CN112799440A - 面向飞机刹车应用的数字阀高精度压力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向飞机刹车应用的数字阀高精度压力控制方法，包括：获取压力参考值与刹车作动器压力腔的压力值的压力差值；如果所述压力差值的绝对值大于第一门限值，则计算流量的积分，所述流量是指刹车作动器压力腔中需要变动的液压流量；根据所述流量的积分、压差和开启时间之间的对应关系，得到所述升压阀阵列或所述降压阀阵列的开启时间，其中压差表示开关阀上下游的压力差，开启时间表示采用单个开关阀需要的开启时间。本发明可以实现开关阀短时开启，达到高精度压力控制的目的。

Description

面向飞机刹车应用的数字阀高精度压力控制方法

技术领域

本发明涉及飞机刹车系统技术领域，尤其涉及一种面向飞机刹车应用的数字阀高精度压力控制方法。

背景技术

飞机刹车系统可以保证飞机起降的安全，当机轮被锁死的时候通过降低刹车压力来防止机轮过度的磨损或者爆胎。传统的飞机刹车系统通常使用伺服阀作为飞机刹车压力调节部件。因为刹车过程的振动和高温，液压油容易碳化，伺服阀对油液污染很敏感，碳化的液压油容易阻塞伺服阀的先导级，伺服阀的堵塞会导致飞机刹车系统的压力调节功能丧失，严重影响飞机的安全。相较于传统的刹车伺服阀，开关阀阵列具有响应速度快，抗污染能力强等优点，可以取代伺服阀用作刹车压力调节机制。

开关阀阵列价格低廉且可靠性高，是适合用于恶劣环境的设备。但是，几乎所有现有的研究都集中在如何提高刹车作动器活塞位置的控制精度，很少有研究专注于如何提高刹车作动器压力的控制精度。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明的一些实施例提供了一种面向飞机刹车应用的数字阀高精度压力控制方法，利用开关阀流量积分特性的非线性段，可以实现开关阀短时开启，达到高精度压力控制的目的。

一方面，本发明实施例提供一种飞机刹车系统的压力控制方法，采用的压力控制系统包括刹车作动器、升压阀阵列、降压阀阵列、开关阀驱动器、刹车控制器和压力传感器；所述升压阀阵列、所述降压阀阵列由n个并联的开关阀组成，n≥2；压力控制方法包括：

获取压力参考值与刹车作动器压力腔的压力值的压力差值；

如果所述压力差值的绝对值大于第一门限值，则计算流量的积分，所述流量是指刹车作动器压力腔中需要变动的液压流量；

根据所述流量的积分、压差和开启时间之间的对应关系，得到所述升压阀阵列或所述降压阀阵列的开启时间，其中压差表示开关阀上下游的压力差，开启时间表示采用单个开关阀需要的开启时间。

在至少一个实施例中，获取压力参考值与刹车作动器压力腔的压力值的压力差值，包括：采用公式(1)计算所述压力差值，

P_e＝P_ref-P_a (1)；

其中P_e为所述压力差值，P_ref为所述压力参考值，P_a为刹车作动器压力腔的压力值；

所述如果所述压力差值的绝对值大于第一门限值，则计算流量的积分，包括：采用公式(2)计算转化后的压力差值，

其中

为转化后的压力差值，e_th为所述第一门限值；

采用公式(3)计算所述流量的积分，

其中Q_v为所述流量，V为负载的体积，β为液压油的弹性模量，∫Q_vdt为所述流量的积分。

在至少一个实施例中，根据所述流量的积分、压差和开启时间之间的对应关系，得到所述升压阀阵列或所述降压阀阵列的开启时间，包括：

形成所述流量的积分、压差和开启时间的二维表；

计算所述压差；

根据所述流量的积分、所述压差和所述二维表得到所述开启时间。

在至少一个实施例中，计算所述压差包括：

如果所述压力差值大于零，则采用公式(4)计算所述压差，

ΔP＝P_s-P_a (4)

其中ΔP为所述压差，P_s为液压源压力；

如果所述压力差值小于零，则采用公式(5)计算所述压差，

ΔP＝P_a-P_T (5)

