CN201914232U - 一种飞机自动刹车装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种飞机自动刹车装置，自动刹车选择开关根据不同的选择档位输出不同的目标减速率至自动刹车选择开关采集调理模块，总线信号调理模块通过总线获得飞机的减速率，由目标减速率和飞机减速率控制模块获得目标减速率与飞机减速率的差值后通过刹车电流生成模块输出刹车电流值，机轮速度信号调理模块采集机轮速度信号后由防滑电流生成模块判定是否打滑并生成防滑电流值，由伺服阀驱动电流生成模块根据防滑电流生成模块和刹车电流生成模块的输出值控制刹车油路的切断阀和伺服阀。本实用新型使得刹车系统工作平稳，提高飞机着陆刹车的安全性，减少附件组成，减轻重量，提高基本可靠性及缩短研制周期。

Description

一种飞机自动刹车装置

技术领域

本发明涉及一种飞机刹车装置。

背景技术

自动刹车系统及控制方法在客机中波音系列飞机、空客系列飞机中得到广泛应用。在专利号为5024491的美国专利中，公开了一种包含机轮速度响应控制器的飞机自动刹车系统。使用该系统，在飞机接地后它能自动施加和调节刹车压力，使飞机按照预选的减速率减速。机轮速度信号经机轮速度逻辑电路处理后输入给自动刹车控制电路，当提供的其他信号满足规定条件时，自动刹车控制电路逻辑电路使斜坡发生器电路产生控制信号，该信号与防滑系统并联，将防滑阀驱动电流控制在滑动水平以下，以实现预先选定的飞机减速率。该专利采取的技术方案实现了自动刹车和防滑的综合控制，同时通过系统的配置能够实现人工刹车与自动刹车的切换，具有原理简单、易于实现的特点。另外由于在自动刹车初期及关闭时按照选定减速率以斜坡函数匀速增加或减少刹车压力，当机轮出现打滑时，通过结合防滑控制使得施加在刹车装置上的压力值减小，从而解除打滑，使得飞机刹车初期非常平稳，增加驾驶员及乘客的舒适度。

由于通过斜坡函数达到预选的减速率后，自动刹车系统通过恒压力控制保持刹车压力值不变，考虑到刹车装置的压力-力矩特性为非线性关系，因此该专利采取的控制方式不能保证飞机刹车过程中在无打滑状态下以恒减速率减速，从而会降低乘客舒适度。

此外，目前自动刹车是通过专用的自动刹车系统来实现的，主要包括自动刹车选择开关、自动防滑阀、刹车控制单元及自动切断阀等附件，自动刹车系统与正常刹车系统为相互独立的控制系统，机构繁冗，增加了刹车装置的重量，提高了刹车装置的成本。

发明内容

为了克服现有技术不能在无打滑状态下以恒减速率减速以及机构繁冗的不足，本发明提供一种飞机自动刹车方法，不需要专门的自动刹车防滑阀、自动刹车控制单元、自动刹车切断阀等附件，节约了开发成本，减轻了刹车系统重量，而且能够采取恒减速控制，使得刹车系统工作平稳。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括自动刹车选择开关、刹车控制单元、电磁阀和伺服阀，刹车控制单元包括自动刹车选择开关采集调理模块、总线信号调理模块、机轮速度信号调理模块、目标减速率和飞机减速率控制模块、防滑电流生成模块、刹车电流生成模块和伺服阀驱动电流生成模块，自动刹车选择开关为一组开关组，根据不同的选择档位输出不同的目标减速率至自动刹车选择开关采集调理模块，总线信号调理模块通过1553B总线获得飞机的减速率，由目标减速率和飞机减速率控制模块获得目标减速率与飞机减速率的差值后通过刹车电流生成模块输出刹车电流值，机轮速度信号调理模块采集机轮速度信号后由防滑电流生成模块判定是否打滑并生成防滑电流值，由伺服阀驱动电流生成模块根据防滑电流生成模块和刹车电流生成模块的输出值控制刹车油路的切断阀和伺服阀，由切断阀管理刹车油路的通断，由伺服阀控制刹车油路的压力大小。

