CN101331041A - 在飞机的至少一组制动器内分配制动力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于管理装备有多个包括摩擦元件的制动器的飞机的制动的方法，该方法包括对至少一个制动器组(12、13)采取下列步骤：估算将由该组的制动器耗散的能量水平(ΔE)；以及为该组的每个制动器估算各自的制动设定值(F_i)，以使各个制动设定值能至少在制动器的正常工作条件下实现耗散所述能量水平的制动作用，以及还将各个制动设定值确定为满足至少一个另外的给定的工作目标。

Description

在飞机的至少一组制动器内分配制动力的方法

技术领域

本发明涉及在飞机的至少一组制动器内分配制动力的方法。

背景技术

为了达到给定的减速度量，一定尺度的飞机一般都装备一台制动计算机，该计算机可响应飞机驾驶员踩踏制动器踏板的动作或响应飞机驾驶员设定的一个确定的减速度水平(“自动制动”功能)而产生一个制动力目标。在实际应用中，这一制动力目标是这样来实现，就是把各个制动设定值发送给与各制动器关联的各动力驱动器构件，各设定值对所有制动器是相同的，并且使各制动器响应设定值而发出的制动力之和达到所述制动力目标。这个总的制动力由制动计算机在一段足够长的时间内进行施加，使各个制动器以摩擦形式耗散为达到所要求的飞机减速度需要消耗的能量。

在飞机地面滑行时，亦即在飞机以低速在机场上运动时，现在已知有多种分配制动力的方法，在这些方法中，只用各制动器中的一部分制动器施加制动。随后，在下次施加制动时，制动作用由其余的那部分制动器执行。那样的方法的目的是降低制动器摩擦元件的总的磨损。

然而，那种形式的制动力分配有一些缺点。把各制动器分成两个互为余数的部分是先验地确定的，并且通常，每个部分包括选择的一半制动器，其选择方式是要使在每个起作用的制动器上产生相同的制动力从而产生对称的制动作用。这样，虽然各制动器承受的总的磨损较小，但是这可能导致各制动器之一的摩擦元件比相邻制动器的摩擦元件变热得更快，以致达到摩擦元件的磨损将会加速的温度范围。

防滑保护方案也是已知的，其作法是如果一个飞机轮子开始打滑就瞬间地降低一制动器的制动力。这样的修正被施加于一个或另一个飞机轮子，而不是实行任何总的分配策略。这样，总的制动力可能会瞬间地跌落到制动目标以下。

专利文件GB1585321揭示了一种使两个制动器耗散的能量之间达到平衡的方法，其作法是，把每个制动器产生的力矩乘以飞机轮子转动准数来计算出每个制动器的能量耗散速率，然后将耗散速率进行积分。那种方法不过是根据由两个制动器中的每一个已经耗散的能量的量后验地在两个制动器之间分配制动力。

发明内容

本发明的目的

本发明的目的是提供一种能够优化地利用各制动器的分配方法。

本发明的概述

为此目的，本发明提供一种用于管理装有多个包括摩擦元件的制动器的飞机的制动的方法，该方法包括用于至少一个制动器组的下列步骤：

·估算将由该组的制动器耗散的能量水平；以及

·为该组的每个制动器估算各自的制动设定值，以使所述各个制动设定值能至少在制动器的正常工作条件下实现耗散所述能量水平的制动作用，以及还将所述各个制动设定值确定为满足至少一个另外的给定的工作目标。

这样，通过在进行制动之前预先规定将由该组制动器耗散的能量水平，可以满足与将被耗散的能量水平有关的某些其它工作准则，同时仍能耗散要求该制动器组耗散的能量水平。

例如，如果该制动器组里的一个制动器变得太热，那就可以增大由该制动器组中的其它制动器发出的制动力，以便卸掉太热的那个制动器的负荷。

在一组制动器里的各制动器之间的这种制动力的分配不是先验地设定的，而是可在每次施加制动器时改变的，以便满足一直遵守的工作准则。因此，与已知的分配方式不同，其不能预先确定将怎样分配制动力。

