CN108177765B - 一种飞机自适应防滑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞机刹车技术，涉及一种飞机自适应防滑控制方法。本发明包括以下步骤：计算机轮减速率ω'；计算参考速度ω_r；滑移率计算；自适应减速率基准计算；减速率偏差控制量Ke'计算；打滑检测；分级控制；计算防滑指令μ。本方法通过比较自适应减速率基准与飞机减速率信号，充分利用了减速率信号包含的有效信息，提高了参考速度的准确度。本发明采用了基于μ‑slip模型的打滑检测器，提高了防滑系统的寻优速度；当机轮处于最优滑移率范围时，利用减速率控制方法取代μ‑slip模型控制方法，规避了μ‑slip模型在防滑控制的缺点，充分发挥了减速率控制计算简单的特点。

Description

一种飞机自适应防滑控制方法

技术领域

本发明属于飞机刹车技术，涉及一种飞机自适应防滑控制方法。

背景技术

目前，防滑控制功能已经成为各个先进机种刹车系统的标配功能，且飞机制造商对于防滑控制效果的要求越来越高。简单地说，防滑控制就是通过比较机轮速度与飞机速度，然后根据两者差值的大小增加/减小刹车压力，使得地面结合系数始终处于最大值附近，从而减小飞机刹车距离。

刹车系统能否提供高刹车效率主要取决于打滑量(飞机速度与机轮速度的相对差值)的确定是否合适。目前常见的防滑控制方法主要有两种，第一种是基于减速率防滑控制方法。该方法通过对机轮速度进行微分运算而得知机轮速度减速率，如果机轮减速太快，则认为机轮打滑过大，于是会减小施加到刹车装置上的刹车压力。第二种实现原理则基于轮胎-道面摩擦特性的μ-slip模型。通过对比滑移率(滑移速度与飞机速度的比值)与μ-slip预先定义最优值进行比较以获取理想的打滑量。

基于μ-slip模型的防滑控制方法通常需要飞机其他系统提供高可靠、高精度地速信号，且通常计算复杂，但在跑道表面状态变化时具有更好的适应性，而基于减速率的防滑控制方法是一种更简单的实现方法，但对于跑道表面状态变化适应较慢。在本方法前，上述两种方式优缺点均较为明显，没有一种防滑控制方法有效结合减速率及μ-slip模型的优点。

美国专利US 006178370B1“Deceleration based antiskid brake contollerwith adaptive deceleration threshold”介绍了一种基于减速率的控制方法，该方法将机轮减速率与预定减速率门限进行对比，如果机轮减速率大于预定减速率门限值，防滑控制器将减小施加给刹车装置的刹车压力，而当机轮减速率小于预定减速率门限值时，刹车压力将一直增加直到指令对应的刹车压力全部施加。该方法计算过程较为简单，但对于预定减速率门限存在较大缺陷，比如机轮在进入深打滑时，预定减速率门限依旧会根据此时的机轮减速率而增大，但事实上此时预定减速率门限应减小。此外，根据该方法计算的刹车压力并不准确，比如，当刹车指令刚刚施加时，机轮减速率较大，根据该专利中的描述，若机轮减速率大于预定减速率门限值应减小刹车压力，但此时机轮滑移率远小于最优值，刹车压力应继续施加。

为了解决上述问题，非常有必要提供一种防滑控制方法使得刹车系统能够快速适应跑道表面状态、起落架载荷变化，并且该方法无需飞机其他系统提供高可靠、高精度地速信号，同时具有计算简单的特点。

发明内容

本发明创造目的是：充分综合减速率及μ-slip模型在防滑控制方面的优点，利用μ-slip模型检测机轮的打滑状态，当机轮处于最优滑移率的范围时，再利用减速率对机轮刹车压力实施精确控制，以实现防滑系统的快速自适应。

本方法的技术方案是：一种飞机自适应防滑控制方法，包括以下步骤：

1)步骤一：计算机轮减速率ω'。

通过对机轮速度ω进行微分运算得到机轮减速率ω'。

2)步骤二：计算参考速度ω_r。

根据机轮速度ω、自适应减速率基准α(通过步骤四得到)及飞机减速率β计算机轮参考速度。

a)取飞机减速率β与自适应减速率基准α的较小值作为最小值γ；

b)最小值γ乘以时间常数T1后，与前一时刻参考速度相加，相加后的值与本周期机轮速度ω的较大值即为当前周期参考速度ω_r；所述时间常数T1为负值，数值大小为控制算法运行周期。

