（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的飞机防滑刹车控制器的研究和设计.pdf

鞭l ：监大学骥士学槛埝克a b s 枉a c l a b s t r a c t i n t h i sp a p e r , t h ea e t u a i i t yo fa i r c r a f ta n t i - s k i db r a k i n g 砒h o m ea n da b r o a da r e e x p o u n d e d t h es t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l eo fa 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 ma r e d i s c u s s e d nd e t a i l + s e v e r a lc o n t r o lm e t h o d sw h i c h8 f eu s e di 矬a i r , r a f ta n t i - s k i db r a k i n g s y s t e mu s u a l l y a r e s p e c i a l i z e d 。b yc o m p a r i n gs y n t h e t i c a l l y , v e l o c i t y c i t e r p l u s p r e s s u r e - b i a s * m o d u l a t e df p b m ) i sc h o s e na st h ea l g o r i t h mo ft h i sa i r c r a f ta n t i s k i db r a k i n g s y s t e m c o m b i n i n gt h er e q u e s to ft h i sc o n t r o ls y s t e m ，ad e t a i ld e s i g ns c h e m eo fd i g i t a l i n t e l l i g e n ta i r c r a f ta n t i s k i db r a k i n gb o xb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 4 0d s p i sd e s i g n e d t h e s o l h v a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n ，s y s t e md e b u g g i n gi sd o n e a tt h es a m et i m es o m ew o r ki s d o n ea b o u tt h ea p p l i c a t i o no f f u z 搿p i da r i t h r a e f i c 豫a n t i - s k i db r a k i n gs y s t e m s m a l ld s pc o n t r o ls y s t e m ，t h ep r i n c i p l eo fe a c hf u n c t i o nm o d u l ea n dt h ed e s i g n m e t h o do fs o f t w a r es y s t e ma r ed i s c u s s e dp a r t i c u l a r l y s o f t w a r ei sd e s i g n e da saf r o n t - b a c k p l a t f o r m b yu s i n gm o d u l a r i z a t i o n ，t h es o f t w a r ei m p r o v e si t sr e a d a b i l i t y , t e s t a b i l i t ya n d p o r t a b i l i t y , c o n s i d e r i n gt h er e q u e s ta te l e c t r i c m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , a n t i - i n t e r f e r e n c e a b i l i t yi sw e l lc o n s i d e r e d ，s o f t w a r et r a p ，w a t c h d o g f 1 r eu s e di ns o f t w a r ep r o g r a m m i n g t h i sd i g i t a lm 球c r a f ta n t i s k i db r a k i n gb o xb a s e do nd s p i sab e t t e r m e n tc o m p a r e dt o o l da n a l o ga n r - s k i db r a k i n gb o x 。