优选的是，另外的工作目标包括保护在该组制动器进行制动的过程中飞机的承受应力的部件。

那么，为了保护承受应力的部件，例如为了延长它们的寿命，以这样的方式分配制动力是恰当的。

在本发明的各种特定实施例中，另外的工作目标包括：

·使该组制动器的摩擦元件的磨损为最小；或

·使与该组制动器相关的轮胎的磨损为最小。

对于装备有采用机电制动执行器的机电制动器的飞机，另外的工作目标可包括：

·使该组中的制动器被致动次数为最少；或

·使由各执行器施加的力的幅度为最小。

附图说明

为使本发明能被更好地理解，下面参照附图予以说明，各附图中：

图1是一架飞机的示意图，该飞机有四个主起落架，每个起落架有几个装有制动器的轮子；

图2是在本发明的一个特定实施例中图1的飞机的一种地面引导架构的框图；

图3是表示图2的详情的一个图，其表示出怎样对制动作用进行控制；以及

图4是一个制动器组内的制动力分配的框图，其适配于图3所示的控制。

具体实施方式

现在借助图1所示的那种飞机来图解说明本发明，这种飞机有两个翼下主起落架1G和1D、两个机身主起落架2G和2D、以及一个带有可转向轮子的前起落架3。每个主起落架1G、1D、2G、2D有四个轮子，每个轮子装备有各自的制动器。这个飞机还装备有几个发动机4和一个方向舵5。

本发明可应用于图2所示的飞机的地面引导架构，其包括一个飞机引导模块10。飞机引导模块10可接收一个路径设定值(在适当的情况下，其可以是直线的)作为输入，并且它可控制对飞机在地面上遵循这一路径有影响的所有机上部件，即发动机4、前起落架3的轮子转向机构、方向舵5、以及当然还有各主起落架的制动器。

引导模块10可发出对发动机4、方向舵5的指令、以及用于控制前起落架3的轮子的转向机构的指令，以及通过取用所述路径设定值和上述部件响应所述指令作出的动作的预期效果之间的差值，推导出应由各制动器达到的一个制动目标F和一个转向力矩目标C。

路径设定值可有各种形式：

·在纯制动方式中，例如在飞机着陆时，路径设定值包括给飞机引导模块10规定至少一个给定的减速度速率和一个零转弯速率；以及

·在地面滑行方式中，例如飞机在跑道和航站楼之间滑行，路径设定值包括给飞机引导模块10规定至少一个转弯速率，这个转弯速率总是跟随一个确定的路径变化的。

从路径设定值确定的制动目标F其自身体现为一个设定值，也就是，为了使飞机以给定的运动(位置、速度、加速度)遵循一个给定的路径，制动器产生的制动力应该怎样随着时间改变。在实际应用中，制动力目标可体现为把一个或多个制动器施加到确定的持续时间和强度。可把各制动器的每一施加与应由飞机的所有制动器耗散的全部能量关联起来，而全部能量可通过将制动力目标对时间积分来得到。

类似地，转向力矩目标C也可体现为一个设定值，也就是，对于飞机以给定的运动(位置、速度、加速度)遵循确定的路径需要各制动器产生的转向力矩随着时间的改变。例如为了在转弯的同时对飞机施加制动，转向力矩可能是必要的。