其中P_T为液压箱压力。

在至少一个实施例中，根据所述流量的积分、所述压差和所述二维表得到所述开启时间，包括：

根据所述流量的积分、所述压差在所述二维表中搜索对应的所述开启时间；

如果所述开启时间大于第二门限值，则通过公式(6)计算需要开启的开关阀的数量m，

其中m为需要开启的开关阀的数量，d_t为所述开启时间，t_th为所述第二门限值；

如果需要开启的开关阀的数量m超过阀阵列的开关阀的数量n时，则使m＝n。

在至少一个实施例中，压力控制方法还包括：

如果所述压力差值的绝对值大于所述第一门限值，且所述压力差值大于零，则使所述升压阀阵列开启、所述降压阀阵列关闭；

如果所述压力差值的绝对值大于所述第一门限值，且所述压力差值小于零，则使所述升压阀阵列关闭、所述降压阀阵列开启；

如果所述压力差值的绝对值小于等于所述第一门限值，则使所述升压阀阵列关闭、所述降压阀阵列关闭。

本发明实施例的压力控制方法基于两个开关阀阵列所构成的液压半桥来控制刹车作动器的负载压力，利用开关阀流量积分特性的非线性段，可以实现开关阀短时的开启，从而实现高精度的压力控制。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1为本发明实施例压力控制系统的一种示例性结构示意图；

图2为本发明实施例开关阀阵列的一种示例性结构示意图；

图3为本发明实施例压力控制方法的一种示例性流程示意图；

图4为本发明实施例压力控制方法的一种示例性模型示意图；

图5为本发明实施例压力控制方法的一种具体应用实例的流程示意图；

图6为本发明实施例开关阀在不同开启时间和压差时的流量积分特性示意图；

图7为图6所示流量积分特性的局部放大图；

附图说明：

1-刹车控制器；2-开关阀驱动器；3-刹车作动器；31-压力腔；32-活塞；33-活塞杆；4-升压阀阵列；5-降压阀阵列；45-开关阀；6-压力传感器；7-刹车盘；8-轮速传感器；9-机轮；

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

需要说明的是，文中的步骤编号，仅为了方便具体实施例的解释，不作为限定步骤执行先后顺序的作用。

本发明实施例提供的方法可以由相关的处理器执行，且下文均以处理器作为执行主体为例进行说明。其中，执行主体可以根据具体案例进行调整，如服务器、电子设备、计算机等。

单个开关阀只有开关两种状态，无法实现高精度的压力控制，并且常存在反复开启的现象，极大的降低了开关阀的使用寿命。对此，申请人针对开关阀的流量积分的特性进行了研究，通过仿真和实验可以得到开关阀在不同的开启时间和压差下的流量积分特性，如图6所示。通过图7所示的流量积分特性的局部放大图可以发现，开关阀的流量积分特性在开启的初始时间内具有非线性段。利用该非线性段可以实现开关阀短时的开启，从而实现高精度的压力控制。

一方面，本发明实施例提供了一种飞机刹车系统的压力控制系统，以实现刹车作动器的高精度的压力控制。

参见图1，示例性地示出了一种飞机刹车系统的压力控制系统的结构。为了更好的说明压力控制系统的应用环境和工作原理，图中示出了与本发明解决技术问题无关的非必要的零部件。飞机刹车系统的压力控制系统，包括刹车作动器1、升压阀阵列4、降压阀阵列5、开关阀驱动器2、刹车控制器1、压力传感器6、刹车盘7和轮速传感器8。

所述刹车作动器具有压力腔31、活塞32和活塞杆33。活塞杆的一端与活塞固定连接，活塞杆的另一端连接刹车盘，通过压力腔内液压油的压力推动活塞杆移动，使刹车盘与机轮9接触进行制动。与压力腔连通的有两条管路，一条管路连接液压源，以提供压力；另一条管路连接液压箱，以卸载压力。所述升压阀阵列设置在刹车作动器压力腔与液压源之间的管路上，用来使压力腔与液压源之间连通或关闭，因此升压阀阵列也称为升压阀组。所述降压阀阵列设置在刹车作动器压力腔与液压箱之间的管路上，用来使压力腔与液压箱之间连通或关闭，因此降压阀阵列也称为降压阀组。参见图2所示，所述升压阀阵列和所述降压阀阵列均包括n个并联的开关阀45，n≥2；本申请中开关阀也称为数字阀，是一种数字控制阀。也就是说，每个开关阀的进口端均连通，出口端也均连通，只要其中一个开关阀开启，则其所在的管路就可以连通。

