雙通道飛機(jī)剎車系統(tǒng)半實物仿真

雙通道飛機(jī)剎車系統(tǒng)半實物仿真宋海濱;郁建;方濱;王普【摘要】飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)是一個重要的機(jī)載設(shè)備，當(dāng)跑道有冰、雪時，飛機(jī)不但不易剎停，還難以保持兩側(cè)平衡;文中對飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析，針對飛機(jī)在非均勻結(jié)合系數(shù)跑道上容易側(cè)滑這一現(xiàn)象，提出了雙通道平衡調(diào)節(jié)控制方法;在計算機(jī)建立的飛機(jī)模型基礎(chǔ)上，將剎車控制單元接入仿真回路，形成了飛機(jī)剎車半實物仿真系統(tǒng)，可以實現(xiàn)飛機(jī)在各類環(huán)境下的剎車模擬實驗;仿真結(jié)果表明，提出的雙通道平衡控制方法響應(yīng)迅速，有效抑制了機(jī)體側(cè)滑，保障了剎車系統(tǒng)的安全，為剎車系統(tǒng)的設(shè)計與改進(jìn)提供了試驗依據(jù).【期刊名稱】《計算機(jī)測量與控制》【年(卷)，期】2010(018)010【總頁數(shù)】4頁(P2393-2396)【關(guān)鍵詞】防滑剎車;滑移率;雙通道;半實物仿真【作者】宋海濱;郁建;方濱;王普【作者單位】北京工業(yè)大學(xué)，電子信息與控制工程學(xué)院，北京,100124;北京工業(yè)大學(xué),電子信息與控制工程學(xué)院，北京,100124;北京工業(yè)大學(xué)，電子信息與控制工程學(xué)院，北京,100124;北京工業(yè)大學(xué)，電子信息與控制工程學(xué)院，北京,100124【正文語種】中文【中圖分類】TP273.30引言作為機(jī)載設(shè)備的飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)對飛機(jī)的著陸起著非常關(guān)鍵的作用，它關(guān)系到飛機(jī)的安全返航、持續(xù)作戰(zhàn)能力和適應(yīng)機(jī)場的能力。飛機(jī)剎車系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其剎車過程受到跑道狀況、輪胎壓力、剎車盤溫度等諸多因素的影響，很難建立精準(zhǔn)的動力學(xué)模型。目前，國內(nèi)常用(PD+PBM(pressure-bias-modulated))速度差加壓力偏調(diào)控制來設(shè)計防滑剎車系統(tǒng)的控制律，該控制律很適合應(yīng)用于飛機(jī)剎車系統(tǒng)中［1］。但是，當(dāng)跑道狀況復(fù)雜，結(jié)合系數(shù)不均勻時，飛機(jī)的兩側(cè)機(jī)輪會產(chǎn)生一定輪速差，當(dāng)輪速差過大時甚至導(dǎo)致機(jī)體側(cè)滑［2］。實際飛機(jī)著陸時，跑道表面的狀況很少一致，尤其當(dāng)單側(cè)機(jī)輪遭遇一段結(jié)合系數(shù)極低的區(qū)域時，如果不采取措施，機(jī)輪速度受剎車壓力影響，馬上就會下降，危險很大。因此，研究雙通道剎車的控制方法具有非常重要的意義。在真實飛行環(huán)境下直接進(jìn)行剎車控制系統(tǒng)試驗十分危險，稍有不慎就可能造成重大安全事故，并且試驗費用昂貴。仿真研究作為飛機(jī)剎車控制系統(tǒng)研究的重要手段，可以提高系統(tǒng)研制質(zhì)量,縮短研制周期。在研究雙通道剎車算法中，將部分真實實物接入仿真回路實現(xiàn)了半實物仿真，可以在模擬真實的環(huán)境下驗證雙通道剎車系統(tǒng)性能，為飛機(jī)剎車控制系統(tǒng)的研究提供了更加有效的試驗平臺。1防滑剎車控制系統(tǒng)分析1.1飛機(jī)滑跑動力學(xué)模型飛機(jī)在滑跑時，假設(shè)沒有側(cè)風(fēng)或側(cè)風(fēng)速度很小，從而對整個模型的影響可以忽略［3］,則飛機(jī)總體的受力分析如圖1所示。