 构控制 遗传算法 专家系统等 已经越来越多运用实际工程中去 这给飞机刹 车防滑系统控制律的改进提供了新的思路 目前国内外对防滑刹车控制律进行了 广泛的研究 国外的诸多文献对模糊控制 滑膜变结构控制 神经网络 模糊神 经网路 自适应模糊控制在防滑刹车系统中的应用进行了广泛深入的研究 神经 网络的自学习 非线性映射 模式识别能力特点 以及模糊控制不需要精确数学 模型的特点 适合于防滑刹车系统这样一个复杂的非线性系统 文献 1 2 讨了神 经网络在防滑控制律的应用 文献 3 4 介绍了防滑刹车系统模糊控制方式 文献 5 提出了一种综合神经网络和模糊逻辑思想的方法 设计了一种基于模糊 神经 网络防滑刹车控制系统 由于防滑刹车系统是一强非线性系统 各种基于模型的控制方法 最优控制 对各种扰动的鲁棒性不好 而变结构控制可以实现不稳定系统的镇定 可以使系 统的滑动模态对系统的动力学变化 参数变化 外部扰动具有完全和较强的不敏 感性 故滑膜控制器在防滑刹车系统中得到了广泛的应用 文献 6 1 0 探讨了 2 硕士学位论文第一章绪论 滑膜变结构防滑刹车控制系统 目前国内很多文献探讨了防滑刹车控制律的设计 取得了一定的研究成果 但是大部分仅仅停留在全数字仿真或者半物理仿真阶段 新的控制理论在防滑刹 车系统的实际应用比较少 目前 国内常用p i d p b m 来设计防滑刹车系统的控 制律 文献 1 1 1 2 介绍了防滑刹车模糊控制方式 文献 1 3 1 4 运用神经网络进行 防滑刹车控制 文献 1 5 1 6 主要研究了防滑刹车系统的神经网路模糊p i d 控制 相对于常规p i d 模糊p i d 它提高了刹车控制系统的鲁棒性和自适应性 文献 1 7 提出了防滑刹车鲁棒控制器的设计 大大提高了刹车系统的鲁棒性能 文献 1 8 详细介绍了l q 最优控制理论在飞机防滑刹车系统的应用 并说明采用l q 最优控制 能够提高系统的鲁棒性 诸多文献中都涉及模糊控制方法 但在应用中 飞机防滑刹车系统对控制理 论的要求非常苛刻 因为整个刹车过程比较短暂 跑道表面状况的变化非常大 若飞机不能安全刹车 其后果是非常危险的 所以对模糊规则的制定需要更多的 实际经验 只有很清楚刹车系统的性能与刹车规律 才能制定出较为适用的规则 虽然很多文献探讨了将神经网络和模糊系统结合的控制方式 但在实际的飞机刹 车系统研发工作中尚未真正实现 在智能计算方法中 遗传算法除了具有模糊控制和神经网络辨识方法的优点 之外 还具有并行搜索和全局最优的特性 国外在一些相关文献中涉及到了遗传 算法在防滑刹车系统中的应用 但是研究的不深入 而国内的文献中并没有见到 相关文献的介绍 本文根据防滑刹车系统的特点 设计了一种自适应模糊控制器 并采用遗传算法来优化模糊控制隶属度函数的形状 有利于提高模糊控制器的自 适应性 1 2 2 防滑刹车系统建模与仿真技术的研究现状 数字仿真作为飞机刹车系统设计和试验的重要手段 可以有效地提高刹车系 统的研制质量 缩短研制周期 节省人力 物力和财力 因此被世界各国的研发 人员所重视 在刹车系统的建模与仿真方面 国外的研究起步比较早 飞机刹车系统各组 成部分的建模也做的比较完善 文献 1 9 1 对飞机防滑刹车系统的动态特性进行仿 真研究 建立了飞机动力学模型 文献 2 0 l 对飞机轮胎进行了建模 并得出了滑 移率的表达式 但是由于轮胎在刹车过程中有效半径随着充气压力与机轮载荷变 化而变化 从而导致该方法很难求解飞机刹车过程中的滑移率 文献 2 1 1 提出了 在考虑起落架特性情况下飞机轮胎的建模新方法 文献 2 2 1 对液压系统进行了数 学建模并采用鲁棒控制算法对刹车系统进行了数字仿真 