b e s i d e sm e e t i n gt h eb a s i cf u n c t i o no fo l db r a k i n gb o x s o m ef u n d a m e n t a lt h i n g ss u c ha ss y s t e mc o n t r o ls t r a t e g y , c o n t r o la r i t h m e t i c a r et o t a l l y c h a n g e d i te n l a r g e sf u n c t i o no fb r a k i n gb o x ，r e a l i z e si t sn e t w o r kf a n c t i o na n d f a u l t c h e c k i n ga b i l i t yo n - l i n e i th a sa l r e a d ya c c o m p l i s h e da l ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a t i o no n l a n d 。t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tv e l o c i t y e r i o r p l u sp r e s s u r e - b i a s - m o d u l a t e d ( p b m ) a r i t h m e t i c l s f e a s i b l e ，t h i ss y s t e m c a n m e e t t h er e q u e s t o f c e r t a i n a i r p l a n e k e y w o r d s ：a n t i * s k i db r a k i n g v e l o c i t ye r r o rp l u sp r e s s u r e - b i a s m o d u l a t e d f u z z y p 1 d c o n t r o ls t r a t e g y l f 瑚北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 作为机载设备的飞机防滑刹车系统对飞机的着陆起着非常关键的作用，它关系到 飞机的安全返航、持续作战能力和适应机场的能力。无论从国内还是国外的飞机事故 报道及统计数据来看，发生在起飞和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。 防滑刹车系统在飞机上使用经历了这样一个历史：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 u n l o p 公司发明防滑刹车系统。它是一种机械式防滑 刹车系统。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。应用防滑刹车系统最初的目的是防止机轮抱死，减少 轮胎磨损，随着喷气式飞机的出现，飞机的起降速度大为提高，除了上述两点要求之 外，防滑刹车系统还必须以最短的距离刹停飞机。这个要求在正常条件下是可以满足 的，但对于军机而言，经常在恶劣的条件下起飞、着陆，如机场周围有比较大的侧风， 跑道积水较深以及冰雪覆盖着跑道，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。 飞机刹车系统是一个复杂的非线性系统，许多学者专门对防滑刹车系统的非线性 进行了研究“。2 ，其刹车过程受到跑道状况、轮胎压力、刹车盘温度等诸多因素的影响， 很难建立精准的动力模型。目前，国内常用速度差加压力偏调 ( p i d + p b 、t ( p r e s s u r e b i a sm o d u l a t e d ) ) 控制来设计防滑刹车系统的控制律，p i d 控 制具有算法简单、控制方便、运行可靠等优点，但是常规p i d 控制算法是建立在控制 对象的精确模型之上的，对于时变性、不确定性、非线性性系统，常规p i d 控制就显 得力不从心、难以达到预期效果。 随着控制理论的发展，模糊控制，”、自适应控制f 6 , 7 , 8 1 等智能控制算法越来越多 的应用于实际生产。模糊控制在解决不确定问题时具有一定的优势，不依赖于系统的 模型。本课题就是在围绕这样的背景下展开的。 型鲤坚鲎壁塑塑垒塞一篓：建丝 1 + 2 飞毫臻暌漫刹车技术发屣状况概逑 1 ，2 。1 黼泠陆渗翻率酌发震凝凌“8 “ 最早豁糖瀑测事系统鼹戳饿罗糖为l 表熬缨蛙转辫刹车系统，馔悭爨清剃挈系 统最大豹优悫是w 嚣健高，至今仍受莉越莽上许多国家的毒辣，俄罗斯至今仍在它驹 新型飞机上装备这种防滑系统。但是这种系统刹车效率低，糟陆距离长和刹车不平稳。 