所述压力传感器连接压力腔，用于测量刹车作动器压力腔的压力。所述刹车控制器分别所述压力传感器和所述开关阀驱动器电连接。压力传感器将测量的压力信号传送给刹车控制器。刹车控制器向开关阀驱动器发送动作信号。所述开关阀驱动器分别与所述升压阀阵列和所述降压阀阵列电连接，用于向升压阀阵列和所述降压阀阵列发送动作信号，控制所述升压阀阵列和所述降压阀阵列的开闭，具体的，开关阀驱动器与开关阀阵列中的每个开关阀均连接，可以控制其中每个开关阀的开闭。

在本发明一实施例中，升压阀阵列和所述降压阀阵列中的若干个开关阀的流量积分特性均相同。也就是说，每个开关阀阵列中的若干个开关阀均均有相同的额定流量和响应性能。由于流量小的开关阀控制精度高响应速度慢，流量大的开关阀控制精度低响应速度快，为了保证系统的控制精度和响应速度，因此使用相同流量大小的开关阀形成开关阀阵列。

本发明实施例的压力控制系统工作过程如下：图1中的Ps是油源压力也叫液压源压力，P_T是油箱压力也叫液压箱压力，Pa是被控容腔压力也叫压力腔压力，控制目标是实现被控容腔压力的精确控制。刹车控制器监测轮速传感器的检测信号，按照预定的刹车逻辑向开关阀驱动器发送动作命令。开关阀驱动器接收到动作命令后，驱动升压阀阵列开启，给压力腔加压，使活塞推动刹车盘接触机轮进行制动。同时，刹车控制器还监测压力传感器的检测信号，将检测到的压力腔压力(压力采样值)与预设的压力参考值比较，当压力采样值小于压力参考值时，开关阀驱动器发送信号u_u控制升压阀组开启，向压力腔输送液压油以实现升高压力。当压力采样值大于压力参考值时，开关阀驱动器发送信号u_d控制降压阀开启，将压力腔中的液压油向液压箱排放以实现降低压力。在压力维持阶段，两个开关阀组均关闭，没有流量损失，该控制系统的结构还可以增加系统的冗余性和可靠性。由于每个开关阀的流量积分特性中，在开启的初始阶段具有非线性段，可以利用该非线性段实现快速开闭，结合多个并联的开关阀形成的开关阀阵列来精确的控制压力腔的压力。

另一方面，本发明实施例提供了一种飞机刹车系统的压力控制方法，采用上述实施例中所述的压力控制系统，参见图3所示，压力控制方法包括：

S101、获取压力参考值与刹车作动器压力腔的压力值的压力差值。该步骤用来计算得到压力参考值与压力传感器检测到的压力腔压力值的差值。

可以采用公式(1)计算所述压力差值，

P_e＝P_ref-P_a (1)；

其中P_e为所述压力差值，P_ref为所述压力参考值，P_a为刹车作动器压力腔的压力值。

S102、如果所述压力差值的绝对值大于第一门限值，则计算流量的积分∫Q_vdt。其中的流量是指刹车作动器压力腔中需要变动的液压流量。

可以采用公式(2)计算转化后的压力差值，公式(2)也可以称为死区函数，

其中

为转化后的压力差值，e_th为所述第一门限值。该步骤是为了避免压力采样噪声和较小的控制误差引起的开关阀频繁开关，使用死区函数将P_e转化到

采用公式(3)计算所述∫Q_vdt，

其中∫Q_v为所述流量的积分，也就是增加或减少至给定压力所需的流量的积分，V为负载的体积，β为液压油的弹性模量。该步骤是利用压力和流量的积分之间的关系式得到增加或减少至所需压力的流量的积分。

进一步的，如果所述压力差值的绝对值不大于第一门限值，那么开关阀驱动器不会启动升压阀阵列或者降压阀阵列，也就不再计算相应的流量的积分。

S103、根据所述流量的积分、压差和开启时间之间的对应关系，得到所述升压阀阵列或所述降压阀阵列的开启时间，其中压差表示开关阀上下游的压力差，开启时间表示采用单个开关阀需要的开启时间。具体的，是将计算出来的需要增加或减少的流量的积分以及开关阀上下游的压差作为输入，输出的量为计算得到的如果只有一个开关阀打开的状态下需要开启的时间也就是开启时间。输出的开启时间发送给开关阀驱动器，开关阀驱动器根据开启时间来控制升压阀阵列或降压阀阵列的开启，如果需要升压则升压阀阵列开启，如果需要降压则降压阀阵列开启。