文献 6 0 1 采用灰度滑膜 3 硕士学位论文第一章绪论 变结构控制方式对防滑刹车系统进行了数字仿真 仿真结果表明 采用滑膜变结 构控制 使防滑刹车系统具有好的刹车性能 快速响应性和鲁棒性等 前面的文献关于防滑刹车系统的仿真研究都是基于数字仿真的方法 但是 众所周知 为了验证飞机刹车系统的性能和工程实用性 仅仅对其进行数字仿真 是不够的 还必须进行一系列的物理仿真或者半物理仿真试验 进一步对刹车系 统的性能进行验证 文献 6 1 表明对防滑刹车系统进行半物理仿真研究 能够很 真实的验证刹车系统的性能 为刹车系统的改进和设计提供参考依据 对于飞机刹车仿真系统而言 国内对其综合研究起步较晚 与国外先进水平 相比差距较大 目前国内对于刹车系统的研究大多局限于数字仿真研究和惯性台 试验研究 物理仿真和半物理仿真应用到刹车系统中比较少 文献 2 3 对飞机的 六自由度模型进行了仿真研究 在系统建模的过程中没有对刚体运动模型和气动 数据做线性化处理 文献 2 4 对飞机起落架的缓冲器数学模型进行了研究 文献 2 5 对刹车与起落架抖动的相互影响进行了研究 文献 2 6 中采用简化的起落架 模型 通过改变起落架的结构参数 分析了起落架与刹车系统在飞机着陆过程中 的相互作用并对其进行了计算机仿真 文献 2 7 对飞机防滑刹车系统控制律进行 了仿真研究 但是在系统建模中 并没有考虑起落架对刹车系统的影响 1 2 3 防滑刹车系统的发展趋势 飞机防滑刹车系统的技术发展趋向可概况为以下几点 2 8 1 采用仿真技术 目前我国的飞机防滑刹车系统的研制 还采用传统的方 法 研制周期长 反复过多 费用昂贵 而应用仿真技术 许多更改和反复试验 会在仿真阶段完成 当仿真结果满意后 再投入制造 最后进行一次性鉴定验证 试验 这样可以大大缩短研制周期 减少了研制费用 2 采用电传操纵 目前已有不少飞机采用了电传刹车操纵方式 取代了传 统的脚蹬 刹车减压阀的机械操纵方式 克服了机械式的脚蹬敏感问题 避免了 刹车压力过猛升高 电传刹车操纵方式迟滞小 平稳 节省重量 光导刹车操纵 方式技术也正在发展中 3 增加自动刹车系统 对民用飞机来说 设置自动刹车系统已成一种趋势 它对缩短地面刹车距离 减少驾驶员的工作负担 保证刹车平稳等有好处 特别 在中止起飞情况下 能及时地施加满额刹车压力 防止人工反应和操作延误可能 引发的事故 已在波音 7 5 7 空客a 3 2 0 等飞机上采用 4 采用集成化 一体化 技术 通过集成 将飞机状态 发动机推力 机 轮刹车 前起落架操纵 方向舵 跑道状态等集成起来 由中央计算机统一进行 管理 控制和监控 没有独立的防滑刹车控制盒 国外正在发展一种称为 先进 4 硕士学位论文 第一章绪论 刹车控制系统 的刹车技术 该系统综合了前起落架转弯操纵 方向舵操纵和刹 车控制三部分 以提供一个较完善 自动化的地面操纵系统 可望解决飞机在大 侧风和光滑路面上使用的操纵问题 如高速滑跑时主要靠方向舵操纵 在低速时 则主要靠起落架转弯系统操纵 它们之间协调动作 达到安全使用 在f 4 f 1 6 f 1 1 1 飞机上已进行了试验 5 发展全电刹车技术 刹车装置的动力源从最早的气压动力到后来的液压 动力 到现在正在研究的电刹车装置 电刹车不用液压油 减少了飞机自重 又 可以降低发生火灾的可能性 便于系统集成 监测和余度实施 同时它也 适合 多电飞机 发展的需要 6 智能控制算法的应用 目前 模糊控制技术 神经网络 滑膜变结构控 制等智能算法在飞机刹车系统的应用研究越来越广泛 国内外诸多文献对此进行 了深入的研究 7 采用余度技术 无论军用飞机还是民用飞机的刹车系统都是越来越复 