CN102991488B - 具有自适应能力的刹车系统恒力矩控制方法 - Google Patents

Abstract

一种具有自适应能力的刹车系统恒力矩控制方法，通过通过在防滑控制律基础上增加具有自适应能力的恒力矩控制律，实现碳刹车系统对炭刹车盘处于湿态或地面低结合系数时的判别，增大了刹车压力调节范围，实现了变压力恒力矩刹车控制。具有自适应能力的恒力矩控制律以减速率作为刹车系统工作状态的判据，能够满足刹车系统在各种工作状态下使用要求，增强了刹车系统对跑道和炭刹车盘湿态的适应性，比原控制律具有更好的刹车性能，能够保证刹车过程中机轮刹车力矩不超过起落架限制力矩，提高了飞机着陆的安全性，延长了炭刹车盘的使用寿命。

Description

具有自适应能力的刹车系统恒力矩控制方法

技术领域

本发明涉及一种飞机刹车系统，具体是一种具有自适应能力的刹车系统恒力矩控制方法。

背景技术

要使飞机安全着陆，避免深打滑（爆胎）现象出现，必须根据地面结合力矩设计飞机轮的刹车力矩，使地面结合系数充分利用，即每次刹车-松刹-刹车循环过程中，地面结合系数趋近于最大值。

常规飞机刹车系统采用恒定的液压控制，在额定的刹车压力下进行防滑控制。刹车瞬间刹车力矩大于地面结合力矩，机轮深打滑（爆胎）出现，飞机刹车系统使机轮刹车压力快速释放，解除飞机的深打滑状态，保证飞机起飞或着陆安全。当刹车压力恒定时刹车系统只能通过控制机轮打滑程度调解刹车压力。

当刹车盘摩擦系数变小、机轮轮胎与地面结合系数较大时，刹车系统的最大刹车压力不能满足飞机对刹车的要求；当刹车盘摩擦系数较大、机轮轮胎与地面结合系数较小时，刹车系统的最大刹车压力远大于此时机轮对刹车压力的需求。上述两种状态下，恒定液压控制的常规飞机防滑刹车系统都会出现飞机刹车效率低、刹车距离长的问题。飞机轮胎异常磨损、爆胎、冲出跑道问题在特殊情况下会时有发生。

1993年4月《航空学报》“飞机电子防滑刹车系统模拟仿真”中介绍了一种飞机刹车系统的控制方法，该控制方法采用定压力控制，控制率参照国外波音系列飞机刹车系统控制率，综合了“马克系列”和“奥斯卡系列”控制器优点，通过建立飞机运动方程、起落架运动方程、机轮运动方程、刹车装置运动方程、地面磨擦特性仿真模型，提出电子控制盒控制率、电液伺服阀、液压关路及刹车装置进行全数字仿真和半物理仿真，包括电子控制盒控制率、电液伺服阀、液压关路及刹车装置采用实物。以传递函数形式提出电子控制盒控制率，控制率对防滑电压中的Vp、Vd、Vi和输出阀门控制电压VF进行详细规定，

在额定的刹车压力下进行防滑控制。采用的防滑控制律如下:

阀门控制电压VF=Vs+700              (1)

其中防滑电压Vs=Vp+Vd+Vi            (2)

Vp：比例输出Vd：微分输出Vi：积分输出

700：静态值，对应伺服阀死区电流。

该方法实现了恒力矩刹车，但依然存在当炭刹车盘湿态时或机轮轮胎与地面结合系数大时，定压力控制方法不能满足刹车系统要求的不足。

经检索“国期刊全文数据库”论文数据库有《跑道辨识算法在飞机防滑刹车中的应用研究》、《飞机防滑刹车系统的建模与仿真研究》、《飞机防滑刹车系统模糊PID控制器的设计》等文章中出现于防滑控制方法的模糊控制等概念。

中发明内容

为克服现有技术中存在的炭刹车盘湿态时或机轮轮胎与地面结合系数大时，定压力控制方法不能满足刹车系统要求的不足，本发明提出了一种具有自适应能力的刹车系统恒力矩控制方法。

本发明的具体过程是：

步骤一，确定机轮速度差ΔVw

机轮速度差ΔVw是通过当前采样周期的机轮速度Vw₁减去前一周期的机轮速度Vw₀得到，通过公式(3)得到。

ΔVw=Vw₁Vw₀                (3)