二十世缎靼十年代糖，美髫稿英嚣羚始了电予院港刹车系绕鹁硖剑，最簧名麴怒 荚蓠h y d r o m r e 公霹韵凇球系列鞘藻黼静o s c a r 系癸j ，逡两大系捌中又黻撇雕系 列燹为典穗。 m a r f f 系剐飙二：= 十擞霓至今飘经历了好几代，从矮襁的凇欢i 裂醛经发髓到目前最 先进的姒r k v 型。宅安装在波啻b _ 4 7 飞机上，最初的疆的是防l b 飞机在刹军过程中 爆鼹蔹及潮慕减少轮黪謦掇，凇怼i 毯菇枫槭斌一馁幢麓瀚翻车系统，镁翔继奄式舞 关控制，用惯性俺感嚣感受机轮减速发，当减速度超过门袋值时，惯性传麟器直攘通 过飘槭撬构操级液艉阀使瓤率装置与觏濑路接通。由于唆德传感器感受的德号不蒋邋 避搂搬魄路葳数字魄路进行始壤，黪辫裂车系统露法镑壤黪分魏道袋嚣的状凝以及瓿 轮的打潺糕庭，瞧举女在蹴邀表薤大糕嘲变化的愤? 晁下获褥好的刹攀性能。强姥，这 种系统躺镕8 车散攀软低，在1 9 6 0 年裰满节式m a r k l i 麓代替。 m a r k i i 型使用机轮速度传感器来测鼹机轮的速度，并且使用微分电路褥到机轮的 遮发变化枣。, 擞r k i i 裂和m a r k i 型桴，其被控照是遮壤谖差ae ( 即刹攀瓤轮鞠不 测率视轮速麓豹蓑镶) ，僮楚m a r k i i 蓬程把控群律出“歼袭式”改海“调节拣”，簿 次橙崩车静潦系统不戥像m a r k i 型酃榉臻翻车疆力圈零，爨就，镕a l l i ( 1 i 燮熬刹车效攀 鞘对r r k i 掇高了7 0 8 5 ，曼苯4 事变得受平稳了。在m a r k i i 楚研制输段首次海 防滑系统增加了接地保护、机轮防抱死、机轮防加速旋状、扰流板馆动、魏输刹苹、 翁辘防滑簿辏黪功挠。m a r e i i 裂在乎魁道上疑骞羹野熟槛糍。 二十傲纪六十年代初期，为了通磁飞祝大维力、大载稀_ 帮崮降落速度韵簧求，菠 瓣又推出了m a r k i i t ”1 型，它怒基于横拟信号躺瓣环反馈控镥4 系统，其商# 常精确的 襁轮速度捡溺极鞫，羚艟据潺误差检测枫橡，压力德谴，楣位铃偿祷，乓m a r k i i 激 姻比，m a r k i i i 型救控割律徽了本赝的变化，暇走憋“速率e ”控制魁被“速度谋 蓑v 。”控制代替，￥。都测率辊轮遵赘v 。鞫参考速瀣v a ( 对痰予游动瘴擦系鼗蜂德 的滑动速度) 的差值。当刹军机轮速度v 。低子蒸准级参考速度v 一时，刹车压力下阵， 壤转处予捡澍状态，蒯车枫轮速度v 。上丹；反之，盟4 增大制车压力，挽轮处予刹率状 惫，刹车橇轮速艘v 。下降。箍篱m a r k i i i 型豹镶用瞵游澍车效嚣蓠次选到9 0 ， 彝髓防淆系绕已缝 _ l = i 简单酌防正轮嚣爆验演变为蛰鞋挺藏刹车效枣，增强熙转能力， 摊供接邋保护势延长轮骀奄命的复杂系统。凇r k i i i 塑提蕊了勰军效率，它不稷使飞 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 机对跑道路面具有较强适应性，而且使刹车更平稳。波音7 3 7 是第一次应用自动刹车 的飞机，防滑控制器采用m a r k i i i 。自动刹车按减速率的大小分为3 档，由驾驶员人 工选择。人工刹车仍然保留。恶劣情况下由自动刹车和防滑系统控制飞机起飞、着陆， 提高了飞机的安全性。 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 4 2 ，4 3 j ，它是世界上第一个使用 微处理器的数字式防滑刹车系统。波音7 5 7 和7 6 7 沿用7 3 7 的自动刹车系统，只是减 速率的分档更为细致，由3 档增加为5 档。 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 一1 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 i i 型、m a r k i t 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 型电子自动防滑控制系统畔j 。通过不断发展完善已经使飞机在不同气候条件下基本上 满足对刹车系统的要求。 在另一个分支上，为了研究飞机在光滑跑道上刹车性能恶化的原因，n a s a 会同其 他机构在七十年代对液压一机械式( m e c h a n i c a l h y d r a u l i c ) 防滑系统、机轮速度变 化率控制式( v e l o c i t y r a t e c o n t r o l l e d ) 系统、滑移速度控制式 ( s l i p v e l o c i t y c o n t r o l l e d ) 系统以及利用自由滚动的前轮代替飞机速度的滑移率 控制式( s l i p r a t i o c o n t r o l l e d ) 系统进行了飞行试验和轨道车试验。结果表明， 具有压力偏调职能的防滑系统无益于混合跑道上的刹车性能1 4 ”的提高，但适合于单一 跑道的控制；滑移率控制式系统在各种跑道上的刹车性能都比较好。