双通道飞机刹车系统半实物仿真

双通道飞机刹车系统半实物仿真宋海滨;郁建;方滨;王普【摘要】飞机防滑刹车系统是一个重要的机载设备，当跑道有冰、雪时，飞机不但不易刹停，还难以保持两侧平衡;文中对飞机防滑刹车系统的工作原理进行了分析，针对飞机在非均匀结合系数跑道上容易侧滑这一现象，提出了双通道平衡调节控制方法;在计算机建立的飞机模型基础上，将刹车控制单元接入仿真回路，形成了飞机刹车半实物仿真系统，可以实现飞机在各类环境下的刹车模拟实验;仿真结果表明，提出的双通道平衡控制方法响应迅速，有效抑制了机体侧滑，保障了刹车系统的安全，为刹车系统的设计与改进提供了试验依据.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷)，期】2010(018)010【总页数】4页(P2393-2396)【关键词】防滑刹车;滑移率;双通道;半实物仿真【作者】宋海滨;郁建;方滨;王普【作者单位】北京工业大学，电子信息与控制工程学院，北京,100124;北京工业大学,电子信息与控制工程学院，北京,100124;北京工业大学，电子信息与控制工程学院，北京,100124;北京工业大学，电子信息与控制工程学院，北京,100124【正文语种】中文【中图分类】TP273.30引言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。飞机刹车系统是一个复杂的非线性系统，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学模型。目前，国内常用(PD+PBM(pressure-bias-modulated))速度差加压力偏调控制来设计防滑刹车系统的控制律，该控制律很适合应用于飞机刹车系统中［1］。但是，当跑道状况复杂，结合系数不均匀时，飞机的两侧机轮会产生一定轮速差，当轮速差过大时甚至导致机体侧滑［2］。实际飞机着陆时，跑道表面的状况很少一致，尤其当单侧机轮遭遇一段结合系数极低的区域时，如果不采取措施，机轮速度受刹车压力影响，马上就会下降，危险很大。因此，研究双通道刹车的控制方法具有非常重要的意义。在真实飞行环境下直接进行刹车控制系统试验十分危险，稍有不慎就可能造成重大安全事故，并且试验费用昂贵。仿真研究作为飞机刹车控制系统研究的重要手段，可以提高系统研制质量,缩短研制周期。在研究双通道刹车算法中，将部分真实实物接入仿真回路实现了半实物仿真，可以在模拟真实的环境下验证双通道刹车系统性能，为飞机刹车控制系统的研究提供了更加有效的试验平台。1防滑刹车控制系统分析1.1飞机滑跑动力学模型飞机在滑跑时，假设没有侧风或侧风速度很小，从而对整个模型的影响可以忽略［3］,则飞机总体的受力分析如图1所示。图1飞机受力示意图则飞机滑跑动力学方程为：在图1和式（1）、（2）中,0为飞机的重心,M为飞机的质量,G为飞机的重量,F为飞机升力,Vx飞机的速度,T发动机剩余推力,Q为飞机迎风阻力巾1为刹车机轮与跑道纵向结合系数［5］巾2为飞机自由机轮与跑道表面的结合系数,Fb为刹车机轮所受结合力,Ff为自由机轮所受结合力,N1为跑道对单个自由机轮的反作用力,N2为跑道对单个刹车机轮的反作用力,a为自由机轮到飞机重心线的距离,b为刹车机轮距飞机重心线的距离,h为飞机重心距地面的高度,n1为自由机轮个数,n2为刹车机轮个数。单一刹车机轮模型如图2所示。图2单一刹车机轮的动力分析由图2得：其中,3为机轮角速度;Tb为刹车力矩;r为机轮半径;Fz为机轮对地面的压力;口为结合系数;J为单个机轮绕转轴方向的转动惯量。1.2刹车系统原理飞机防滑刹车制动主要依靠轮胎和地面间产生的结合力。