在一个实施例中，根据所述流量的积分、压差和开启时间之间的对应关系，得到所述升压阀阵列或所述降压阀阵列的开启时间的过程包括：

S201、形成流量的积分、压差和开启时间的二维表。通过仿真和实验可以得到开关阀在不同的开启时间和压差下的流量特性曲线，根据流量特性曲线形成一个以不同的压差为第一列，不同的开启时间为第一行，不同压差与不同开启时间的交叉点为对应流量的积分的二维表，如图4中的二维表所示，需要说明的是，该实施例只是一个示例，也可以采用其他不同的方式形成不同的二维表。二维表数据存储在存储装置中供刹车控制器进行调用。图4中u_u(t)、u_d(t)分别代表升压阀组和降压阀组的开启时间指令。

S202、计算所述压差。压差的计算过程可以分为下面几种情况：

如果压力差值P_e大于零，根据流量的积分的计算公式，∫Q_vdt>0；表示此时负载需要流入一些油以增加压力，所以应该打开上游的升压阀阵列。此时的压差表示油源压力P_s和被控压力P_a的压力差，表达式如公式(4)所示：

ΔP＝P_s-P_a (4)

其中ΔP为所述压差，P_s为液压源压力。

如果压力差值P_e小于零，根据流量的积分的计算公式，∫Q_vdt<0；表示此时负载需要排出一些油以降低压力，所以应该打开下游的降压阀阵列。此时的压差表示被控压力P_a和液压箱压力P_T的压力差，表达式如公式(5)所示：

ΔP＝P_a-P_T (5)

其中P_T为液压箱压力。

S203、根据所述流量的积分、所述压差和所述二维表得到所述开启时间。

例如，可以根据流量的积分、所述压差在所述二维表中搜索对应的所述开启时间；需要说明的是，此时获取的开启时间是指如果只打开单个开关阀时，在达到指定流量积分时所需要的时间。

如果所述开启时间大于第二门限值，则通过公式(6)计算需要开启的开关阀的数量m，

其中m为需要开启的阀的数量，d_t为所述开启时间，t_th为所述第二门限值。如果需要开启的开关阀的数量m超过阀阵列的开关阀的数量n时，则使m＝n。

可以理解，开启多个开关阀可以降低整体的开启时间，每个开关阀只需打开d_t/m的时间即可满足流量的积分的需求。也就是说，m个开关阀中每个开关阀增加或减少至给定压力所需的流量的积分为∫Q_vdt/m，m个开关阀中每个开关阀的开启时间为d_t/m。∫Q_vdt<0时的情况与∫Q_vdt>0时的情况类似。

在本发明一实施例中，压力控制方法还包括：

如果所述压力差值的绝对值大于所述第一门限值，且所述压力差值大于零，则使所述升压阀阵列开启、所述降压阀阵列关闭；

如果所述压力差值的绝对值大于所述第一门限值，且所述压力差值小于零，则使所述升压阀阵列关闭、所述降压阀阵列开启；

如果所述压力差值的绝对值小于等于所述第一门限值，则使所述升压阀阵列关闭、所述降压阀阵列关闭。

控制逻辑中通过使用死区函数表示控制压力和采样压力的误差，能有效的避免压力采样噪声和较小的控制误差引起的开关阀频繁开关。

参见图5所示的本发明实施例压力控制方法的一种具体应用实例的流程示意图，可以更清楚的理解本发明压力控制方法的原理和过程。其中所说的控制循环是指控制律定时运行。判断是否达到下一次控制循环的标准是指控制律的运行是否到达下一次定时中断。判断是否结束控制的标准是刹车过程结束或者压力指令结束。

综合上述的各个实施例可知，(1)本发明实施例提供的基于开关阀阵列模型的高精度压力控制方法，依据开关阀的流量积分特性的非线性段。开关阀完全打开时流量恒定，当开启时间大于开关阀的开启延迟时间后，开关阀未完全打开时也会有流量产生。利用开关阀未完全开启时的流量积分特性的非线性性质部分，通过控制开关阀的快速启闭实现高精度的压力控制。