波音飞机装备的 m a r k 系列防滑刹车装置采用滑移速度控制式h 1 1 ( 速度差加压力偏调) ，欧洲的一些商 用或军用喷气式飞机则采用的是滑移率f 4 q 控制防滑刹车系统，计算滑移率的飞机速度 用自由滚动前轮的速度代替”。文献【1 ，1 0 】对滑移速度式控制系统和滑移率控制系统 进行了较系统的比较。 1 2 2 国内防滑刹车的发展状况”2 。”1 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 3 鳃北1 ：娥大 硕士学憾论文 第一章铸论 绫，势在赞究毁避其存在憋阉越( 如；过分糖损、羝速辩嚣澄超深、乓滠、拣爨遴囔 撼下方翔w 控性及测车效攀下降等) 。我辍辑七系列档瓒役飞搬采溺豹楚美十零钱泰 期以惯矬传戆嚣为检溯元件的机械一气艇辨滑刹车黎统。嗣内商荚生产厂家釉研究所 献六十年代来期 歼始檎继研翻如蠲种模拟式电予防游刹车系统，其中傍荚m a r k i 的遴 率系统，港运弼予运十飞辊t ，经过领先概长期静飞褥考验。番项指标均达到设计要 求，戆蛰满足飞霉亍嚣要。逯卡飞撬簌罾产飞搬巾麓努彀子防涝巍凌测攀之巍酒。飙七 _ 4 筚我野始，我麓第二我瑰竣“毪橇蠢装罄了摸撼式彀予骑灌滚蕊裁率系绫。在逶卡飞 机电子防辫刹攀系统研制懿基础上，参熙英翻o s c a r 糸绞，1 9 8 1 年叉研制了模揪式遥 发麓电予辨褥系统，1 9 8 2 年正式被f b c - 1 飞机选鲻，并雀运七飞枫上潍褥了长时期饺 粥和飞予亍考验。 器箍我鬻巍好始了数字式电予游港潮攀系统麴群铷，辫藏溅澈褥了一定豹避袋。 我溪滟耱涝翻牵系统经历了鑫辘撼防滑溺模拟式电子转潦，蒸淘数字式电稽液蕊貉滑 测牵靛鼹。 1 ，2 3 - t 机髓潦刹率技术的来采“。” 飞梳游滑测率系统游发艇趋势建：l ，骈究剩率g 超豹起落絮撵动霸鲡臂减少轮胎 襄援 4 9 , 5 0 , 5 4 1 并提蘸其海禽| l 穗感，礤究飞规测霉与撼蕊瓣嚣方肉鹩练食接剿。戮癸爨畿 野始了这一方霆麴研究工搏，文蛾5 胡礤糍了蹶镶爨滢刹车萼媲藤瓣行方翔鲍缀合 控制系统。综合控制是把防滑刹率、前轮转弯和方向靛控制的均髓综合在起幽枧载 计簿撬协调控翩，其自i 撬怒备个子系统海电传揲级。菇谶个子惹绕妻簧控制飞机蚋滑 行方淘，简速辩由方向舷控制，低速时幽箭轮转弯袋麓渤刹车控制。豫综台靛制系统 主臻瘸予党瓣魏邀稿溅辩环拣。2 瞧韵藏漕蒯攀。毫确裂莩系统楚荚疆空擎年代 蜜瓣戆一域藏螫碾究谤划。翠在黪年栈弘期，夔国奎攀与飞机剥率鬟绫公镶避行避 嗽动刹枣研究的台谗谢1 ，魏内的一些礤党单位和菇校媳嚣始了魄劫测车韵颈磷，文献 c 1 4 磅究了瞧动那个刹车的建搂，访襄。从惯| | 生蠹试验维慕袭聪，毂魂剩攀系统的科 率教率伉予液驻潮卒系统浆效率。3 。随着防滑刹车系统的复杂性、难度以及宅对飞机 蜜全魅静萋簧辩璃翳益被天嚣j 掰关注，将薪懿控涮疆论躐莱遮嗣期耪漕刹攀中褥燮褥 越来越滔跃。文献f 1 5 ，l ? j 遮蹋拇经嗣络进雩子翁漆翻车控镱l ，文献 2 瓴2 i ，2 2 ，2 8 ，2 7 】 探讨了醛辫秘攀撰蝴控割方式，文献 2 3 ，2 朝垮章枣经网络秘模糊系统缨台越来控制， 文献 2 5 1 提出了麟漤刹车鹪蛰接设计。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 ，3 课题研究的目的和主要工作 1 3 1 课题研究的目的 本课题是为陕西某航空单位设计智能防滑刹车控制器，完成对模拟防滑刹车控制 器的改造。对防滑刹车系统进行从模拟式到数字式的改造是符合刹车系统发展趋势， 因为数字式防滑刹车系统相比于模拟式电子防滑刹车系统除具有一般模拟式电子防 滑的优点还具有以下优点： ( 1 ) 响应快、工作平稳、自适应性强、效率高。 ( 2 ) 模拟式电子防滑刹车控制系统主要由模拟器件构成，只能实现p i d 等简单的控 制律，这就限制了其在刹车性能的进一步提高。单片机、数字信号处理器、嵌入式系 统等微处理器的不断涌现，使数字式防滑刹车系统可实现更复杂的控制律。 ( 3 ) 数字式防滑刹车系统具有模拟式防滑刹车系统无法比拟的调试和维护方便性， 模拟式防滑刹车系统经常因为要改变某一个参数将控制板折腾得面貌金非。数字式防 滑刹车系统则不然，无须对硬件有太多的改动，只要在软件中稍加修改即可完成。 ( 4 ) 数字式防滑刹车系统具有怠好的继承性，控制律的改变可不改变硬件平台的构 建。 另一方面，由于目前的速度差加压力偏调控制方式在低速段存在严重的低速打滑 现象，不能对机轮的打滑予以解除，会造成机轮拖胎，这很大程度上降低了刹车效率。 如何更有效的提高飞机刹车效率，缩短刹车距离是数字防滑刹车控制器需要认真考虑 的。 综合以上两方面来阐述本课题的研究目的。本课题研究目的是在完成对模拟式防 滑刹车控制器进行数字式改造的基础上，将模糊控制这一智能控制算法运用于控制系 统中，以有效地提高飞机的刹车系统的可靠性、提高刹车效率和飞机对各种载荷状况、 跑道状况、气候条件的适应能力。课题意义在于为数字式防滑刹车系统控制系统提供 了一套完整的设计方案，对于提高飞机整体作战性能具有重要作用。 1 3 2 课题研究的主要工作 基于t i 公司1 6 位定点d s pt m s 3 2 0 f 2 4 0 的飞机智能防滑刹车控制器的设计经历 了f 型件、c 型件。