各制动器可由制动控制模块11来控制，该模块接收来自引导模块10的将由各制动器实行的制动力目标F和转向力矩目标C。

从制动力目标F和转向力矩目标C出发，制动控制模块11产生两个制动水平Fg和Fd，其分别指定为：

·用于左制动器组12，这一组制动器包括左翼下主起落架1G和左机身主起落架2G所装有的各制动器；以及

·用于右制动器组13，这一组制动器包括右翼下主起落架1D和右机身主起落架2D所装有的各制动器。

图1中的虚线表示左制动器组12和右制动器组13是怎样组成的。可以看出，左制动器组12和右制动器组13是对称的。

按照本发明，制动水平Fg和Fd是确定为让它们之和等于制动力目标F，以及让它们的对飞机的转向作用等于转向力矩目标C。

在实际应用中，在这样的配置中，可以用两组制动器中的一组产生的制动力和另一组产生的制动力之差来规定转向力矩目标C。

然而，为了满足制动力目标F和转向力矩目标C，应假定各制动器有足以同时地满足这两个目标的能力，在各制动器工作正常的情况下，确实如此。

然而，在某些情况下(跑道湿滑，制动器有故障)，可能出现一个或多个制动器仅产生一个有限的制动力的现象，这可能妨碍制动力目标F或转向力矩目标C的达到。在这样的情况下，由该组制动器发出一个饱和信号给制动控制模块11，制动控制模块11考虑这个饱和信号，以便产生尽可能接近所要求的制动力目标F和转向力矩目标C的制动水平Fg和Fd，假设制动能力可以实现的话。

在一个特定实施例中，制动控制模块11是编程为可分级地编制这两个目标，例如，它可以相对于达到转向力矩目标C，把优先权给予达到制动力目标F。在这样的情况中，制动控制模块11可产生适于满足制动力目标F但对转向力矩也有作用的制动水平Fg、Fd，而这种作用仅仅是假设各制动器的能力可以达到的话就尽可能接近转向力矩目标C。更一般地说，可在考虑一个或多个制动器的任何局限性的同时，试图让制动水平Fg、Fd使两个目标F和C的同时满足程度为最大。

在一个变化的方案中，可以给飞机驾驶员一个选项，让他可把更大的权重给予两个目标F和C中的一个或另一个。

在按照以这种方式确定的制动水平Fg、Fd施加制动的过程中，左制动器组12和右制动器组13都在飞机遵循的用粗体箭头表示的路径上机械地起作用，发动机4、前起落架3的可转向的轮子、以及方向舵5也如此，所有这些部件的作用都对飞机遵循路径有影响。

代表这一路径的各个量诸如速度、纵向加速度、或角加速度的测量值都被输给引导模块10，以便形成一个闭环反馈。

下面参照图3更详细地说明制动控制模块11。

制动控制模块11有一个逻辑单元15，其编程为可响应所要求的制动力目标F和转向力矩目标C，而产生一个名义的力设定值Fnom和一个左/右分配设定值Δ，用这个设定值Δ，第一调制器20产生用于左制动器组12的制动水平Fg，以及第二调制器21产生用于右制动器组13的制动水平Fd。在实际应用中，制动水平Fg可通过求出乘积Δ×Fnom来得到，以及制动水平Fd可通过求出乘积(1-Δ)×Fnom来得到。逻辑单元15是编程为在两个制动器组中的一个或另一个饱和时，它就调制名义的力设定值Fnom和分配设定值Δ而使之尽可能接近制动力目标F和转向力矩目标C，假设制动能力可以实现的话。

这样，各制动器可通过按照本发明进行的分配把制动力和转向力矩施加于飞机。应该注意到，以这种方式进行的分配不是一成不变的而是随时间变化的。

知道了一个制动器组的制动水平，就可以通过将其制动水平对时间进行积分来估算由那组制动器耗散的能量。

可将本发明的把制动器分组的原理延伸到更高的程度，就是把每个制动器组里的那些制动器进一步分成几个小组。例如，如图4中所示，可将左制动器组12再分成一个第一小组16和一个第二小组17，前者包括安装在左翼下主起落架1G上的各制动器，而后者包括安装在左机身主起落架2G上的各制动器。

还可用一个分配控制模块18把制动水平Fg进一步分成两个次级制动水平Fv和Ff，它们分别对应于第一制动器小组16和第二制动器小组17，这个控制模块可产生一个分配系数β，其可用于得到以下乘积：