3)步骤三：滑移率计算。

根据公式

计算滑移率λ。

4)步骤四：自适应减速率基准计算。

a)减速率更新控制模块根据滑移率λ判断机轮是否处于最优滑移率范围；

b)若滑移率λ处于最优滑移率范围以外(比如λ＞0.3或者λ＜0.1)，则表明机轮减速率不能有效反应当前飞机及跑道表面状态，因此减速率更新控制模块输出前一时刻自适应减速率基准，自适应减速率基准模块最终输出前一时刻自适应减速率基准作为当前周期自适应减速率基准α。

c)若滑移率λ处于最优滑移率范围以内，减速率更新控制模块输出当前机轮减速率ω'，偏差超限检测模块根据前一时刻自适应减速率基准设置上下门限，该上下门限与当前机轮减速率ω'比较后输出减速率基准偏差δ，偏差积分模块对减速率基准偏差δ进行积分运算，限幅器根据飞机实际减速率范围对积分结果进行限幅后即输出自适应减速率基准α。

5)步骤五：减速率偏差控制量Ke'计算。

a)计算减速率偏差e，减速率偏差e＝自适应减速率基准α-机轮减速率ω'。

b)计算减速率偏差控制量Ke',减速率偏差e乘以控制增益K再经过限幅后即减速率偏差控制量Ke'。

6)步骤六：打滑检测。

根据滑移率λ判断机轮打滑状态，并输出不同的控制量。打滑状态可分为以下几种：

a)λ≤X₁，代表机轮打滑幅度较小，X₁∈(0,0.2)；

b)X₁＜λ≤X₂，代表机轮已处于最优滑移率范围以内，X₂∈(0.1,0.3)；

c)X₂＜λ≤X₃，代表机轮打滑幅度较大，X₃∈(0.2,1)；

d)X₄＜λ≤1，代表机轮处于深打滑状态，X₄∈(0.2,1)；

在具体设计时，X₁＜X₂＜X₃＜X₄。

7)步骤七：分级控制。

根据机轮打滑状态，分级控制的输出分为：

a)若机轮打滑幅度较小(λ≤X₁)时，直接输出K1(K1＞0，K1的选取与期望的防滑响应有关，防滑响应随K1的增大而增大)，用于增加防滑指令；

b)若机轮已处于最优滑移率范围以内(X₁＜λ≤X₂)，则输出减速率偏差控制量Ke'，用于自动调节防滑指令；

c)若机轮打滑幅度较大(X₂＜λ≤X₃)，则直接输出K2(K2＜0，K2的选取与期望的防滑响应有关，防滑响应随K2的增大而增大)，用于减小防滑指令；

d)若机轮处于深打滑状态(λ＞X₄)，则直接输出K3(K3＜K2＜0)，用于快速减小防滑指令；

8)步骤八：计算防滑指令μ。

对分级控制的输出进行积分运算，然后经过限幅后即作为最终的防滑指令μ。

本发明优点如下：

1)由于累计误差的原因，飞机减速率信号无法直接用于参考速度计算，本方法通过比较自适应减速率基准与飞机减速率信号，充分利用了减速率信号包含的有效信息，提高了参考速度的准确度。

2)本方法采用了基于μ-slip模型的打滑检测器，若机轮打滑量较小，则直接增加防滑控制指令，若机轮打滑量较大，则快速减小防滑控制指令，提高了防滑系统的寻优速度。

3)当机轮处于最优滑移率范围时，利用减速率控制方法取代μ-slip模型控制方法，规避了μ-slip模型在防滑控制的缺点，充分发挥了减速率控制计算简单的特点。

4)当机轮处于最优滑移率范围时，机轮减速率能够有效反应当前跑道表面状态信息，故本发明自适应减速率基准能够更加快速、准确的识别跑道表面状态。

附图说明

图1是本发明飞机自适应防滑控制方法的原理框图，即本方法的典型实现。

图2是详细的参考速度计算原理图。

图3时详细的自适应减速率基准计算原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。

参见图1、图2、图3，本实施例是一种飞机防滑刹车系统防滑控制方法的具体实现方法。

本实施例具体实现过程为：

1)步骤一：计算机轮减速率ω'。

微分模块1实时接收机轮速度ω，通过微分运算输出机轮减速率ω'。

2)步骤二：计算参考速度ω_r。

参考速度模块2的输入为机轮速度ω、自适应减速率基准α(通过步骤四得到)及飞机减速率β计算机轮参考速度。参考速度模块2包含取小模块21、增益模块T22、加法器23、延迟模块24、取大模块25。

取小模块21输入为自适应减速率基准α与飞机减速率β，输出为输入的最小值γ，增益模块T22的输入为最小值γ，增益模块22的增益T由系统运行周期决定，本实施例中T＝0.001。加法器23的输入为增益模块22的输出、延迟模块24的输出，其中延迟模块24输出值为前一时刻参考速度，取大模块25的输入为加法器23的输出以及机轮速度ω，取大模块25对两个输入进行取大操作，取大模块25的输出即为参考速度ω_r。