完成了惯性台上的各项实验。f 型件选用的是i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 k b 微控制器，从试验的角度看，处理速度较慢，防滑效果不甚理想，且内部资源少，轮 速信号必须经过频压转换将其转换成与轮速频率成正比的电压信号。并考虑到i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 k b 微控制器现已停产，所以在c 型阶段改用t i 公司1 6 位定点d s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，简化了系统的硬件设计，提高了系统的运算速度，为将来控制器的功能 黪就韭太学壤圭学僚论文 第一章鳍论 扩鼹骰好了壤罄。 详尽分辑了系统瓣技术指标，搭建了疆锋平台，并绘爨了窀踌竣诗方蹇，对备部 分电路的原理和功能进行详细的分极和夯绍。完成了p d + p b m ( 速艘麓加压力偏调) 控俸4 律谯d s p 中蜘实现。井在此纂础上对模糊p i d 舞能控青在“1 毫机刹车书孵应用擞了一定 的研究工作。最后对在惯性台上的试验结果进行了分析，对论文的研究工作进行了总 结，提出了今螽酌优化方商。 西北工业大学硕士学位论文第二章匕机防滑刹车系统的结构及原理 第二章飞机防滑刹车系统的结构及原理 2 1 防滑刹车的原理”1 。”1 飞机机轮着陆制动时的受力状况如图2 - 1 所示 图中： m 。是刹车盘的制动力矩，它仅由刹车盘结 构参数决定，其大小取决于刹车盘的形式、结 构尺寸、动静盘的摩擦系数及加到刹车盘上的 径向压力； x 是地面提供的结合力，它对机轮的力矩 即结合力矩 。可由式地= x 。xr 求得，其 中r 为机轮的滚动半径； g 是地面对机轮的反作用力； i 。：一 万、。 弋i ，x i g 图2 - 1 机轮制动时的受力状况 f 、r 分别是通过起落架施加给机轮的垂直载荷和水平推力； 滚动阻力偶矩和减速时车轮自身的惯性力、惯性力偶矩均忽略不计。 以下将讨论m 。、m 。这两个量对机轮运动状态的影响。 飞机刹车时，当肘。较小且未达到极限时，地面提供的结合力矩埘。足以克服刹车 力矩而使车轮滚动，此时m 。= m 。，当m 。继续上升到某一足够大的值时，m 。达到 地面所能提供的最大m ，机轮即抱死不转而出现拖滑现象，且结合力矩不再增加， 但刹车力矩确可以随着刹车盘径向压力( 以下简称刹车压力) 的增大而进一步增大。由 以上分析可知，若想高效的利用地面结合力矩进行刹车就必须合理的施加刹车力矩， 若刹车力矩偏小则刹车效率低下；如刹车力矩偏大，则会出现机轮打滑，可能导致严 重的后果。 机轮在制动时，由于合力矩的影响，使得刹车机轮转动的线速度与飞机速度( 自 由机轮的线速度) 不同，这种不同一般用滑移率卫来表示： 丑一no-n100(do-(0100 ( 2 一1 ) 疆l k 王韭大学骥学位论文 篱二牵b 辊翡槽翻车系统豹缔褊最纛毽 其中： 、。蠢由梳轮晌转速、黉l 速庋( 币潮车祝轮滚动时的转速k 玑刹车机轮滚动时的转速、角蟪度； 孰土式冒知，鬟飞辊速袋等于梳轮速度辩，滑移率淹零 当矾轮涮动髓，两者差 剐越来越大，淆移率越来越夫，停车乏葡辊轮拖死时，梳轮速度为零，涛移率达到1 0 0 。 垃嚣绩念力矩簿予地委戆合系鼗与搬轮缴趣载赫黪蘩积。警辍轮缴巍载薅一定 时，结合系数芦藏超蕾至关震簧的侔蹋。不同躺滑移率骈对瘫静缭合系数封憝不一样 的，描述这一关系的魁机轮结合系数曲线( * 丑曲线) ，如闼2 - 2 所示； 从图中可知，机轮制动时的级向结合 燕数声。及侧向绪仓系数尥与滑移率鼻 之间存在者密切的关系。当机轮只有滚动 时( 量= o ) ，级向缩台系数为零丽铡向结 合系数最大，而君随着滑移率增太，级向 缝合系数惫蘩增丈。一般德况下，在名一 1 5 一弱瓣缀囊结会系数这墅最大镶， 此辩灼游移举叫馓 。，与之甜应的最大 缎淘结含装数嗣锨蜷值侧淘缭台系数 掣。，。漕够霉再增趣辩出瑗不稳定状态， 图2 2 机轮结合系数曲线 级街结合系数有所下降。而铡向结合系数刘在纰过程中一畿下降，鬣翻枫轮究全封滑 时接近予零，这就愁昧蘑楗轮糕港鞍深蛙，刹车凝轮的魅趣变褥琴稳定，当抚场鸯侧 鼹瓣，缀窭翳犏靛戬囊子弹氆跑道产堂严重鲍矮暴； 关于机轮轮胎的结合系数与滑移率可以得到如下定性续论： ( 1 ) 滑移率丑。1 0 0 对，缴向结合系数较夺而德离终舍系数几乎为零，遮意睬黄 飞机将失去制动和航向的稳定性； f 2 ，在滗移率 一t 5 - - 3 0 魏菠潮建这鬟棒范潮德与爨磷状态、轮黔结搦、 德镧状魂蒋商关) ，霹鞋褥翔较大豹缀秘_ 车瑟铡淘瓣结合力，是安全糍效铡动的理憋王 住区域； f 3 ) 澎秽搴鼠零副最大缎国结合系数对瘟魏滑移率& ，的范灏为稳定援域，虚努力 控铡机轮王 擘在此医域； 4 ) 辫移事麸妨到l 瓣豹蓬鼷为不稳定蜒域，五一鲢超芄如蜃馕会缀抉进入 疆麓互照大学颈攀艇论文 第二牵飞机辚褥刹车系统熬结擒及摄嚣 到率埝懿死状态( 冀一l 拜) 。强为遮霹数番终楚一令摄爱绩过稷； 淹缓设械轮的蠢大予j 。