Fv＝(1+β)×Fg

以及

Ff＝(1-β)×Fg

通过构造，可使两个次级制动水平Fv和Ff之和等于制动水平Fg。分配控制模块18可考虑分别来自第一制动器小组16和第二制动器小组17的饱和信号而计算出分配系数β。这样，如果这两个小组之一的制动器饱和了，就可把制动力转移到另一个小组的各制动器上。如果这一转移不足以达到左制动设定值Fg，分配控制模块18就产生左制动器组12的一个饱和信号。

为了达到为两个制动器组(或两个制动器小组)之一预定的制动水平，可以让那个组的所有制动器产生各自的制动力，并使由各个制动器分别产生的各个制动力的合力达到所要求的制动水平。

在一个第一步骤中，应确保这一组的所有制动器各自产生的制动力相同。这是最简单的步骤。

在一个特别有利的第二步骤中，应将各个制动力确定为能满足一个给定的工作准则，同时符合一个所要求的制动水平，当然，同时还应考虑可用的制动能力。

在一个第一实施例，保持的工作准则是尽可能降低这一制动器组中的各制动器的摩擦元件的磨损。众所周知，碳摩擦元件的磨损速率是取决于摩擦元件的温度。假设ΔT_k是制动器k在即将进行的制动过程中的温升，那么制动器k的磨损可由下式给出：

$U_k={\∫}_{T_k}^{T_k+\mathrm{\Δ}{T}_k}\mathrm{\τ}\left(T\right)\mathrm{dT}$

其中τ是磨损速率，其特别取决于温度。

为了计算制动器k的温升ΔT_k，可以利用一制动器的热模型，该模型将温升ΔT_k作为由该制动器耗散的能量ΔE_k的函数来计算。可以忽略制动器的自然冷却(对于制动持续时间短以及制动器温度低的情况，这是可行的)，可以用下列数学模型把制动器k的温升ΔT_k与在即将进行的制动过程中由该制动器耗散的能量ΔE_k关联起来；

${\mathrm{\ΔE}}_k={\∫}_{T_k}^{T_k+{\mathrm{\ΔT}}_k}{M}_k{C}_p{\mathrm{dT}}_k$

其中M_k是制动器k的各摩擦元件的质量，假定其在制动过程中是不变的，以及C_p是构成制动器k的各摩擦元件的材料的热容量。

由这一组制动器耗散的总能量ΔE当然等于由其中每个制动器耗散的能量之和。如同上述，由这些制动器耗散的总能量可通过把这一组的制动力目标对时间进行积分来给出。

这样，磨损最小化就变成为这一组里的每个制动器找到可使下列的量为最小的被耗散能量ΔE_k的量：

$\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{U}_k$

并且是在下列约束之下：

$\mathrm{\ΔE}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔE}}_k$

从应由这一组中的每个制动器耗散的能量ΔE_k的量出发，可为应由每个制动器产生的制动力F_i推导出各个设定值。

可以用任何已知的优化方法进行磨损最小化。在本发明的一个优选实施例中，可保持能量在一组制动器中的各个制动器之间的一定数目次的任意分配。在实际应用中，每一次分配都是由一系列系数来表达(一组制动器里有几个制动器，就有几个系数)，而且每一系列中的各系数之和等于1。例如，如果一个制动器组里有两个制动器，那么可考虑下列各分配方式：

R¹＝{1；0}，R²＝{0.7；0.3}，R³＝{0.5；0.5}

R⁴＝{0.3；0.7}，以及R⁵＝{0：1}

最小化的关键在于针对每个制动器为每个任意的分配Rⁱ计算出对应的能量ΔE_k ⁱ，以及然后计算每个制动器因耗散对应的能量而产生的磨损U_k ⁱ。总磨损

$U^i=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{U}_k^i($

是以这种方式计算出来的各个磨损量之和。于是，能够给出最小总磨损Uⁱ的任意分配Rⁱ可被保持。

这样，可把上述磨损最小化应用于给定的一组制动器里的所有制动器。可以将这一工作准则应用于每一组制动器，以便一组接着一组地使摩擦元件的磨损为最小。然而，如所周知，一组接着一组地使磨损为最小这种作法可能导致这样的结果，就是从飞机的全部制动器来看，其不是最佳的。