3)步骤三：滑移率计算。

滑移率模块3的输入为机轮速度ω以及参考速度，模块2的输出参考速度ω_r，滑移率模块3根据公式

计算并输出滑移率λ。

4)步骤四：自适应减速率基准计算。

自适应减速率基准计算主要由自适应减速率模块4实现。自适应减速率模块4包含子模块减速率更新控制模块41、延迟模块42、偏差超限检测模块43、偏差积分模块44、限幅器45，具体过程如下：

a)减速率更新控制模块41输入为滑移率λ、机轮减速率ω'以及前一时刻自适应减速率基准α₀，其中前一时刻自适应减速率基准α₀为延迟模块42的输出。减速率更新控制模块41根据滑移率λ判断机轮减速率是否能够有效反应当前跑道表面状态信息，在本实施例中当λ＞0.3或λ≥0.1时，认为机轮减速率ω'不能有效反应跑道表面状态。

b)若滑移率λ＞0.3或λ≤0.1，减速率更新控制模块41输出为前一时刻自适应减速率基准α₀，若滑移率0.1＜λ≤0.3，减速率更新控制模块41输出为机轮减速率ω'，并作为偏差超限比较模块43的输入。

c)偏差超限比较模块43的另一个输入为前一时刻自适应减速率基准α₀，偏差超限比较模块43根据α₀设置上下偏差带，若减速率更新控制模块41的输出超出上下偏差带，则偏差超限比较模块43输出偏差超限信号δ，偏差超限信号δ随后作为偏差积分模块44的输入。偏差超限比较模块43根据实际控制效果要求，可以设置不同的上下偏差带，本实施例中上偏差带为α₀+0.1m/s²,下偏差带为α₀-0.15m/s²。可以看出，只要机轮减速率ω'保持在前一时刻自适应减速率基准上、下限偏带范围内，或者当减速率更新控制模块41的输出为前一时刻自适应减速率基准α₀时，偏差超限信号δ＝0。

d)偏差积分模块44对其输入偏差超限信号δ进行积分运算。若偏差超限信号δ＞0，则说明当前飞机及跑道状态能够提供的最大减速率的绝对值小于自适应减速率基准α的绝对值(本实施例中α＜0)，需要增大自适应减速率基准α绝对值减小，反之则需要减小自适应减速率基准。

e)限幅器45的输入为偏差积分模块44的输出，限幅器45根据飞机实际减速率范围对积分结果进行限幅后即输出自适应减速率基准α，本实施例中限幅器45的最小值为-5m/s²。

5)步骤五：减速率偏差控制量Ke'计算。

a)减法器5计算减速率偏差e。减法器5的输入为自适应减速率基准减速率α以及机轮减速率ω'，减法器的输出为减速率偏差e，减速率偏差e＝自适应减速率基准α-机轮减速率ω'。

b)增益模块6的输入为减速率偏差e，增益模块6增益K为一个与防滑控制运算周期有关的负值K1，K1的绝对值越大，防滑系统的调节速度越快，但防滑控制波动也越大，本实施例中K1＝-0.0001。增益模块6的输出为Ke。

c)计算减速率偏差控制量Ke'，限幅器7对增益模块6的输出Ke进行限幅后，输出减速率偏差控制量Ke'。本实施例中，限幅器7的限幅范围为-4～4，限幅范围的选择与自适应减速率基准、机轮减速率ω'真实范围有关。限幅器7的输出减速率偏差控制量Ke'将作为分级控制模块8的一个输入。

6)步骤六：打滑检测。

打滑检测主要由打滑检测器9实现，打滑检测器9根据滑移率λ判断机轮打滑状态，

并输出以下控制量：

a)若λ≤0.1，代表机轮打滑幅度较小，打滑检测器9输出控制量1；

b)若0.1＜λ≤0.2，代表机轮已处于最优滑移率范围以内，打滑检测器9输出控制量2；

c)若0.2＜λ≤0.3，代表机轮打滑幅度较大，打滑检测器9输出控制量3；

d)若0.3＜λ≤1，代表机轮处于深打滑状态，打滑检测器9输出控制量4；

7)步骤七：分级控制。

分级控制主要由分级控制模块8完成，分级控制模块8的输入分别为打滑检测器9输出的控制量、指令增加模块10、指令减小模块11、指令快速减小模块12。根据机轮打滑状态，分级控制的输出主要分为：