，翼鼗时的刹车力矩( 夫予她疆莲缀合力筑) 维持憾建 筑轮速发降低* 潺移率冀增大 缀巍缀念系数下降 l 缝合力矩减小 会力矩增大枫轮速度避一步终低 速一正袋绩馕褥盖 五，瑟，藩翻车力艇不髓抉速减下 寮匏诿，壤轮会壤绦撼死，霹能 9 穗托工业大学硕士学髓论文 第二章毪机防滑刹车系统的结构及原理 2 ，2 防涝刹车系统的结构秘工住原理 2 2 1 防滑刹车系统结构 飞机的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 潦翻车系统由辊轮刹车镶节系统帮醛涛控毒l 系统两部分缀戒。 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赡严格划分 嚣寒，具体讲包括减压阀、刹车控毒嚣、电渡馏照闲、刹车装置、瓠轮、搬轮速度传 感器。其组成原理结构框图如图2 - 5 所示。本课题研究的某重型飞机的防滑刹车系统 原理见图2 6 。 鞫2 - 5整个翻车系统静结褐耩强 ( 1 ) 剥车阙 刹车阆又称为刹车减压闷，它有谶油口、回油口和刹车口三个进出口。进油口接 飞机主液压系统的濑源，回油口接回油管路，刹车口输出剃车浊源。刹车阀的主要构 成部件有润芯、阀套、壳钵和弹簧四个部分。刹车阀受飞行员的直攘控制，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宛值，输出一个稳定 蘸疆丈蒯车疆力，鼠蕊隈潮了输送绘翻车装置静最大刹车疆力，穗藏疆铡了潮车系统 的最大刹车力矩。最大刹车艨力由飞幸亍员来控制，它与飞行员的脚蹬力成正比，减厦 弹簧使飞行爨对刹军压力产生一定的经移感，飞 亍员对刹车操缴麴掌握受援灵活方 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 窀压力，而由防滑控制器来调节最终输送给刹车装置的刹车压力。 圪 其中： v a k ) 为当前参考速度；k ( 女) 为当前机轮速度 馥热王盐大学壤士学链谂文第三章防淆餐车稚铡鑫控制策略抽矫究 。为参考速菠的减速率；砟往一1 ) 为前一对刻的参考速度； 疋控制周期： 参考速发之所以这样设定蛉道理在予：实验谖鞠，海参考速度拨照飞椒速度遴簿 设定时，防滑系统的解除打滑动作频率很高，导致防滑控制不稳定。参考速度的减速 率怒一个报羹要的参数，应穰据不同的跑道情况做相应的诫整。减速率如菜设黉偏太， 参考速度下降很快，刚会使速度羞偏小，并且不能保持足够的时间窝度，让控翻器及 时暇出反应，裘瑗淹系绫不灵鼷，不链及时解除掇轮静菸滑现象，舞减速率落没饕偏 小，参考速度下酶变攒，速度麓过太疆萎持续瓣闽长，遮藏控翱器教瓣瓣缝输出电流 过大，机轮打滑解除速度过快，防滑电流高频振动，伺服润响应跟不上，造成刹车压 力期不上去，不能宠分利用地戮所能提供的结会系数，这样势必会造成防潦系统工俸 效率的降低。 3 2 + 2 速度差加压力偏调控制方式的离激化方粳“_ ” 速度蒺司写为 。转，。移；，一咒。，套氆一- ，l ，) 一- 。a i ；笺蓑； t 。， 稚1 参毒速度和枫轮速度乏差 比例级鼹一个带有门限的比例放大，门限的设置使系统具有一定抗干扰能力，这 一缀对螭豫机轮较深的打淆超主要作用。邵： 矿m ：f 。嗣( 3 - 3 ) 巧啦 墨唯一)啦) ) 为眈恻缎躺输出 k ，为比铜放大系数 n 为比例级的门限值 徽努级燕对编差嶷纯趋势瀚疆测，徽分缀在壤轮努涝爨突然交犬嚣李其寄缀强戆雩车 用，可以迅速鳃除打滑即： y m f o 口( 女 、 2 kx ( 心一p ( 女一1 ) ) ，t sp ( ) ( 3 - 4 ) 秘) 为微分级的输出 嚣北： ：啦天攀硬士学毽论文 第三章辚渭翻牵控制盎控制繁略麴研究 轧两徽分缀瓣藏穰锫数 茂褒微势级瓣门羧 p b m 缀瞧蘸冀蕊力臻镯缀，它是控镱l 器最为关键豹帮努，蠲车效率翁撵窝主要 罴遥避遮一级懿敦淑特接避行改善孬墩褥懿。本缓要求，墨速度麓大予蘩- - f - j 隈时， p b m 缀鳇镰赉应逐步壤夫，虽溪差小瓣遴长率小，谖蓑大露罐长攀大。其翁能实琨努 为三三个豁分：积分二辩、常数上舟、二次下海，著囱两个门限遘彳亍控潮。葵表达式魏 下 l f 霉一1 ) + k nx 和( 是) + e ( k 一玲一2 甄 ) 0 盘) 一致 吒2 鬈 女= k 女- i ) + k ；2x t s# ( ) 一玩l 纥2 ( 3 - 5 ) l v c o n s t 一墨3 印强) 2 # 壹) 一巧l 0 蠹) 为p b m 缀魏输出 k 一1 ) 为上一时刻的p b m 级赣掇 爱。麓鬻数主舞系羧 茁。，为升莲速窭 爱。、为放电女l 速震，在籍续的疼器孛，为琏解方馁慧翥豫之为二次下海速枣 v c o n s t 楚二次下舞豹顶赢，每次脱褰二次下蹲豹状态，v c o n s t 的俊都会籀斑交 纯。n 为二次下降辩闻匏 蠢数缀。 p 秘在经历a 敬涤狂潜螽，会产爱一令稳定分塞，漩稳定分鬃露溢瀵繁辊耱抒瀵 解踩蓐下次野压鼯黪耪始簇力，露不髭把测肇蕊力熏新蠢零开始逐劳增热。这静特健 捷露淫瓣豫嚣静第一轰齄簸蠢一个越戆豹瓣率力矩，嚣瑶茹觅撬藏了耱潼裁事系统瓣 刹车效枣。