杂 这就给可靠性带来了问题 因此 在设计中从硬件和软件上采取余度措施 总之 飞机刹车系统的发展方向可总括为余度 数字 自动 电传和综合化 技术方向发展前景 此外 先进控制理论也正向飞机刹车控制领域扩展 并可以 得到应用 1 3 飞机防滑刹车和起落架系统概述 1 3 1 防滑刹车系统 从2 0 世纪2 0 年代 飞机首次采用机轮刹车技术开始 经过了鼓式刹车 盘式刹车 液压机械式防滑刹车以及电子模拟式防滑刹车 直到现在的数字式电 传防滑刹车系统 以及目前国内外正在大力研究的电刹车系统 体现了飞机刹车 系统的发展历史 同时使得飞机刹车系统的控制技术日益成熟与完善 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 m a r k 系列从二十世纪至今已经经历 了好几代 从最初的m a r ki 型发展到目前最先进的m a r kv 型 2 9 1 m a r ki 型为机械式一惯性防滑刹车系统 通常在每个主刹车机轮装有一个 惯性传感器 当给机轮刹车装置供刹车压力时 机轮转动减慢 当达到某一减速 率 负角加速度 时 传感器中的惯性飞轮依惯性继续飞转推动一微动门 输出 一电信号来控制一个电液阀 使回油路打开泄压 即松刹 这时机轮又恢复加速 转动 传感器中的飞轮则复位 而电门断电 并同时又给机轮刹车装置加刹车压 力 如此反复 就实现了防滑控制 在1 9 6 0 年被调节式m a r ki i 取代 m a r k 5 硕士学位论文第一章绪论 型使用机轮速度传感器来测量机轮的速度 m a r ki i 型把控制律由 开关式 改为 调节式 有效的提高了刹车效率 在m a r ki 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 ki l l 型属于基于模拟信号的闭环反馈防滑刹车控制系 统 与m a r ki i 型相比 m a r ki i i 型的控制律做了本质的变化 原先的 速率 g 控制己被 速度误差 v 控制代替 二十世纪八十年代 h y d r o a i m 公司在波音 7 5 7 和7 6 7 上使用m a r ki 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 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 m a r kv 相对于m a r ki v 来说 两者都是数字式电子防滑刹车系 统 其主要区别是 m a r kv 使用电传刹车代替机械式刹车 优点体现在 减 少了控制室的油压管路 减轻了飞机的重量 刹车系统响应速度更快等等 我国现役飞机歼 歼8 强5 和k 8 等飞机采用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 它相当于美国的m a r ki 的水平 国内有关生产厂家和研究所从6 0 年代末期开始相继研制出四种模拟式电子防滑 刹车系统 其中仿制美国m a r k i 型的速率控制系统 已运用于y 1 0 飞机上 近年来 电子防滑刹车系统有了很大的发展 先后为j 7 e 研制了模拟电子式 防滑刹车系统 其j 7 e 采用液压传动 而为j h 7 研制的模拟电传式防滑刹车系 统能够采用电传操纵 其水平相当于美国的m a r ki i i 系统 国内最先进的j 1 0 飞 机采用了基于8 0 5 1 单片机设计的数字式电传防滑刹车控制器 简单的双信号余 度 准双余度 的防滑刹车系统 当防滑刹车控制系统故障 切换至备用刹车控 制系统 