CN101604489B - 惯量的动态模拟新原理 - Google Patents

Abstract

本发明属于机电系统控制技术，涉及对传统飞机刹车实验惯量模拟系统的改进。该系统包括惯量盘、电动机、变频器、力矩传感器和旋转编码器等。传统的飞机刹车实验惯量模拟系统采用固定质量的机械惯量盘的转动惯量模拟飞机的平动惯量，这种系统体积大、惯量调整困难，只能对特定质量飞机的刹车系统进行实验。针对这些问题，提出了飞机刹车实验电惯量模拟方法。该方法能够实现机械惯量的电模拟，实验系统的整体惯量可以平滑调节，因此能够测试不同质量飞机的刹车系统。采用该方法还能够对飞机刹车过程中的发动机残余推力、气动阻力和前轮摩擦进行补偿。该研究成果为飞机的刹车实验中的惯量模拟提供了有效的手段，节约了大量资金，具有独创性和显著的经济效益。

Description

惯量的动态模拟新原理

技术领域

本发明属于机电系统控制技术，涉及对传统飞机刹车实验惯量模拟系统的改进。

背景技术

飞机刹车系统作为重要的机载设备，对飞机的起飞、着陆安全性有着重要的影响。其性能品质的检验是保障飞机安全的重要措施。通常飞机刹车实验台采用大直径惯量盘模拟飞机跑道，将飞机的平动转化为惯量盘的转动，来模拟飞机刹车过程中机轮的实际工作状况，测试在给定的轮胎载荷、速度、刹车压力等参数下飞机轮胎及刹车装置的各项参数，从而检验被实验机轮的各项指标。

由于飞机刹车实验台的惯量盘质量是固定的，因而传统的实验方法只是针对特定飞机的质量有效，当被实验的飞机的型号发生改变时惯量盘的惯量也很难做到及时调整；而且也不能对飞机发动机残余推力、气动阻力和前轮摩擦进行补偿。

针对上述存在的问题研究了飞机刹车实验台的电惯量模拟技术。电惯量模拟技术最早应用于汽车领域。实验系统按照一定的控制算法控制电动机的输出力矩来模拟机械惯量，即用“电惯量”代替“机械惯量”，这样系统的惯量就能够连续调整了。

发明内容

本发明的目的是：提供一种机械惯量的电模拟方法，实现飞机刹车实验中惯量的动态模拟。

本发明的技术方案是：惯量模拟系统包括惯量盘、电动机、变频器、力矩传感器和旋转编码器。其中惯量盘用于模拟飞机跑道和飞机部分惯量。在飞机刹车实验过程中，电动机可以对惯量盘施加正、反两个方向的力矩，以调节惯量盘的动态特性，实现机械惯量的电模拟，实验系统的整体惯量可以平滑调节，因此能够测试不同质量飞机的刹车系统。采用该方法还能够对飞机刹车过程中的发动机残余推力、气动阻力和前轮摩擦进行补偿。

本发明的优点是：与传统飞机刹车实验惯量模拟系统相比，能够在实验过程中实现刹车实验系统整体惯量的动态调节，以适用不同质量飞机刹车系统的测试。采用该方法还能够对飞机刹车过程中的发动机残余推力、气动阻力和前轮摩擦进行补偿。该研究成果为飞机的刹车实验中的惯量模拟提供了有效的手段，节约了大量资金，具有独创性和显著的经济效益。

附图说明

图1是惯量模拟系统的结构原理图。

图2是电惯量模拟实验台。

图3是飞机刹车实验系统控制框图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

本惯量模拟系统主要包括：惯量盘、电动机、变频器、力矩传感器和旋转编码器。

如图1、图2所示，惯量盘为铁质实心圆柱体，用来模拟飞机跑道和飞机部分惯量。电动机采用变频调速电机，可以对惯量盘施加正、反两个方向的力矩，实现飞机部分惯量的模拟和发动机残余推力、气动阻力、前轮摩擦力等的补偿，力矩的参考值由仿真控制计算机给出。力矩传感器测得电动机输出力矩形成力矩闭环控制。旋转编码器通过计数测得惯量盘的转速形成惯量盘的速度控制。

传统的飞机刹车实验系统，只能对特定质量的飞机进行刹车研究。当飞机的质量改变时，依靠增加或者减少惯量盘配重来调节惯量盘的惯量，这种方式的缺点是整个惯量盘很难做到动平衡，惯量盘的惯量不能无级调整，也不能补偿刹车过程中飞机的风阻和发动机残余推力对飞机的刹车造成的影响。

惯量模拟的等效原理是实验过程中，惯量盘的动态特性要与实际飞机着陆刹车时的动态特性保持一致，即实验过程中惯量盘的圆周线加速度要与飞机重心处的纵向加速度在任意一个时刻保持相等。