翔暴枫轮进入赫鲜德跑邋，粥祝轮平均打滑时翔缀艇，鹳缀教电对润延 长，控髑耩辕出怒流毽涎乏醛羝，藏镧毅淹浚壤耱平均g 事撬力承平稔舞，莛靛崩黎 力矩裁会变大；稿短，热暴辍轮蠢蔫u 氆照递进入低嚣德跑道，翔辊轮平均打涝辩阑 延长，p b m 缓藏惫瓣阏缝短嚣充 羲瓣闽变长，挖裂嚣羧寤邀滚交大，平璃裁车压力酶 低，防滠勰豫屠魏起始翻车力矩变小，这垂怒p b m 缀设计豹巧妙之姥。翻魏可见，p 转虢 级豫了熬瓣滁撬耱豹深舞涝强癸还爨露瓣识跑道隰调节爨车嚣力熬佟弼。 综合缀是将魄倒缓、微分级翻p b m 级豹输出按各鑫豹投馕整搬。弗曼袋剃一个簸 太埝囊毽，箕表遮式为： 璺篓三些盔笺璧圭茎霆鎏茎 篷三垩鳖翌整妻篓塑壅蕉翅整堕鳖受塑 t = k 。x 0 + 戤+ 甄x kkg 3 6 ) 为饱和假 式( 3 一1 ) 式( 。一6 ) 组成了较为宠整约速度差龆压力馈讽接粼方式好褰教 ：方壤； 3 3 模糊p i d 控制原理及在飞枕测窜蹙剃嚣上波用 3 。3 1 模糊p i d 控制原理 飞机刹车系统是个复杂的时变非线性系统“j ，其刹率过程受要0 跑道状况、轮胎 藤力、囊车盘潺淡等渚多因素的影桷，建立耩礁的动力模型有定的难瘦，丽经典 p 算法楚蘧立在时被控对象精确藏搂瀚基确之上的。= 文基予p d + p b m 静控制算 法照然砖窑藏性彀，健在撼遮段存在严整打滑现蒙，尝致刹车效攀上不去。针对以上 鼹个方蕊，本文对模嬲p i d 这一蓊型控剁薄法麴藤理及箕在飞机醛滑刹擎串鲍应用徽 丁一定的研究，以期能达到解决问题、提高刹车效率的目的。 模襁控制碍是以模糊集合论作为它的数学基础的，它的诞生荧翻柏克莱加娴大学 电气工程系l a z a d e h 教授予1 9 6 5 年剖立的模糊集理论为标准的。模糊控制系统应 用予诸如在测量数据不确切、瑟处瑾的数据量遘大戬蘩无法爨龄窀鲷鲍兼容髓、一鬻 复黎霹交豹被控瓣象簿弱台楚簿鬻含逶豹。与传绫控割器徽羧予寨绫行为参数翡控裁 器设计方法币同的是模糊控制的设计是锹赖于操作者的经骏。 在传统控制器中，参数或控京4 输出的调整是投据对由组微分方程攒述的过程模 型的状态分析和综合涞进行的，而模糊控制器参数或控制输出的调熬是从过程函数的 逻辑模螯产篷韵擒弼震进行鼹。改蒋模糊控制瞧麓静最有效方法爨往 ：模糊控制麓 粼。模糊控镧器有班下一黧镧最韵特点； 无霰知道被控趟象的数学模型。 燕一种反映太类智慧思维的智畿控制最翳被人# 】耀接受。 构造寄易、鲁棒性好。 模糊控制8 赫拥燕祠用人酌智能鞠缀验，制密一定的横糊僦剡，进行糍濑，得出 控制蠢询撵，按查询簿来控刳系统。来翅模蝴控制，霹懿寒效豹竞目参数变化对系缆 选戒浆不剃影鹂，摄大邈增强系统懿蛰棒牲。疑辩避凳不糖确建摸遮藏黪误菱，键系 统商效的工作。模糊按审4 系统是一种自动控制系统，它是以模糊数攀、模糊谣言形式 的知识表示鞠模糊逻辑推蠼为理论基础，采用计簿机控制技术构成豹一种具肖闭环缭 硝北工业大学硕士学位论文 第三章防滑刹车控制盒控制策略的研究 构的数字控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。模糊控制系统的主要 部件是模糊化过程、知识库( 含数据库和规则库) 、推理决策和精确化计算。图3 2 是其结构图。 图3 - 2 模糊逻辑控制系统的基本结构 模糊控制器必须具备下列三个重要功能： ( 1 ) 把系统的偏差从数字量转化为模糊量。 ( 2 ) 对模糊量由给定的规则进行模糊推理( 规则库、推理决策完成) ( 3 ) 把推理结果的模糊输出量转化为实际系统能够接受的精确数字量和模拟量 所以，模糊控制器的设计问题就是模糊化过程、知识库( 含数据库和规则库) 、 推理决策和精确化计算四部分的设计问题。模糊化过程主要完成：测量输入变量的值， 并将数字表示形式的输入量转化为通常用语言值表示的某一限定码的序数。每一个限 定码表示论域内的一个模糊子集，并由其隶属函数来定义。对于某一个输入值，它必 定与某一个特定限定码的隶属程度相对应。知识库包括数据库和规则库，数据库提供 必要的定义，包含了语言控制规则论域的离散化、量化和正则化以及输入空间的分区、 隶属度函数的定义等。规则库根据控制目的和控制策略给出了一套由语言变量描述的 并由专家或自学习产生的控制规则的集合。推理决策逻辑是模糊控制的核心，它利用 知识库的信息模拟人类的推理决策过程，给出合适控制量。精确化是将推理得到的模 糊集合中取一个能最佳代表这个模糊推理结果可能性的精确值的过程。 常规数字式p i d 控制算法为 “o ) = k p e ( 女) + t ，r p ( f ) + 等臣( 女) 一p ( 一1 ) 】 ( 3 7 ) 其对应的增量形式为 “( 七) = “( 七) 一“( 七一1 ) f 3 8 1 = k l e ( 女) + k z e ( k 一1 ) + k 3 e ( k 一2 ) 、 9 锺托王盟大学褫士学经论文 第三章防精弱牮控稍盘控潮繁路的磷巍 ( 3 7 ) 、( 3 - 8 ) 两式串，。、i ，、分别为 铡系数、积分菇数和徽分系数，t 为 采样周期毛= k 。+ 鼻，+ 虬t ，女2 = - k 。一2 k d t ，女3 = k t 将模期控制灵活、透艨性强的怃点秘p i d 控制糖艘赢匏往点结蠹起寒，蕤梅成了 模糊p i d 控制方式，其可以达到理想的控制效果，它对各种被控对象，不同的控制指 标均能实现p i d 辍佳调整。 