公式（3）中，Vw₁当前采样周期的机轮速度；Vw₀是前一周期的机轮速度值。本实施例中Vw₁为实时采集并存储数据，Vw₀取前一周期所存数据，ΔVw通过公式(3)实时计算得到。

步骤二，确定机轮减速率a_v

根据得到的机轮速度差ΔVw，通过公式（4）确定机轮减速率a_v。机轮减速率a_v=机轮速度差除以速度采样周期。

a_v=ΔVw/T              (4)

公式（4）中，ΔVw是机轮速度差；T是以时间为单位的速度采样周期。本实施例中ΔVw为步骤一计算所得，T取值为1s。

步骤三，确定自适应刹车因子V_T

根据机轮减速率a_v与减速率给定门限值av₀、起落架限制力矩对应的减速率av₁三者之间的相互比较，以确定自适应刹车因子V_T。通过公式(5)、公式(6)、公式(7)确定。

若a_v＜a_v0，V_T=（1+K）V_B      (5)

若a_v0≤a_v＜a_v1，V_T=V_B        (6)

若a_v=a_v1，V_T=（1-0.5K）V_B    (7)

公式（5）、公式（6）和公式(7)中:

V_B是额定刹车电压，由飞机驾驶员操纵刹车指令传感器施加给防滑控制盒。本实施例中额定刹车电压V_B的范围为1.2V～4.2V。当飞机驾驶员施加最大刹车指令时，V_B=4.2V。

K是力矩补偿系数，用于调节刹车压力，取值范围为（0～1）。本实施例中力矩补偿系数K根据刹车压力取0.6，刹车压力≤10MPa。

a_v0是减速率给定门限值，按照常规方法根据惯性试验台记录的干态机轮力矩特性曲线确定。

a_v1为起落架限制力矩对应减速率，按照常规方法根据惯性试验台记录的机轮力矩特性曲线中在刹车力矩接近起落架限制力矩时的局部曲线。

当机轮减速率a_v小于减速率给定门限值a_v0时，说明刹车系统处于非正常工作状态，需要增加刹车压力，故采用公式(5)计算刹车因子V_T，对飞机驾驶员施加的刹车指令进行补偿，实现变压力恒力矩控制。

当机轮减速率a_v大于等于减速率给定门限值a_v0且小于起落架限制力矩对应减速率a_v1时，说明刹车系统处于正常工作状态，不需要改变刹车压力，故采用公式(6)计算刹车因子V_T，直接采用驾驶员施加的刹车指令进行刹车。

当机轮减速率达到起落架限制力矩对应减速率a_v1时，为防止损伤起落架，必须降低刹车压力，故采用公式(7)计算刹车因子V_T。

步骤四，确定阀门控制电压V_F

通过防滑电压V_s与刹车因子V_T确定阀门控制电压V_F。根据公式（8）得到阀门控制电压V_F

V_F=V_s+V_T              （8）

公式（7）中，V_s是防滑电压，通过防滑控制律中公式(2)计算。

步骤五，确定伺服阀输出刹车压力P

通过阀门控制电压V_F控制伺服阀输出刹车压力P。根据公式（9）计算刹车压力P。

P=K₁(V_F/R)            （9）

公式（9）中，R为伺服阀线圈电阻的取范围值为180～200Ω，本实施例中为200Ω；K₁为伺服阀比例系数，是伺服阀输出电压与电流的比值。

步骤六，控制刹车系统的恒力矩

通过伺服阀输出刹车压力P作用在刹车机轮上，产生刹车力矩Ms。根据公式（10）计算刹车力矩Ms。

Ms=μ_dF_n(P-ΔP)n_TR_m    （10）

公式（10）中，μ_d为炭盘摩擦系数；F_n为活塞面积；P为伺服阀输出刹车压力；ΔP为压力损失；n_T为摩擦面数；R_m为摩擦面中径。

本发明中，通过在防滑控制律基础上增加具有自适应能力的恒力矩控制律，实现碳刹车系统对炭刹车盘处于湿态或地面低结合系数时的判别，增大了刹车压力调节范围，实现了变压力恒力矩刹车控制。

根据刹车系统的具体使用情况，炭刹车盘处于湿态或炭盘摩擦系数多变时，跑道表面结合系数各不相同，刹车系统处于非正常工作状态，对应减速率相对正常工作状态较低。刹车控制盒通过机轮减速率计算和观测防滑信号，实现对炭刹车盘和跑道状态的判别。当根据测到的机轮速度计算出的机轮减速率较低时，说明刹车系统处于非正常工作状态导致刹车力矩较低，需要按照具有自适应能力的恒力矩控制律控制伺服阀输出压力升高，进行变压力恒力矩刹车。为防止出现刹车力矩超过起落架限制力矩的情况，需根据起落架限制力矩设置门限以限制刹车压力的上升幅度。