图3为飞机刹车实验系统控制框图。该系统主要包括惯量模拟系统、载荷压下和机轮刹车系统、虚拟计算系统。其中的惯量模拟系统为本文的研究重点，该系统采用惯量盘角加速度反馈，进行机械惯量的电模拟。

以下求取电动机输出力矩参考值T_M ^*。

设t时刻飞机重心在地面坐标系x_g轴的加速度分量为a_A，惯量盘的圆周线加速度为a_P，则惯量模拟的等价条件为

a_P＝a_A                                                       (1)

而

a_P＝ε_PR_P                                             (2)

式中，ε_P为惯量盘的角加速度。

由(1)、(2)得

a_A＝ε_PR_P                                             (3)

将 $a_A=\frac{F_{x_g}}{m_A},$ ${\mathrm{\ϵ}}_P=\frac{T_M^{*}-({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{tl}}{F}_{\mathrm{nl}}+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{tr}}{F}_{\mathrm{nr}})R_P}{J_P},$ $J_P=\frac{1}{2}{m}_P{R}_P^2$ 代入式(3)得

$T_M^{*}=\frac{F_{x_g}{m}_P{R}_P}{{2m}_A}+({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{tl}}{F}_{\mathrm{nl}}+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{tr}}{F}_{\mathrm{nr}})R_P---\left(4\right)$

其中m_P为惯量盘的质量，为飞机沿地面坐标系x_g轴方向的合力。

$F_{x_g}=-{\mathrm{\μ}}_n{F}_{\mathrm{nn}}-({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{tl}}{F}_{\mathrm{nl}}+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{tr}}{F}_{\mathrm{nr}})+(D+T)\cos \mathrm{\θ}+L\sin \mathrm{\θ}---\left(5\right)$

μ_n为前轮摩擦系数，F_nn为飞机前轮与地面的正压力，D为空气阻力，T为发动机残余推力，L为升力，θ为俯仰角。

因此

$T_M^{*}=({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{tl}}{F}_{\mathrm{nl}}+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{tr}}{F}_{\mathrm{nr}})R_P+\frac{[-{\mathrm{\μ}}_n{F}_{\mathrm{nn}}-({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{tl}}{F}_{\mathrm{nl}}+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{tr}}{F}_{\mathrm{nr}})+(D+T)\cos \mathrm{\θ}+L\sin \mathrm{\θ}]m_P{R}_P}{{2m}_A}---\left(6\right)$

令飞机的质量 $m_A=\frac{m_P}{2}+\mathrm{\Δm},$ 则

m_P＝2(m_A-Δm)                                         (7)

代入式(6)得

$T_M^{*}=T_J^{*}+T_C^{*}---\left(8\right)$

其中

$T_J^{*}=-{\mathrm{\ϵ}}_P\mathrm{\Δm}{R}_P^2---\left(9\right)$

$T_C^{*}=[-{\mathrm{\μ}}_n{F}_{\mathrm{nn}}+(D+T)\cos \mathrm{\θ}+L\sin \mathrm{\θ}]R_P---\left(10\right)$

式中，T_J ^*为电动机实现机械惯量电模拟时施加于惯量盘的力矩；T_C ^*为电动机实现对发动机残余推力、气动阻力和前轮摩擦补偿时施加于惯量盘的力矩。

因此电惯量参考值

$J_E^{*}=\frac{-T_J^{*}}{{\mathrm{\ϵ}}_P}=\mathrm{\Δm}{R}_P^2---\left(11\right)$

实验系统总的转动惯量

$J_{\mathrm{total}}=J_P+J_E^{*}$

$=\frac{1}{2}{m}_P{R}_P^2+\mathrm{\Δm}{R}_P^2---\left(12\right)$

$=\frac{1}{2}(m_P+2\mathrm{\Δm})R_P^2$

$=m_A{R}_P^2$

电动机力矩控制分为两部分T_J ^*和T_C ^*。电惯量的模拟和其它力的补偿由电动机输出给惯量盘的力矩完成，力矩参考值按照式(8)计算。电惯量的模拟最终转化为电动机输出力矩控制问题。

Claims (1)

1.一种惯量动态模拟系统，其特征在于：惯量动态模拟系统包括惯量盘、电动机、变频器、力矩传感器和旋转编码器;在飞机刹车实验过程中，惯量盘为铁质实心圆柱体，用于模拟飞机跑道和飞机部分惯量；电动机采用变频调速电机，可以对惯量盘施加正、反两个方向的力矩，以调节惯量盘的动态特性，实现机械惯量的电模拟，对飞机刹车过程中的发动机残余推力、气动阻力和前轮摩擦力进行补偿；力矩传感器测得电动机输出力矩形成力矩闭环控制；旋转编码器通过计数测得惯量盘的转速形成惯量盘的速度控制。

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