模糊p i d 是在p i d 算法躺綦础上，通过计算韵前系统误差e 和谈差变化攀0 ，利用 摸糨援熨逃露摸凝摆壤，查谗模凝矩阵袭进挥参数调整。 在3 2 肇中提到遴度蓦攘溪力镳调攘裁有其蠡身豹爨点，速度麓热援力缡调控涮 中，参考速度是这样一个量，当前计算出来的新拍的参考速度值大于此时的机轮速 发时，将计舞出大的参考遮发 譬为真是的参考逮麇，巍计冀出来驰参考速度小于此时 的机轮道艘时，将机轮速泼作为当前的参考速度。即当前的参考速魔值始终大于此拍 静囊实税轮逡瘦德。本谍题豹控翩策略力求程箕蒸础上对箕进行优纯，营先对参考速 菠囊新避行定义： 以女) ；e 一1 ) 一g + 瓦 3 * 鳓 刚逮凌麓重新定义如下： e = 鬣窝：笺甓( 馨k - 一1 ，) ，- 一a 。主；芝篆； t s _ ， 滠窍速度差女# 毽力璃调控囊孛，速攫差e 售) 怒一个菲热篷，酃当冬) 冬) 拜雩， e 任1 都作为霉处理，p b m 级的输出电压以统一的放电速率二次下降。选就出现了这 样一个阔题：只要斛昧打滑雁以统一的速率进行缓慢热疆+ 如果解除打潦盛飞机速度 刚起来。那么可能刹车效率商一些，打滑解除得很充分；当飞机速度已经究垒起来， 诧时再麓鞫褥的速率翱压，效率羲会交抵。掰敬为了撼菇这一韶努秘效率，必须蒋打 滑解除酌程度量纯，即当e 强) o 簿，不葡口应有不潲的二次下降速翠 o 时，采用完全p i d 控制。在e ( 女) o 时，取 消p i d 的作用，究全出二次下降级接管，根搀不同的初始速度麓来调节 = 次下降速率。采用这种控制方式的好处在予继承了速度差加偏压控黼中压力偏调 ( p b m ) 浆优点势汲敬了模糊控制匏耩确量健麴镶点，褥会在挺巅猫车效攀方瑶鸯辑 羹献。 那么控制方程可定义为 西北t 业大学硕士学位论文 第三章防滑刹车控制盒控制策略的研究 m ) ：k ( 卅 州) + 等m ) - e ( k - 1 ) lv c o n s t 一女。丁) 2 然： b 女。为二次下降的速率。因此模糊p i d 控制算法的核心问题就是对k 。，k ，k ， k 。参数量化。它们量他的准确与否将关系到模糊p i d 算法的优劣。 由于本文刹车系统的控制方式选取的是滑移速度控制，即就是控制基准速度与机 轮速度的速度差信号，所以p b m 偏压控制的控制端输入信号也就是此速度差信号。 p b m 偏压控制的主要设计思想就是：根据输入的速度差信号，设置不同的防滑控制 门限及升压放电参数来对系统进行有效地控制调节。具体设计遵循下面要求：当输入 的速度差信号大于某一门限时，p b m 级的输出应逐步增大，且误差小时增长率小， 误差大时增长率大；这样设置的原因就是因为在机轮打滑较浅但持续时间较长时，说 明刹车力矩与结合力矩相差不是很大，机轮速度低于参考速度的量比较小，应该使控 制器输出一个缓慢增加的防滑电流，让伺服阀输出的压力缓慢降低，以减小刹车力矩， 解除机轮长时间的轻度打滑；而当机轮滑移量较大时，速度差也变得很大，随着打滑 时间的延长，使p b m 级输出一个快速增大的防滑电流，驱动伺服阀使其输出的刹车 压力迅速降低，让机轮脱离深打滑状态；当输入的速度差信号小于该门限值时，本级 的输出按某一放电规律缓慢下降，也就是说，在机轮不打滑时，由于机轮速度与参考 速度相差很小甚至为零，在这种情况下，应该输出一个逐步下降的电流，让伺服阀的 压力从某一值处逐步上升，提高刹车力矩以重新寻找地面最大的结合系数，提高系统 的刹车效率。 由上面的分析可知：p b m 偏压控制中，放电特性级( 即二次下降) 对系统刹车 效率的提高起着重要的作用。下面就分别介绍一下p b m 偏压控制中放电特性的三种 情况。 图3 - 3 中起始点是机轮打滑解除 后头一点的系统防滑电流，也可以理解 为p b m 控制电压。因为这时打滑已经 解除，所以应该尽快加一个较高的刹车 压力，以提高刹车效率，根据这个要求 可知，按曲线1 进行放电时，由于在早 期放电速度较慢，因而刹车压力上升很 慢，一定程度上影响了刹车效率的提 高，但是当跑道的结合系数变化较大 时，因为它在后期的放电速度很快所以 它捕获最大结合系数能力很强，也就是 电 液 伺 服 阅 电 流 m a 时间 图3 - 3p b m 控制的三种放电特性图 憩北工业大学顿= ：l = 学谯论文 第三三章黪滑事按捌懿控魁簟酶瓣舔巍 说当跑道变化缀大蹴，这季孛散酝特性冀总鹣利攀效率霹貔婴蒜一鼗；p b m 缀按照线3 避行敝电辩，幽予勰媳放电遮度捩，刹车援力魏辨较抉的速浚上舞，挺潜黪攀缓糗蟪 接近鼹大镦衙表现出较离的刹车散帑，很是褒跑道鼹多燮的情况下，这种优良的晶聪 就会大打辑翔，灏为它在耩麓放逢i 速魔壁观出越来越慢鳃趋势，报可能不会把剃率聪 力提商到一个较商静承乎以瓷离程商结台系数媳道上驰工作散攀，这则是它麴致命弱 畿；接线2 娜燕一稃辑中媳方絮。考虑剽飞枫糟麓剿率；鎏程中跑道条 睾熬多交髓复杂 瞧，势缝会上述赍绥瓣兰释敝鬯特性将泰，本文在辩p b m 控露l 鄂分抟被奄特槛避抒 设计时慕用了二次放电规镣避行设计，其特性照线类戗予图3 0 孛曲线l ，下牵模 糊控制