圖1飛機(jī)受力示意圖則飛機(jī)滑跑動力學(xué)方程為：在圖1和式（1）、（2）中,0為飛機(jī)的重心,M為飛機(jī)的質(zhì)量,G為飛機(jī)的重量,F為飛機(jī)升力,Vx飛機(jī)的速度,T發(fā)動機(jī)剩余推力,Q為飛機(jī)迎風(fēng)阻力巾1為剎車機(jī)輪與跑道縱向結(jié)合系數(shù)［5］巾2為飛機(jī)自由機(jī)輪與跑道表面的結(jié)合系數(shù),Fb為剎車機(jī)輪所受結(jié)合力,Ff為自由機(jī)輪所受結(jié)合力,N1為跑道對單個自由機(jī)輪的反作用力,N2為跑道對單個剎車機(jī)輪的反作用力,a為自由機(jī)輪到飛機(jī)重心線的距離,b為剎車機(jī)輪距飛機(jī)重心線的距離,h為飛機(jī)重心距地面的高度,n1為自由機(jī)輪個數(shù),n2為剎車機(jī)輪個數(shù)。單一剎車機(jī)輪模型如圖2所示。圖2單一剎車機(jī)輪的動力分析由圖2得：其中,3為機(jī)輪角速度;Tb為剎車力矩;r為機(jī)輪半徑;Fz為機(jī)輪對地面的壓力;口為結(jié)合系數(shù);J為單個機(jī)輪繞轉(zhuǎn)軸方向的轉(zhuǎn)動慣量。1.2剎車系統(tǒng)原理飛機(jī)防滑剎車制動主要依靠輪胎和地面間產(chǎn)生的結(jié)合力。在飛機(jī)重量一定的條件下,影響結(jié)合力的因素稱為結(jié)合系數(shù)。結(jié)合系數(shù)受很多因素影響，但與滑移率的關(guān)系最為密切［3］。在飛機(jī)剎車過程中，機(jī)輪速度小于飛機(jī)速度時將產(chǎn)生滑移,滑移率S定義為：大量研究數(shù)據(jù)表明，滑移率與結(jié)合系數(shù)呈非線性關(guān)系，且不同的跑道條件（干、濕、冰）對應(yīng)不同的關(guān)系曲線，如圖3所示。當(dāng)結(jié)合系數(shù)最大時，對應(yīng)的滑移率稱為最佳滑移率。圖3滑移率與結(jié)合系數(shù)關(guān)系曲線當(dāng)飛機(jī)著陸剎車時，飛行員發(fā)出剎車指令信號，防滑剎車控制器根據(jù)此時的落地開關(guān)狀態(tài)和機(jī)輪速度,實施防滑操作。防滑剎車控制器是剎車系統(tǒng)的核心部分,通過對速度信號的運算處理,并綜合剎車指令信號，輸出防滑剎車控制信號，向電伺服閥輸出相應(yīng)的防滑電流，利用電液伺服閥的調(diào)壓作用對機(jī)輪進(jìn)行剎車壓力調(diào)節(jié)。防滑剎車就是要在整個剎車過程中讓滑移率跟蹤最佳滑移率,以產(chǎn)生最大結(jié)合系數(shù)，從而達(dá)到最佳剎車效率。2雙通道剎車控制策略2.1速度差加壓力偏調(diào)控制目前,國內(nèi)常用速度差加壓力偏調(diào)控制來設(shè)計防滑剎車系統(tǒng)的控制律，速度偏差是指擬定的參考速度與機(jī)輪速度的差,并以此作為控制信號。該防滑剎車的系統(tǒng)原理如圖4所示。圖4速度差加壓力偏調(diào)控制工作原理在速度差加壓力偏調(diào)控制，參考速度是人為設(shè)定的基準(zhǔn)速度，該參考速度按照比飛機(jī)實際減速率大的某一速率衰減，并當(dāng)參考速度小于機(jī)輪速度時,等于機(jī)輪速度［4］,見定義式(5)。在式(5)中,Vr(k)代表當(dāng)前采樣時刻的參考速度,Vr(k-1)代表前一時刻的參考速度,Vw(k)為當(dāng)前時刻的機(jī)輪速度,a為參考減速率,Ts為控制周期。速度差加壓力偏調(diào)控制方法實際上是多門限的PID控制，其比例級、微分級有各自的門限，積分級與常規(guī)的積分級不同，該積分級的值既可以增加，又可以減小，稱之為壓力偏調(diào)級,簡稱PBM。PBM級的功能實現(xiàn)分為三個部分:積分上升,常數(shù)上升二次下降并由兩個門限進(jìn)行控制。作為控制盒中最為關(guān)鍵的一級,剎車效率的提高正是通過對這一級的放電特性進(jìn)行改善而取得［1］。