在飞机重量一定的条件下,影响结合力的因素称为结合系数。结合系数受很多因素影响，但与滑移率的关系最为密切［3］。在飞机刹车过程中，机轮速度小于飞机速度时将产生滑移,滑移率S定义为：大量研究数据表明，滑移率与结合系数呈非线性关系，且不同的跑道条件（干、湿、冰）对应不同的关系曲线，如图3所示。当结合系数最大时，对应的滑移率称为最佳滑移率。图3滑移率与结合系数关系曲线当飞机着陆刹车时，飞行员发出刹车指令信号，防滑刹车控制器根据此时的落地开关状态和机轮速度,实施防滑操作。防滑刹车控制器是刹车系统的核心部分,通过对速度信号的运算处理,并综合刹车指令信号，输出防滑刹车控制信号，向电伺服阀输出相应的防滑电流，利用电液伺服阀的调压作用对机轮进行刹车压力调节。防滑刹车就是要在整个刹车过程中让滑移率跟踪最佳滑移率,以产生最大结合系数，从而达到最佳刹车效率。2双通道刹车控制策略2.1速度差加压力偏调控制目前,国内常用速度差加压力偏调控制来设计防滑刹车系统的控制律，速度偏差是指拟定的参考速度与机轮速度的差,并以此作为控制信号。该防滑刹车的系统原理如图4所示。图4速度差加压力偏调控制工作原理在速度差加压力偏调控制，参考速度是人为设定的基准速度，该参考速度按照比飞机实际减速率大的某一速率衰减，并当参考速度小于机轮速度时,等于机轮速度［4］,见定义式(5)。在式(5)中,Vr(k)代表当前采样时刻的参考速度,Vr(k-1)代表前一时刻的参考速度,Vw(k)为当前时刻的机轮速度,a为参考减速率,Ts为控制周期。速度差加压力偏调控制方法实际上是多门限的PID控制，其比例级、微分级有各自的门限，积分级与常规的积分级不同，该积分级的值既可以增加，又可以减小，称之为压力偏调级,简称PBM。PBM级的功能实现分为三个部分:积分上升,常数上升二次下降并由两个门限进行控制。作为控制盒中最为关键的一级,刹车效率的提高正是通过对这一级的放电特性进行改善而取得［1］。PBM的控制模型如下式：式中,V1、V2为两个门限,Vi(k)为PBM级输出,Vi(k-1)为前一时刻PBM级的输出,k1、k2、kc分别为积分系数,常数上升系数和二次下降系数,Vconst为二次下降的顶点,n为二次下降计数器。2.2平衡补偿调节控制律设计速度差加压力偏调控制可实施性强,并具有一定的跑道适应能力。但是，在飞机滑跑过程,影响机轮的因素众多。例如:机轮所受载荷不一致，结合系数不一致，以及复杂的非线性干扰影响，容易导致不同机轮出现轮速差,过大的轮速差会导致飞机非人为控制的转弯现象，甚至致使飞机偏离跑道。目前，刹车应用中主要采用传统轮间保护方法防止轮速差。即:当一边轮速小于另外一侧一定量时，将转速低的机轮部分或完全松刹车,使其转速上升［5］。虽然这种方法简单易行，但是必将造成很大刹车效率损失［6］。为解决上述问题，在PD+PBM算法基础上，设计了平衡补偿调节单元。首先，令T为左右两轮转速差的门限设定值，定义函数：设Vl、Vr为左轮与右轮的轮速ul、ur分别为两轮的当前防滑输出信号St、Sr为补偿之后的防滑刹车输出信号。则双通道平衡刹车控制律为：式(8)中,C(|Vl-Vr|)为补偿调节函数，其输入变量为轮间速度差的绝对值，输出为刹车信号补偿值。飞机刹车过程中，路面状况极其复杂，要求平衡调节单元响应迅速，及时进行防滑电流补偿。本单元采用PID控制规律进行调节，表达式为：则加入平衡调节补偿单元的双通道刹车系统控制结构如图5所示。图5双通道刹车系统控制结构图3半实物仿真验证3.1半实物仿真系统结构半实物仿真又称〃硬件在回路中”的仿真，在条件允许的情况下应尽可能在仿真系统中接入实物,以取代相应部分的数学模型。正因为实物的接入，半实物仿真提高了仿真的逼真程度。