如果备用故障则切换至应急刹车系统 而应急刹车系统的刹车效率和安 全性能又无法和防滑系统比拟 爆胎的比率非常高 其水平相当于美国的m a r ki v 系统 1 3 2 起落架系统 飞机的起落架系统主要由支柱 缓冲器 扭力臂 机轮组件及刹车装置等组 成 除机轮组件和刹车装置外 支柱 缓冲器和扭力臂是起落架的主要构成 起 落架系统是飞机刹车系统的重要组成部分 其重量约占飞机结构重量的1 5 2 0 在飞机地面停放 滑行 起飞着陆滑跑时 它用于支撑飞机重力 承受相 应载荷的装置 它能够消耗和吸收飞机在着陆时的撞击能量 概括起来 起落架 的主要作用有以下四个 1 承受飞机在地面停放 滑行 起飞着陆滑跑时的重 力 2 承受 消耗和吸收飞机在着陆与地面运动时的撞击和颠簸能量 3 滑跑 6 硕士学位论文第一章绪论 与滑行时的制动 4 滑跑与滑行时操纵飞机 在第一次世界大战前 飞机结构比较简陋 飞机的重量轻 速度小 起落 架基本是 后三点式 布局的固定轮式起落架 从第一次世界大战到第二次世界大 战的2 1 年间 起落架设计和飞机结构设计一样得到迅速发展 起落架发展成为 可收放的 缓冲器的形式更加多样 效率也有大幅度提高 现代飞机起落架的缓 冲效率可达到8 0 9 0 第二次世界大战后 由于喷气式飞机时代的到来 飞机 重量较过去成倍增加 飞机速度的提高 使飞机的整体性能大幅度提高 这样对 起落架的要求也越来越高 使得起落架的设计经历了一场革命 主要表现在 1 起落架的布局形式发生了变化 由 后三点式 布局发展成为 前三点式 布局 2 起落架的结构越来越复杂 体积越来越庞大 起落架由起初的单轮式起落架发展 到多轮小车架式起落架 单机数量由三个发展到多个 以承担日益增加的飞机重 量 满足飞机着陆时的漂浮性要求 3 缓冲系统性能的提高 4 研制高效率的刹 车系统和高性能的刹车材料 5 起落架结构材料取得重大进展 已经获得超高强 度钢和抗应力腐蚀的铝合金等高性能材料 复合材料在起落架上的应用已在试验 研究之中 并取得了一些进展p u j 1 4 论文的研究内容和章节安排 本论文的主要研究内容如下 1 对液压防滑刹车系统的组成与工作原理进行了深入的分析 2 在仔细分析飞机防滑刹车系统组成结构的基础上 对系统各个部分建立 了详细的数学模型 综合各部分数学模型 建立起整个防滑刹车系统数学仿真模 型 3 根据防滑刹车系统的特点 采用自适应模糊控制算法设计系统的控制律 并利用遗传算法优化模糊控制器隶属度函数的形状 自适应模糊控制采用基于比 例因子的自调整方法 4 根据建立的整个防滑刹车系统仿真模型 对系统进行仿真研究 根据仿 真结果分析系统的性能 改进控制律 优化设计 重点分析了起落架动态特性 以及轮胎 路面结合系数等对刹车系统性能的影响 而本论文的章节安排如下 第一章是绪论部分 主要阐述了论文的研究背景和意义 飞机起落架和刹车 系统的概述 刹车系统的发展趋势以及刹车系统的仿真技术国内外研究现状 第二章分析了防滑刹车系统的组成及工作原理 重点对起落架的动态特性对 刹车系统的影响进行了深入的研究 同时分析了当前防滑刹车系统存在的问题 第三章对刹车系统的各个组成部分 分别建立相应的数学模型和仿真模型 7 硕士学位论文第一章绪论 第四章分析研究了自适应模糊器的结构与原理 以及利用遗传算法优化自适 应模糊器 同时根据防滑刹车系统的特点 设计了基于遗传算法的自适应模糊器 第五章根据前几章建立的仿真模型和控制算法 对飞机在干跑道 湿跑道和 冰跑道进行了仿真研究 将仿真结果同p i d p b m 控制算法的结果进行分析比较 说明通过改进防滑刹车系统的控制律 提高了防滑刹车系统的性能 第六章对论文进行了总结工作 