a)若打滑检测器9输出控制量为1，则分级控制模块8直接输出指令增加模块10的值K1，用于增加防滑指令，本实施例中K1为常量，K1＝0.0003；

b)若打滑检测器9输出控制量为2，则分级控制模块8输出减速率偏差控制量Ke'，用于自动调节防滑指令；

c)若打滑检测器9输出控制量为3，则分级控制模块8直接输出指令减小模块11的值K2，用于减小防滑指令，本实施例中K2为常量，K2＝-0.0004；

d)若打滑检测器9输出控制量为4，则分级控制模块8直接输出指令快速减小模块12的值K3，用于快速减小防滑指令，本实施例中K3为常量，K3＝-0.04；

8)步骤八：计算防滑指令μ。

积分器13的输入为分级控制模块8的输出值，并对其进行积分运算。

a)若打滑检测器9判断机轮打滑幅度较小时，分级控制模块8输出指令增加模块的值K1，积分器13的输出将缓慢增加，刹车压力也将缓慢增加；

b)若打滑检测器9判断机轮已处于最优滑移率范围以内，分级控制模块8输出减速率偏差控制量Ke'，积分器13的输出将根据Ke'具体变化而增减；

c)若打滑检测器9判断滑移率较大时，分级控制模块8输出指令减小模块的值K2，积分器13的输出将缓慢减小，刹车压力也将缓慢减小；

d)若打滑检测器9判断机轮处于深打滑状态时，分级控制模块8输出指令快速减小模块的值K3，积分器13的输出将快速减小，刹车压力也将快速减小。积分器13的输出经过限幅器14限幅后，将作为最终的防滑指令μ。限幅器的限幅范围与刹车系统的控制形式有关。本实施例中限幅器14的限幅范围为[0，1]。

Claims (1)

1.一种飞机自适应防滑控制方法，其特征为所述方法包括以下步骤：

1)步骤一：计算机轮减速率ω'：

通过对机轮速度ω进行微分运算得到机轮减速率ω'；

2)步骤二：计算参考速度ω_r：

根据机轮速度ω、自适应减速率基准α及飞机减速率β计算机轮参考速度；所述自适应减速率基准α通过步骤四得到；其中：

a)取飞机减速率β与自适应减速率基准α的较小值作为最小值γ；

b)最小值γ乘以时间常数T1后，与前一时刻参考速度相加，相加后的值与本周期机轮速度ω的较大值即为当前周期参考速度ω_r；所述时间常数T1为负值，数值大小为控制算法运行周期；

3)步骤三：滑移率计算：

根据公式

计算滑移率λ；

4)步骤四：自适应减速率基准计算：

a)减速率更新控制模块根据滑移率λ判断机轮是否处于最优滑移率范围；

b)若滑移率λ处于最优滑移率范围以外，则表明机轮减速率不能有效反应当前飞机及跑道表面状态，因此减速率更新控制模块输出前一时刻自适应减速率基准，自适应减速率基准模块最终输出前一时刻自适应减速率基准作为当前周期自适应减速率基准α；

c)若滑移率λ处于最优滑移率范围以内，减速率更新控制模块输出当前机轮减速率ω'，偏差超限检测模块根据前一时刻自适应减速率基准设置上下门限，该上下门限与当前机轮减速率ω'比较后输出减速率基准偏差δ，偏差积分模块对减速率基准偏差δ进行积分运算，限幅器根据飞机实际减速率范围对积分结果进行限幅后即输出自适应减速率基准α；

5)步骤五：减速率偏差控制量Ke'计算：

a)计算减速率偏差e，减速率偏差e＝自适应减速率基准α-机轮减速率ω'；

b)计算减速率偏差控制量Ke',减速率偏差e乘以控制增益K再经过限幅后即减速率偏差控制量Ke'；

6)步骤六：打滑检测：

根据滑移率λ判断机轮打滑状态，并输出不同的控制量；打滑状态分为：

a)λ≤X₁，代表机轮打滑幅度较小，X₁∈(0,0.2)；

b)X₁＜λ≤X₂，代表机轮已处于最优滑移率范围以内，X₂∈(0.1,0.3)；

c)X₂＜λ≤X₃，代表机轮打滑幅度较大，X₃∈(0.2,1)；

d)X₄＜λ≤1，代表机轮处于深打滑状态，X₄∈(0.2,1)；

其中，X₁＜X₂＜X₃＜X₄；

7)步骤七：分级控制：

根据机轮打滑状态，分级控制的输出分为：

a)若机轮打滑幅度较小(λ≤X₁)时，直接输出K1(K1＞0，K1的选取与期望的防滑响应有关，防滑响应随K1的增大而增大)，用于增加防滑指令；

b)若机轮已处于最优滑移率范围以内(X₁＜λ≤X₂)，则输出减速率偏差控制量Ke'，用于自动调节防滑指令；

c)若机轮打滑幅度较大(X₂＜λ≤X₃)，则直接输出K2(K2＜0，K2的选取与期望的防滑响应有关，防滑响应随K2的增大而增大)，用于减小防滑指令；

d)若机轮处于深打滑状态(λ＞X₄)，则直接输出K3(K3＜K2＜0)，用于快速减小防滑指令；

8)步骤八：计算防滑指令μ：

对分级控制的输出进行积分运算，然后经过限幅后即作为最终的防滑指令μ。

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