鉴于受条件和实现手段的限制，飞机的机体模型、起落架模型、机轮模型、路面模型和制动模型等采用物理实现比较困难,均在仿真计算机中建立数学模型;刹车控制单元则用实物引入仿真回路,与所建模型组成完整的飞机刹车半实物仿真系统。飞机刹车半实物仿真结构如图6所示。整个系统由两部分组成，分别为实时仿真计算机和防滑刹车控制器。本系统中，采用USB数据采集卡连接物理实物和飞机模型仿真计算机，将模型输出的信号输入实物系统，同时将实物系统的输出信号反馈给计算机模型进行仿真计算。刹车控制器采用TI公司的DSP-SM320LF2407A作为核心控制芯片从CAP口捕获模型输出的轮速值,由A/D口获得指令信号，由GPIO口获得开关信号和同步控制信号,并通过改变输出的PWM波占空比来控制伺服阀电流信号，输入到计算模型，依次循环，构成了闭环仿真系统。图6刹车系统半实物仿真结构图3.2仿真结果及分析半实物仿真系统中,飞机模型的主要参数参照我国某型飞机设置:飞机着陆重量为23200kg,起始速度为72m/s,防滑失效速度为8m/s,最大刹车压力为10MPa,主轮初始半径为0.44m,转动惯量为3.77kg・m2,刹车控制器的控制周期为0.01s。为验证文中提出算法的有效性,半实物仿真中采用恶劣的跑道状况，即:在干跑道上（最大结合系数0.75）设置两次单侧冰雪段（最大结合系数0.2）。第一次设置在跑道左侧200m处，长度为76m;第二次设置在跑道右侧600m处，长度为50m。在DSP防滑刹车控制器中，刹车控制算法的实现采用C语言，则双通道刹车系统半实物仿真结果见图7~图9。图7传统轮间保护方式仿真结果如图7(a)(b)(c)所示,当飞机第一次左轮遇到冰雪路段时，左轮转速降低产生了较大的主轮速度差。传统的轮间保护方法，采用完全释放左轮刹车压力方式，虽然使得左轮转速上升，但由于刹车压力完全释放，其转速很快超过了右轮;而在右轮释放压力的过程中，左轮进行正常刹车控制,其转速又小于了右轮，出现了一定轮速差，图7(c)中最大为45rad/s;当飞机第二次遇到单侧冰雪段时，轮速差最大为20rad/s。而图8(c)表明，在第一次冰雪与干路面复合段，轮速差被控制到20rad/s内，第二次被控制到10rad/s内，比传统方法降低了50%,因此，增强了飞机抑制侧滑的能力。通过比较图7(c)与图8(c),可以得出改进的平衡补偿调节使得刹车轮速差曲线震荡幅度减小，增强了刹车的平稳性。此外，与滑移率曲线图7(d)相比，图8(d)并没有出现滑移率过大现象，防止了机轮深度打滑。图8平衡补偿调节方式仿真结果两种方法的刹车距离比较曲线如图9所示。传统刹车方法的刹车距离为875.1m,在采用改进的平衡刹车方法后，飞机刹车距离为828.3m,比传统方法缩短了46.8m,提高了飞机在非对称结合系数跑道上的刹车效率。图9刹车距离4小结半实物仿真结果表明,双通道平衡补偿调节方案达到了预期的要求,有效地抑制了飞机刹车过程中的轮间速度差，防止了机体侧滑，并缩短了飞机在恶劣跑道上的刹车距离。此外，该半实物仿真系统可以实现对刹车控制器的各种性能测试,将大大节约研制费用，缩短研制周期。参考文献：【相关文献】韩永红，马晓平.模糊PID在飞机刹车上的应用[J].航空计算技术,2007,37(5):103-105.姜伟，谢利理,雒雪芳.基于双通道调节的飞机刹车系统仿真[J].航空精密制造技术,2006,42(2):22-26.余驰,贾玉红.飞机防滑刹车系统的MATLAB/SINMULINK建模与仿真[J].系统仿真学报,2007,19(5):1144-1147.潘海挺，郝利辉,李玉忍.一种混合控制算法在飞机滑刹车系统中的应用研究[J].计算机测量与控制2005,13(6):538-541.LiBo,JiaoZongxia