并对下一步要进行的工作进行了描述 硕士学位论文 第二章防滑刹车系统的工作原理及起落架特性分析 第二章防滑刹车系统的工作原理及起落架特性分析 本章对防滑刹车系统的工作原理以及组成结构进行详细的描述 详细叙述了 四种防滑刹车系统的工作原理以及性能比较 分析了起落架的动态特性对飞机刹 车时的影响 2 1 防滑刹车系统的结构及工作原理 2 1 1 防滑刹车系统的结构 飞机防滑刹车系统随技术进步和飞机要求的不同而千差万别 另一方面 现 代飞机的防滑刹车系统综合了各项功能 达到了比较完善的程度 但是从共性来 讲 飞机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 由此 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 对于数字式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 本文就某型号飞机的防滑刹车系统 来说明防滑刹车系统的结构 该 机的防滑刹车系统包括防滑控制盒 指令传感器 电液伺服阀 轮速传感器和综 合报警模块等 3 其组成结构如图2 1 所示 图2 1 防滑刹车系统结构框图 9 硕士学位论文 第二章防滑刹车系统的工作原理及起落架特性分析 1 机载电源 在整个刹车系统中 飞机向防滑控制器提供2 7 v 1 0 d c 电源 在控制器 本身的电路中 电路采用1 2 v 5 v 和3 3 v 供电 从硬件抗干扰的思想出发 将 飞机电源地与控制器的地完全分开 在设计时定做了专用隔离型d c d c 变换器 2 7 v 1 2 v 和1 2 w 5 v 电源模块 5 w 3 3 v 采用了专用电源变换 稳压芯片 从而 保证了防滑刹车控制器的工作正常可靠 2 指令传感器 指令传感器是检测飞行员踩蹬刹车板位移的装置 这个位移的大小和刹车压 力的大小成正比 指令传感器采用的是线性可变差动变压器式位移传感器 它的 原理是将被测量位移的变化转化成变压器互感的变化 将刹车板和差动变压器的 铁芯相连 刹车板的位移转化成铁芯的位移 若在差动变压器的初级线圈输入交 流电压 在次级线圈就能感应出电动势 铁芯位置的变化会导致差动变压器内部 磁场的变化 从而差动变压器的互感发生变化 通过计算初 次级电压的比值就 可以得到刹车板的位移变化 从而计算出刹车压力 通过结构优化 差动变压器 可以测量出1 聊 5 0 0 m m 的机械位移 并具有测量精度高 灵敏度高 结构简 单 性能可靠等优点 3 防滑刹车控制器 防滑刹车控制器是整个防滑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 然后根据防滑刹车控制算法 产生相应 的控制电流信号 操纵伺服阀去调节刹车盘刹车压力 4 电液伺服阀 飞机防滑刹车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 减压作用由伺服阀来完 成 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 电液伺服阀的结构如图2 2 所示 它由力矩马达 喷嘴一挡板放大器和滑阀 放大器组成 力矩马达接受控制器的防滑电流 产生电磁力矩 克服弹性支柱的 弹性力矩使挡板偏转 改变喷嘴和挡板之间的间隙 影响喷嘴控制腔的压力 而 喷腔压力的变化则可以推动滑阀放大器中阀芯的移动 使伺服阀输出一定的刹车 压力 在伺服阀阀芯的端面上还有一个刹车压力的反馈感应面积 与喷腔的控制 l o 硕士学位论文第二章防滑刹车系统的工作原理及起落架特性分析 