(2)不同的压差、开关阀的开启时间与流量的积分存在对应关系，根据不同的压差计算出增加或者减小到目标压力需要的流量的积分，通过控制所需流量的积分达到控制压力的目的。

(3)为避免压力采样噪声和较小的控制误差引起的开关阀频繁开关，使用死区函数将压力参考值和被控压力的误差进行转化，使用转化后的误差进行压力控制，能有效提高开关阀的使用寿命，减小对数字阀阵列压力控制系统的冲击，有效减小系统压力的脉动和超调。

(4)开关阀的开启时间比较大的时候，通过打开多个阀，实现压力的快速上升。当被控压力接近压力参考值时，通过开关阀流量积分特性的非线性段逐渐逼近压力参考值。

(5)为了保证系统的控制精度和响应速度，使用相同流量大小的开关阀形成阀阵列，使用阀阵列实现系统的控制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。同时，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种面向飞机刹车应用的数字阀高精度压力控制方法，其特征在于，采用的压力控制系统包括刹车作动器、升压阀阵列、降压阀阵列、开关阀驱动器、刹车控制器和压力传感器；所述升压阀阵列、所述降压阀阵列由n个并联的开关阀组成，n≥2；压力控制方法包括：

获取压力参考值与刹车作动器压力腔的压力值的压力差值；

如果所述压力差值的绝对值大于第一门限值，则计算流量的积分，所述流量是指刹车作动器压力腔中需要变动的液压流量；

根据所述流量的积分、压差和开启时间之间的对应关系，得到所述升压阀阵列或所述降压阀阵列的开启时间，其中压差表示开关阀上下游的压力差，开启时间表示采用单个开关阀需要的开启时间。

2.根据权利要求1所述的压力控制方法，其特征在于，所述获取压力参考值与刹车作动器压力腔的压力值的压力差值，包括：采用公式(1)计算所述压力差值，

P_e＝P_ref-P_a (1)；

其中P_e为所述压力差值，P_ref为所述压力参考值，P_a为刹车作动器压力腔的压力值；

所述如果所述压力差值的绝对值大于第一门限值，则计算流量的积分，包括：采用公式(2)计算转化后的压力差值，

其中

为转化后的压力差值，e_th为所述第一门限值；

采用公式(3)计算所述流量的积分，

其中Q_v为所述流量，V为负载的体积，β为液压油的弹性模量，∫Q_vdt为所述流量的积分。

3.根据权利要求2所述的压力控制方法，其特征在于，根据所述流量的积分、压差和开启时间之间的对应关系，得到所述升压阀阵列或所述降压阀阵列的开启时间，包括：

形成所述流量的积分、压差和开启时间的二维表；

计算所述压差；

根据所述流量的积分、所述压差和所述二维表得到所述开启时间。

4.根据权利要求3所述的压力控制方法，其特征在于，计算所述压差包括：

如果所述压力差值大于零，则采用公式(4)计算所述压差，

ΔP＝P_s-P_a (4)

其中ΔP为所述压差，P_s为液压源压力；

如果所述压力差值小于零，则采用公式(5)计算所述压差，

ΔP＝P_a-P_T (5)

其中P_T为液压箱压力。

5.根据权利要求4所述的压力控制方法，其特征在于，根据所述流量的积分、所述压差和所述二维表得到所述开启时间，包括：

根据所述流量的积分、所述压差在所述二维表中搜索对应的所述开启时间；

如果所述开启时间大于第二门限值，则通过公式(6)计算需要开启的开关阀的数量m，

其中m为需要开启的开关阀的数量，d_t为所述开启时间，t_th为所述第二门限值；

如果需要开启的开关阀的数量m超过阀阵列的开关阀的数量n时，则使m＝n。

6.根据权利要求1所述的压力控制方法，其特征在于，压力控制方法还包括：

如果所述压力差值的绝对值大于所述第一门限值，且所述压力差值大于零，则使所述升压阀阵列开启、所述降压阀阵列关闭；

如果所述压力差值的绝对值大于所述第一门限值，且所述压力差值小于零，则使所述升压阀阵列关闭、所述降压阀阵列开启；

如果所述压力差值的绝对值小于等于所述第一门限值，则使所述升压阀阵列关闭、所述降压阀阵列关闭。

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