具有自适应能力的恒力矩控制律以减速率作为刹车系统工作状态的判据，能够满足刹车系统在各种工作状态下使用要求，增强了刹车系统对跑道和炭刹车盘湿态的适应性，比原控制律具有更好的刹车性能，提高了飞机着陆的安全性，延长了炭刹车盘的使用寿命。

本发明基于炭刹车盘摩擦系数恒定情况设计，是一种能解决炭刹车盘干湿态差别或地面低结合系数的控制方法，能够避免由于炭刹车盘处于湿态或地面低结合系数而出现的刹车性能衰减，提高了碳刹车系统的适应性。刹车控制盒根据采集的信息判别当前炭刹车盘和跑道状态，通过机轮减速率计算，进行变压力恒力距刹车，从而克服现有技术中存在的炭刹车盘湿态时或机轮轮胎与地面结合系数大时不能满足刹车系统要求的不足。

为证明本发明的效果，以某飞机刹车系统为例进行验证。所述验证中，要求刹车力矩小于起落架15.076KNm的限制力矩。刹车距离要求220Km/h时刹车，距离不大于750米。

炭刹车盘正常干态情况下刹车压力7.5MPa，采取现有技术中的刹车系统控制方法，在刹车过程中不会出现刹车力矩超过起落架限制力矩的情况，起落架结构安全，该压力下炭刹车盘正常干态时刹车距离满足要求。

当炭刹车盘异常湿态情况下刹车压力7.5MPa，采取现有技术中的刹车系统控制方法，在刹车过程中不会出现刹车力矩超过起落架限制力矩的情况，起落架结构安全，但刹车距离为884米，不满足飞机刹车要求，飞机着陆安全性变差。刹车系统惯性台模拟试验曲线见附图1。

采用具有自适应能力的刹车系统恒力矩控制方法的刹车系统惯性台模拟试验曲线见附图2-附图4。

（1）刹车盘正常干态情况下，刹车压力10MPa，采用具有自适应能力的刹车系统恒力矩控制方法进行力矩控制，在110Km/h低速低能刹车过程中刹车压力调整，使机轮刹车力矩不会超过起落架限制力矩，起落架结构安全得到保证。见附图2曲线。

（2）刹车盘异常湿态情况下，刹车压力10MPa，采用具有自适应能力的刹车系统恒力矩控制方法进行力矩控制，正常着陆条件下刹车机轮刹车速度220Km/h，刹车距离704米，刹车距离满足飞机刹车要求，飞机着陆安全性得到保证。见附图3曲线。

（3）刹车盘正常干态情况下，刹车压力10MPa，采用具有自适应能力的刹车系统恒力矩控制方法进行力矩控制，正常着陆条件下刹车机轮刹车速度220Km/h，刹车距离518米，刹车距离满足飞机刹车要求，飞机着陆安全性得到保证。见附图4曲线。

总之，具有自适应能力的刹车系统恒力矩控制方法，能够保证刹车过程中机轮刹车力矩不超过起落架限制力矩；在刹车盘各种情况下飞机刹车距离满足要求。采用该方法的飞机刹车系统既保证了飞机起落架结构安全性要求，又保证飞机着陆刹车安全性。

本发明的关键是提高刹车压力，改变刹车因子，进行压力调整，达到恒力矩控制的目的。国外有自适应能力的刹车系统恒力矩控制方法全部应用于电传刹车系统和自动刹车系统中，防滑刹车系统中没用采用该技术的报道和案例。

附图说明

附图1是刹车压力7.5MPa，220km/h正常着陆炭刹车盘湿态的刹车曲线。

附图2是刹车压力10MPa，110km/h正常着陆炭刹车盘干态的刹车曲线。

附图3是刹车压力10MPa，220km/h正常着陆炭刹车盘湿态的刹车曲线。

附图4是刹车压力10MPa，220km/h正常着陆炭刹车盘干态的刹车曲线。

附图5是本发明的流程图。图中：

1是鼓轮机轮速度；所述鼓轮机轮速度是模拟飞机速度，Km/h。

2是刹车机轮所承受载荷，KN。

3是机轮刹车压力，MPa。

4是机轮刹车力矩，KNm。

具体实施方式

本实施例是用于某型机刹车系统的恒力矩控制方法，其具体过程是：

步骤一，确定机轮速度差ΔVw

机轮速度差ΔVw是通过当前采样周期的机轮速度Vw₁减去前一周期的机轮速度Vw₀得到，通过公式(3)得到。

ΔVw=Vw₁-Vw₀            (3)