压力相平衡 使输出的刹车压力与喷腔控制压力成一定的线性关系 从而保证电 液伺服阀输出的刹车压力受控于控制器施加给力矩马达的防滑电流 刹车控制阀 的油压作用于滑阀一端 出口的刹车压力反馈到滑阀另一端 输入为电流 被控 制量为刹车压力 输入电流增大时 衔铁偏转 挡板阀控制滑阀左移 刹车系统 回油并降低刹车压力直至滑阀重新关闭回油路 输入电流减小时 滑阀右移 刹 车压力升高 直至滑阀重新关闭去刹车油路 电液压力伺服阀使刹车压力随输入 控制电流的变化而变化 电液伺服阀的应用提高了刹车系统对刹车压力的控制能 力和对各种不同跑道表面状态的自适应能力 使刹车系统具有较高的刹车效率 并可以很方便地使防滑刹车系统在参数匹配上进行调整 使其更优化 节 级 图2 2 电液伺服阀结构图 5 轮速传感器 轮速传感器是检测飞机机轮速度的装置 飞机机轮的速度和飞机本体的速度 不同 正是这种差距才导致机轮的滑动 轮速传感器采用电磁感应式速度传感器 它主要由传感头和传感齿圈组成 传感头是静止的部件 通常由永久磁铁 电磁 线圈和磁极等构成 传感头磁极与齿圈的端面有空气隙 间隙的大小 可通过移 动传感头的位置来调整 当飞机机轮转动时 固定在轮毂或轮轴上的齿圈也随着 一起旋转 由于齿圈上的轮齿不时的接近 离开磁极 使电磁感应线圈的磁场周 期性地变化 因此在线圈中感应出接近正弦波的交变信号 此信号的频率与机轮 转速成正比 并将此信号输入到防滑控制器 对于同 机型的防滑刹车系统来说 其齿圈是固定不变的 所以机轮速度传感器输出电压信号的幅值和频率只随机轮 速度的变化而变化 6 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 硕士学位论文第二章防滑刹车系统的工作原理及起落架特性分析 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 1 2 防滑刹车系统的工作原理 防滑刹车控制技术走过了由低级到高级 由机械一液压到机械 电子 液压的不 断发展的历程 其基本任务就是如何控制和调节机轮刹车时的刹车压力 使机轮 不刹死而达到安全滑跑 从而具有最佳的刹车效果 本论文研究的是电传数字防滑液压防滑刹车系统 控制方式采用基于滑移 速度控制式 防滑刹车系统的工作原理如图2 3 所利3 2 1 图2 3 防滑刹车工作原理图 防滑刹车系统的工作原理如下 飞机着陆时 当轮载开关稳定合上时 延迟 1 s 后 驾驶员开始刹车操作 通过指令传感器产生一定的交流控制信号 控制 电液伺服阀输出的刹车压力 该压力受到控制盒输出的防滑电流调节后 输送到 刹车装置 产生刹车力矩使机轮制动 这时轮胎与地面之间产生相对滑动 由此 产生的摩擦阻力给飞机一个向后的制动力让飞机减速 从而实现飞机的防滑刹车 制动 机轮速度传感器将机轮瞬时速度传给控制盒 控制盒中有一个环节产生一 个参考速度以替代飞机速度 控制线路通过对参考速度与机轮瞬时速度信号的比 较处理 适时地发出一个松刹车信号给电液伺服阀 让刹车装置中的刹车压力下 降 缩小机轮速度与参考速度的差距 使机轮打滑量减小 滑移率相应也减小 当机轮的打滑量很小时 控制器又通过适当的调节增加电液伺服阀输出的刹车压 力 从而增大了刹车装置输出的刹车力矩 这样机轮的打滑量就会增加 滑移率 相应也增加 地面提供给机轮的摩擦系数也随之增大 刹车制动效率就会相应提 高 总之 刹车就是要在整个刹车过程中通过有效的防滑控制产生适当的防滑调 节电流并以此来控制伺服阀输出的刹车压力 让滑移率跟踪系统最佳滑移率 产 生最大结合系数 从而达到最佳刹车效率 因此 在防滑刹车系统的控制过程中 1 2 