PBM的控制模型如下式：式中,V1、V2為兩個門限,Vi(k)為PBM級輸出,Vi(k-1)為前一時刻PBM級的輸出,k1、k2、kc分別為積分系數(shù),常數(shù)上升系數(shù)和二次下降系數(shù),Vconst為二次下降的頂點,n為二次下降計數(shù)器。2.2平衡補償調(diào)節(jié)控制律設(shè)計速度差加壓力偏調(diào)控制可實施性強(qiáng),并具有一定的跑道適應(yīng)能力。但是，在飛機(jī)滑跑過程,影響機(jī)輪的因素眾多。例如:機(jī)輪所受載荷不一致，結(jié)合系數(shù)不一致，以及復(fù)雜的非線性干擾影響，容易導(dǎo)致不同機(jī)輪出現(xiàn)輪速差,過大的輪速差會導(dǎo)致飛機(jī)非人為控制的轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象，甚至致使飛機(jī)偏離跑道。目前，剎車應(yīng)用中主要采用傳統(tǒng)輪間保護(hù)方法防止輪速差。即:當(dāng)一邊輪速小于另外一側(cè)一定量時，將轉(zhuǎn)速低的機(jī)輪部分或完全松剎車,使其轉(zhuǎn)速上升［5］。雖然這種方法簡單易行，但是必將造成很大剎車效率損失［6］。為解決上述問題，在PD+PBM算法基礎(chǔ)上，設(shè)計了平衡補償調(diào)節(jié)單元。首先，令T為左右兩輪轉(zhuǎn)速差的門限設(shè)定值，定義函數(shù)：設(shè)Vl、Vr為左輪與右輪的輪速ul、ur分別為兩輪的當(dāng)前防滑輸出信號St、Sr為補償之后的防滑剎車輸出信號。則雙通道平衡剎車控制律為：式(8)中,C(|Vl-Vr|)為補償調(diào)節(jié)函數(shù)，其輸入變量為輪間速度差的絕對值，輸出為剎車信號補償值。飛機(jī)剎車過程中，路面狀況極其復(fù)雜，要求平衡調(diào)節(jié)單元響應(yīng)迅速，及時進(jìn)行防滑電流補償。本單元采用PID控制規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)，表達(dá)式為：則加入平衡調(diào)節(jié)補償單元的雙通道剎車系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5雙通道剎車系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖3半實物仿真驗證3.1半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)半實物仿真又稱〃硬件在回路中”的仿真，在條件允許的情況下應(yīng)盡可能在仿真系統(tǒng)中接入實物,以取代相應(yīng)部分的數(shù)學(xué)模型。正因為實物的接入，半實物仿真提高了仿真的逼真程度。鑒于受條件和實現(xiàn)手段的限制，飛機(jī)的機(jī)體模型、起落架模型、機(jī)輪模型、路面模型和制動模型等采用物理實現(xiàn)比較困難,均在仿真計算機(jī)中建立數(shù)學(xué)模型;剎車控制單元則用實物引入仿真回路,與所建模型組成完整的飛機(jī)剎車半實物仿真系統(tǒng)。飛機(jī)剎車半實物仿真結(jié)構(gòu)如圖6所示。整個系統(tǒng)由兩部分組成，分別為實時仿真計算機(jī)和防滑剎車控制器。本系統(tǒng)中，采用USB數(shù)據(jù)采集卡連接物理實物和飛機(jī)模型仿真計算機(jī)，將模型輸出的信號輸入實物系統(tǒng)，同時將實物系統(tǒng)的輸出信號反饋給計算機(jī)模型進(jìn)行仿真計算。剎車控制器采用TI公司的DSP-SM320LF2407A作為核心控制芯片從CAP口捕獲模型輸出的輪速值,由A/D口獲得指令信號，由GPIO口獲得開關(guān)信號和同步控制信號,并通過改變輸出的PWM波占空比來控制伺服閥電流信號，輸入到計算模型，依次循環(huán)，構(gòu)成了閉環(huán)仿真系統(tǒng)。