公式（3）中，Vw₁当前采样周期的机轮速度；Vw₀是前一周期的机轮速度值。本实施例中Vw₁为实时采集并存储数据，Vw₀取前一周期所存数据，ΔVw通过公式(3)实时计算得到。

步骤二，确定机轮减速率a_v

根据得到的机轮速度差ΔVw，通过公式（4）确定机轮减速率a_v。机轮减速率a_v=机轮速度差除以速度采样周期。

a_v=ΔVw/T              (4)

公式（4）中，ΔVw是机轮速度差；T是以时间为单位的速度采样周期。本实施例中ΔVw为步骤一计算所得，T取值为1s。

步骤三，确定自适应刹车因子V_T

根据机轮减速率a_v与减速率给定门限值a_v0、起落架限制力矩对应的减速率a_v1三者之间的相互比较，以确定自适应刹车因子V_T。通过公式(5)、公式(6)、公式(7)确定。

若a_v＜a_v0，V_T=（1+K）V_B      (5)

若a_v0≤a_v＜a_v1，V_T=V_B        (6)

若a_v=a_v1，V_T=（1-0.5K）V_B    (7)

公式（5）、公式（6）和公式(7)中:

V_B是额定刹车电压，由飞机驾驶员操纵刹车指令传感器施加给防滑控制盒。本实施例中额定刹车电压V_B的范围为1.2V～4.2V。当飞机驾驶员施加最大刹车指令时，V_B=4.2V。

K是力矩补偿系数，用于调节刹车压力，取值范围为（0～1）。本实施例中力矩补偿系数K根据刹车压力取0.6，刹车压力≤10MPa。

a_v0是减速率给定门限值，按照常规方法根据惯性试验台记录的干态机轮力矩特性曲线确定。本实例中给定门限值a_v0采用3.5m/s²。

a_v1为起落架限制力矩对应减速率，按照常规方法根据惯性试验台记录的机轮力矩特性曲线中在刹车力矩接近起落架限制力矩时的局部曲线，本实例中a_v1取值4.0m/s²。

当机轮减速率a_v小于减速率给定门限值a_v0时，说明刹车系统处于非正常工作状态，需要增加刹车压力，故采用公式(5)计算刹车因子V_T，对飞机驾驶员施加的刹车指令进行补偿，实现变压力恒力矩控制。

当机轮减速率a_v大于等于减速率给定门限值a_v0且小于起落架限制力矩对应减速率a_v1时，说明刹车系统处于正常工作状态，不需要改变刹车压力，故采用公式(6)计算刹车因子V_T，直接采用驾驶员施加的刹车指令进行刹车。

当机轮减速率达到起落架限制力矩对应减速率a_v1时，为防止损伤起落架，必须降低刹车压力，故采用公式(7)计算刹车因子V_T。

步骤四，确定阀门控制电压V_F

通过防滑电压V_s与刹车因子V_T确定阀门控制电压V_F。根据公式（8）得到阀门控制电压V_F

V_F=V_s+V_T                （8）

公式（7）中，V_s是防滑电压，通过防滑控制律中公式(2)计算。

步骤五，确定伺服阀输出刹车压力P

通过阀门控制电压V_F控制伺服阀输出刹车压力P。根据公式（9）计算刹车压力P。

P=K₁(V_F/R)             （9）

公式（9）中，R为伺服阀线圈电阻的取范围值为180～200Ω，本实施例中为200Ω；K₁为伺服阀比例系数，是伺服阀输出电压与电流的比值，本实施例所选伺服阀比例系数为250。

步骤六，控制刹车系统的恒力矩

通过伺服阀输出刹车压力P作用在刹车机轮上，产生刹车力矩Ms。根据公式（10）计算刹车力矩Ms。

Ms=μ_dF_n(P-ΔP)n_TR_m            （10）

公式（10）中，μ_d为炭盘摩擦系数；F_n为活塞面积；P为伺服阀输出刹车压力；ΔP为压力损失；n_T为摩擦面数；R_m为摩擦面中径。

本实例中：μ_d=0.32；F_n=8599×10^-6m²；P=10MPa；ΔP=1MPa；n_T=8；R_m=0.1785×10³mm。

由于在刹车过程中炭盘摩擦系数是一个变化的量，需要根据机轮减速率确定刹车压力，由公式（10）知，合理控制机轮刹车压力P,能够实现刹车机轮恒力矩刹车要求。

本实施例中，通过对刹车因子V_T的调整，不断改变刹车压力，飞机刹车系统达到恒力矩控制的作用，在阀门电压中保留了V_s，使系统原有的防滑控制能力没有变化。

Claims (1)