硕士学位论文第二章防滑刹车系统的工作原理及起落架特性分析 我们的目标就是 根据飞机刹车过程中不同的跑道状况和打滑特性设计出优良的 系统控制律及控制算法 不断调节刹车力矩让刹车机轮在结合系数为最大值或者 附近区域的情况下产生运动 充分利用地面提供给机轮的摩擦阻力来使飞机尽快 制动 以满足系统高性能控制的要求 2 2 防滑刹车系统的分类及性能评述 飞机防滑刹车系统分为两大类 3 4 脉冲式刹车 打滑监控式刹车 第 一类系统工作时 不论机轮是否打滑 它按预先设定的时间间隔交替进行刹车 松刹 直到飞机刹停为止 由于这类系统的刹车效率很低 目前基本被淘汰 在 此将不做介绍 第二类系统通过传感器检测飞机的运动参数 根据机轮是否打滑 进行控制 按系统被控量的差别 第二类系统可分为四种 开关式防滑刹车系统 速度变化率式防滑刹车系统 滑移速度控制式和滑移率控制式防滑刹车系统 2 2 1 开关式防滑刹车系统 这种系统包括机械式防滑刹车系统和机械一电气式防滑刹车系统 后者也称 惯性防滑刹车系统 前者如英国d u n l o p 公司1 9 5 0 年发明的m a x a r e t 系统 该系 统曾一度广泛应用于西欧的旅客机 后者如著名的s u 2 7 飞机的防滑刹车系统 m a r ki 也是惯性防滑刹车系统 惯性防滑刹车系统的共同点在于用惯性传感器 感受机轮的减速度 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 或惯性传感器通过机构接通微动电门控制电 磁阀 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 车系统也就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 系 统性能无法达到最优 另一方面 当这种系统利用机械机构判断打滑与否时 工 作频率较低 相当于一个低频滤波器 高频干扰信号不会对它产生影响 故系统 工作可靠 由于系统的给压或放压为开关式 工作不平稳 起落架受力状况差 2 2 2 机轮速度变化率式防滑刹车系统 机轮速度变化率加压力偏调控制式的防滑刹车系统 控制量是机轮速度的变 化率 由于包括压力偏调 使得系统工作平稳 起落架受力改善 在干跑道上具 有良好的性能 下面以m a r ki i 为例说明其工作原理 m a r k i i 防滑系统测量机轮速度 通过微分电路得到机轮的速度变化率 1 3 硕士学位论文第二章防滑刹车系统的工作原理及起落架特性分析 速度变化率与门限值进行比较 判断机轮是否打滑 例如 f 4 飞机装备的m a r k 防滑系统包括两个机轮速度传感器 左 右主轮各一个 防滑伺服阀和电子控 制器 机轮速度信号送给控制器 控制器按左右机轮减速度中的大者决定防滑阀 的控制信号 减速率的门限为1 3 2 0 r a d s 2 当减速度小于该门限值时 系统维 持原来的刹车压力 大于1 2 0r a d s 2 时 控制器给伺服阀的控制信号最大 刹车 压力最低 当大于门限且小于1 2 0r a d s 2 时 由p b m 和功放决定防滑阀的控制信 号 2 2 3 滑移速度控制式防滑刹车系统 滑移速度控制式防滑刹车系统具有压力偏调功能 控制量是准滑移速度 滑 移速度是飞机沿跑道的纵向速度和受刹机轮线速度的差值 防滑刹车系统的控制 器用预先设定的减速度和受刹机轮速度推算飞机速度 从而得到参考速度 应用 参考速度代替飞机速度计算滑移速度时 得出的便是准滑移速度 压力偏调的核 心是通过延长系统在结合系数 滑移率特性正斜率区的停留时间 来提高刹车效 率 滑移速度控制式系统在干跑道上的性能较好 