圖6剎車系統(tǒng)半實物仿真結(jié)構(gòu)圖3.2仿真結(jié)果及分析半實物仿真系統(tǒng)中,飛機(jī)模型的主要參數(shù)參照我國某型飛機(jī)設(shè)置:飛機(jī)著陸重量為23200kg,起始速度為72m/s,防滑失效速度為8m/s,最大剎車壓力為10MPa,主輪初始半徑為0.44m,轉(zhuǎn)動慣量為3.77kg?m2,剎車控制器的控制周期為0.01s。為驗證文中提出算法的有效性,半實物仿真中采用惡劣的跑道狀況，即:在干跑道上（最大結(jié)合系數(shù)0.75）設(shè)置兩次單側(cè)冰雪段（最大結(jié)合系數(shù)0.2）。第一次設(shè)置在跑道左側(cè)200m處，長度為76m;第二次設(shè)置在跑道右側(cè)600m處，長度為50m。在DSP防滑剎車控制器中，剎車控制算法的實現(xiàn)采用C語言，則雙通道剎車系統(tǒng)半實物仿真結(jié)果見圖7~圖9。圖7傳統(tǒng)輪間保護(hù)方式仿真結(jié)果如圖7(a)(b)(c)所示,當(dāng)飛機(jī)第一次左輪遇到冰雪路段時，左輪轉(zhuǎn)速降低產(chǎn)生了較大的主輪速度差。傳統(tǒng)的輪間保護(hù)方法，采用完全釋放左輪剎車壓力方式，雖然使得左輪轉(zhuǎn)速上升，但由于剎車壓力完全釋放，其轉(zhuǎn)速很快超過了右輪;而在右輪釋放壓力的過程中，左輪進(jìn)行正常剎車控制,其轉(zhuǎn)速又小于了右輪，出現(xiàn)了一定輪速差，圖7(c)中最大為45rad/s;當(dāng)飛機(jī)第二次遇到單側(cè)冰雪段時，輪速差最大為20rad/s。而圖8(c)表明，在第一次冰雪與干路面復(fù)合段，輪速差被控制到20rad/s內(nèi)，第二次被控制到10rad/s內(nèi)，比傳統(tǒng)方法降低了50%,因此，增強(qiáng)了飛機(jī)抑制側(cè)滑的能力。通過比較圖7(c)與圖8(c),可以得出改進(jìn)的平衡補償調(diào)節(jié)使得剎車輪速差曲線震蕩幅度減小，增強(qiáng)了剎車的平穩(wěn)性。此外，與滑移率曲線圖7(d)相比，圖8(d)并沒有出現(xiàn)滑移率過大現(xiàn)象，防止了機(jī)輪深度打滑。圖8平衡補償調(diào)節(jié)方式仿真結(jié)果兩種方法的剎車距離比較曲線如圖9所示。傳統(tǒng)剎車方法的剎車距離為875.1m,在采用改進(jìn)的平衡剎車方法后，飛機(jī)剎車距離為828.3m,比傳統(tǒng)方法縮短了46.8m,提高了飛機(jī)在非對稱結(jié)合系數(shù)跑道上的剎車效率。圖9剎車距離4小結(jié)半實物仿真結(jié)果表明,雙通道平衡補償調(diào)節(jié)方案達(dá)到了預(yù)期的要求,有效地抑制了飛機(jī)剎車過程中的輪間速度差，防止了機(jī)體側(cè)滑，并縮短了飛機(jī)在惡劣跑道上的剎車距離。此外，該半實物仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)對剎車控制器的各種性能測試,將大大節(jié)約研制費用，縮短研制周期。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】韓永紅，馬曉平.模糊PID在飛機(jī)剎車上的應(yīng)用[J].航空計算技術(shù),2007,37(5):103-105.姜偉，謝利理,雒雪芳.基于雙通道調(diào)節(jié)的飛機(jī)剎車系統(tǒng)仿真[J].航空精密制造技術(shù),2006,42(2):22-26.余馳,賈玉紅.飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)的MATLAB/SINMULINK建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2007,19(5):1144-1147.潘海挺，郝利輝,李玉忍.一種混合控制算法在飛機(jī)滑剎車系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].計算機(jī)測量與控制2005,13(6):538-541.LiBo,JiaoZongxia