按照本发明，把磨损最小化工作准则普遍化才是有利的，以便同时地应用于飞机的全部制动器，同时对于每一组制动器仍然符合所要求的制动力水平。因此，为分配于全部制动器进行了探索，力求使总的磨损为最小，同时确保每一组符合所要求的制动力水平。

同样有利的是，按照本发明，不仅可把磨损最小化工作准则普遍化于用于一个给定的制动器施加的全部制动器，而且可普遍化于预料沿着这一路径将进行的全部制动器施加。为了做到这一点，恰当的作法是，预先确定预期的制动操作，进而确定将由每一组制动器耗散的能量，这需要知道飞机在机场可能遵循的整个路径。

这个知识可通过把在机场的(各)可能路径储存在存储器里来得到，或通过对这样的和这样的机场的典型路径进行的统计研究来得到，规定各制动器施加的平均数和各制动器施加的平均强度。

在整个预期的路径上，可确定飞机沿着所述路径的运动(位置、速度、加速度)，并从其推导出制动力目标和转向力矩目标以及将由各制动器耗散的能量。

本发明不限于以上的描述，而是涵盖属于权利要求书所定义的范围内的任何变化。

具体地说，本发明的制动力分配仍可与为每个被制动的轮子实行防滑保护相容。

虽然阐述了确立制动力目标F和转向力矩目标C，但是本发明也包括只确立这两个目标之一的情况，例如只确立制动力目标F。在这样的情况中，只要把转向力矩目标C任意地设定为零就可以了。

虽然阐述了遵守施加的制动作用可使磨损元件的磨损为最小的工作准则，但是也可以用其它的工作准则。例如，可以进行一种分配探索，以求尽可能平缓地施加制动力，从而改善乘客的舒适性，或保护直接承受制动力的飞机部件(起落架、起落架到机身的连接件、相关的轮胎、等等)，而将这种探索选择为工作准则。对于各制动器，也可以尽量减少致动制动器的次数以延长制动器的寿命，或尽量减小施加的制动力的幅度。

最后，虽然各制动器被描述为分成一个左制动器组和一个右制动器组，但是这种分配方法不是限制性的，而是可以以其它的方式对制动器进行分配，例如：

·一个左制动器组包括左翼下各起落架制动器；

·一个右制动器组包括右翼下各起落架制动器；以及

·一个中央制动器组包括机身下各起落架制动器。

各组里的制动器的分配不必是一旦确定就一成不变的，而是可以在本发明的范围改变的。

当然，本发明不是仅仅适用于本文中表示的包括两个翼下主起落架和两个机身主起落架的特定配置，而是可应用于装有制动器的多个起落架的任何配置。

不管制动器是液压操动的，还是机电操动的，或者用任何其它技术操动的，本发明当然也同等地适用。

Claims (4)

1.一种用于管理装有多个包括摩擦元件的制动器的飞机的制动的方法，该方法包括用于至少一个制动器组(12、13)的下列步骤：

·估算将由所述制动器组的制动器耗散的能量水平(ΔE)；以及

·为所述制动器组的每个制动器估算各自的制动设定值(F_i)，以使所述各个制动设定值能至少在制动器的正常工作条件下实现耗散所述能量水平的制动作用，以及还将所述各个制动设定值确定为满足至少一个另外的给定的工作目标。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述另外的工作目标包括保护在所述制动器组的制动器施加制动的过程中所述飞机的承受应力的部件。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述另外的工作目标包括使所述制动器组的制动器的摩擦元件的磨损(U)为最小。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，应用于装备有采用机电制动执行器的机电制动器的飞机，其中所述另外的工作目标包括使所述制动器组中的制动器被致动次数为最少。

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