在混合跑道上有一定的效率损 失 b o e i n g 飞机装备的m a r ki i i m a r ki v 的防滑刹车装置就是这种原理 我国自行研制的电子防滑刹车系统也是这种原理 2 2 4 滑移率控制式防滑刹车系统 滑移率控制式防滑刹车系统控制受刹机轮的滑移率 即控制滑移速度与飞机 速度的比率 诸多影响因素中 滑移率对结合系数的影响最大 所以这种系统力 图把滑移率控制在与结合系数最大值对应的滑移率附近 以提高系统刹车效率 用于计算滑移率的飞机速度通常用自由滚动前轮的速度代替 或由受刹机轮的速 度导出 这种系统不带压力偏调 预先设定期望的滑移率 实际计算的滑移率同 它比较 然后进行控制 由于飞机的实时速度难以获得 所以这种控制方式应用 受到限制 欧洲的一些商用或军用喷气式飞机采用这种原理的防滑刹车系统 但 计算滑移率的飞机速度用自由滚动前轮的速度代替 2 2 5 四种防滑刹车系统的性能评述 为了对上述四种防滑刹车系统的性能进行比较 n a s a 对四种防滑刹车系统 进行了试验 试验结论见表2 1 所示 从表2 1 可以看出 干跑道时 滑移率控制式系统和滑移速度控制式系统的 性能相当 刹车效率较高 速度差加压力偏调控制式系统次之 惯性防滑刹车系 1 4 硕士学位论文第二章防滑刹车系统的工作原理及起落架特性分析 统最差 湿跑道时 惯性防滑刹车系统的刹车效率较高 滑移率控制式系统次之 滑移速度控制式再次 速度变化率控制式系统的效率最低 由表可知 滑移率控 制式防滑刹车系统的性能较其他刹车系统的刹车效率高 因此 滑移率控制式防 滑刹车系统在未来飞机防滑刹车系统的控制律设计中将会有更好的应用前景 表2 1 四种防滑控制方式的性能比较 跑道刹车效率 系统名称 状况 由刹车力矩计算 由结合系数计算由刹车压力计算 惯性防滑 干跑道0 7 60 7 40 8 1 刹车系统 湿跑道o 7 8o 6 90 7 l 速度变化率干跑道 0 8 3o 8 10 8 5 控制式湿跑道 0 6 7o 6 6o 6 9 滑移速度干跑道 0 9 3o 9 lo 9 l 控制式湿跑道o 7 10 6 80 7 0 滑移率 干跑道o 9 30 9 40 8 9 控制式 湿跑道0 7 50 8 l0 7 0 可以看出 单从最大结合系数的利用来说 这四种防滑刹车系统的性能并不 是最佳的 充分利用结合系数的前提是在线识别跑道状况 找到最佳滑移率 滑移速度控制式系统在混合跑道上的刹车性能比滑移率控制式的差 这是因 为滑移速度式控制系统的压力偏调使得机轮不能立即从深打滑状态中恢复 仅能 使刹车压力缓慢增加 并逐步达到较高的结合系数 而滑移率控制式系统没有压 力偏调 系统能立即从深打滑中恢复 并达到较高的结合系数 在冰 湿跑道条件下 刹车系统的效率比干跑道下低的多 系统性能恶化 这有两方面的原因 多数飞机刹车力矩设计得足够大 以保证在中止起飞时刹停 飞机 干跑道提供的最大结合力矩能平衡掉最大刹车力矩 系统把刹车压力调节 到最大值附近 这时防滑刹车系统液压元件的动态性能良好 湿跑道提供的最大 结合力矩大大低于飞机的最大刹车力矩 系统工作在小的刹车压力下 液压元件 的动态性能较差 导致整个刹车系统性能下降 第二 由于湿跑道与轮胎之间的 最大结合系数比较小 因此湿跑道仅能给机轮提供比干跑道小的旋转加速度 机 一轮从深打滑中恢复的时间加长 导致系统性能的进一步恶化 通过在液压元件的 设计和打滑机轮的转速恢复上采取措施 可望提高防滑系统在小结合系数跑道上 的性能 硕士学位论文 第二章防滑刹车系统的工作原理及起落架特性分析 2 3 起落架动态特性分析 2 3 1 起落架结构简介 起落架的结构形式指起落架在在