1.一种具有自适应能力的刹车系统恒力矩控制方法，其特征在于，具体过程是：

步骤一，确定机轮速度差ΔVw

机轮速度差ΔVw是通过当前采样周期的机轮速度Vw₁减去前一周期的机轮速度Vw₀得到，通过公式(3)得到；

ΔVw＝Vw₁-Vw₀    (3)

公式(3)中，Vw₁是当前采样周期的机轮速度值；Vw₀是前一周期的机轮速度值；

步骤二，确定机轮减速率a_v

根据得到的机轮速度差ΔVw，通过公式(4)确定机轮减速率a_v；机轮减速率a_v＝机轮速度差除以速度采样周期；

a_v＝ΔVw/T    (4)

公式(4)中，ΔVw是机轮速度差；T是以时间为单位的速度采样周期；

步骤三，确定自适应刹车因子V_T

根据机轮减速率a_v与减速率给定门限值a_v0、起落架限制力矩对应的减速率a_v1三者之间的相互比较，以确定自适应刹车因子V_T；通过公式(5)、公式(6)、公式(7)确定；

若a_v＜a_v0，V_T＝(1+K)V_B    (5)

若a_v0≤a_v＜a_v1，V_T＝V_B     (6)

若a_v＝a_v1，V_T＝(1-0.5K)V_B    (7)

公式(5)、公式(6)和公式(7)中:

V_B是额定刹车电压，由飞机驾驶员操纵刹车指令传感器施加给防滑控制盒；

K是力矩补偿系数，用于调节刹车压力，取值范围为(0～1)；

a_v0是减速率给定门限值，按照常规方法根据惯性试验台记录的干态机轮力矩特性曲线确定；

a_v1为起落架限制力矩对应减速率，按照常规方法根据惯性试验台记录的机轮力矩特性曲线中在刹车力矩接近起落架限制力矩时的局部曲线确定；

当机轮减速率a_v小于减速率给定门限值a_v0时，说明刹车系统处于非正常工作状态，需要增加刹车压力，故采用公式(5)计算刹车因子V_T，对飞机驾驶员施加的刹车指令进行补偿，实现变压力恒力矩控制；

当机轮减速率a_v大于等于减速率给定门限值a_v0且小于起落架限制力矩对应减速率a_v1时，说明刹车系统处于正常工作状态，不需要改变刹车压力，故采用公式(6)计算刹车因子V_T，直接采用驾驶员施加的刹车指令进行刹车；

当机轮减速率达到起落架限制力矩对应减速率a_v1时，为防止损伤起落架，必须降低刹车压力，故采用公式(7)计算刹车因子V_T；

步骤四，确定阀门控制电压V_F

通过防滑电压V_s与刹车因子V_T确定阀门控制电压V_F；根据公式(8)得到阀门控制电压V_F

V_F＝V_s+V_T    (8)

公式(8)中，V_s是防滑电压，通过防滑控制律中公式(2)计算；

所述防滑控制律如下:

阀门控制电压VF＝Vs+700    (1)

其中防滑电压Vs＝Vp+Vd+Vi    (2)

其中：Vp为比例输出；Vd为微分输出；Vi为积分输出；700为静态值，对应伺服阀死区电流；

步骤五，确定伺服阀输出刹车压力P

通过阀门控制电压V_F控制伺服阀输出刹车压力P；根据公式(9)计算刹车压力P；

P＝K₁(V_F/R)    (9)

公式(9)中，R为伺服阀线圈电阻的取值范围为180～200Ω；K₁为伺服阀比例系数，是伺服阀输出电压与电流的比值；

步骤六，控制刹车系统的恒力矩

通过伺服阀输出刹车压力P作用在刹车机轮上，产生刹车力矩Ms；根据公式(10)计算刹车力矩Ms；

Ms＝μ_dF_n(P-ΔP)n_TR_m    (10)

公式(10)中，μ_d为碳盘摩擦系数；F_n为活塞面积；P为伺服阀输出刹车压力；ΔP为压力损失；n_T为摩擦面数；R_m为摩擦面中径。