本发明工作时包括以下步骤：

第一步、确定目标减速率和飞机减速率的差值。

通过采集飞机惯导系统数据获得飞机的减速率，与设定的希望达到的目标减速率相比较，得到目标减速率和飞机减速率的差值e＝a_o-a_f，其中，a_o为放大100倍后的目标减速率值，a_f为放大100倍后的飞机减速率值。

第二步、确定伺服阀刹车电流。

利用上限幅的增量式PID控制算法通过PID控制参数的设置对e进行调节，使得e值尽可能趋于零。通过PID控制算法后输出刹车控制电压信号，然后根据伺服阀特性通过乘以比例系数将该电压信号转换为伺服阀的刹车电流信号，具体包括以下步骤：

(1)计算PID输出刹车控制电压U_k＝U_k-1+Ae_k+Be_k-1+Ce_k-2

A＝Kp*(1+1/TI+TD)

B＝Kp*(1+2*TD)

C＝Kp*TD

其中，Kp为比例级系数，TI为积分级系数，TD为微分级系数，(其中Kp＝6～15，TI＝0.01～0.5，TD＝0.01～0.9。)U_k-1为第k-1次刹车电压输出值，e_k为第k次刹车的目标减速率和飞机减速率差值，e_k-1为第k-1次刹车的目标减速率和飞机减速率差值，e_k-2为第k-2次刹车的目标减速率和飞机减速率差值。

U₀为目标减速率对应的刹车电压。若U_k≤U_kmin，则U_k＝U_kmin；若U_k≥U_kmax，则U_k＝U_kmax，其中U_kmin、U_kmax分别为U_k的下限和上限。

在实际的工程应用中不同要求的目标减速率U_kmin、U_kmax分别对应不同的值对于低目标减速率时U_kmin＝0～0.5V，U_kmax＝1.1～1.5V；对于中目标减速率时U_kmin＝0～0.5V，U_kmax＝1.4～1.8V；对于高目标减速率时U_kmin＝0～0.5V，U_kmax＝1.7～2.1V；对于中止起飞时刹车使用的对应系统施加最大刹车压力下所能达到的减速率U_kmin＝0～0.5V，U_kmax＝2.6～3.0V；

(2)计算伺服阀驱动电流I_s＝U_k*k_s，其中k_s为刹车电流转换系数，伺服阀装置确定后，k_s即唯一确定。

第三步、确定是否打滑。

根据采集的机轮速度信号值计算出机轮参考速度，当机轮参考速度(也可为前轮机轮速度或飞机速度)减去机轮速度后与机轮参考速度的比值大于30～35％时，即为打滑状态，进入第四步，否则为非打滑状态，防滑电流指为0，进入第五步。

第四步：确定防滑电流。

以机轮参考速度与机轮速度的差值作为输入，通过PD+PBM控制算法输出给综合驱动级，综合驱动级将瞬时级、微分级和PBM级的输出按各自的权值叠加后输出防滑控制电压信号。然后根据伺服阀特性通过乘以比例系数将该电压信号转换为伺服阀的防滑电流信号，该比例系数＝1/(伺服阀线圈电阻值+与伺服阀串联的电阻值)。

在实际的工程中，防滑控制电压需进行上限幅设置，一般上限幅设置为伺服阀的最大输出电流值乘以伺服阀的线圈电阻对应的电压值。

第五步：确定系统刹车压力。

将第二步的刹车电流与第四步的防滑电流作差后作为伺服阀的输入电流，根据伺服阀的输入电流与输出压力成正比的特性，最终得出飞机刹车系统的刹车压力。

在实际过程中，当刹车电流与防滑电流的差值ΔI≤0时，取ΔI＝0；当ΔI＞0时，取ΔI＝I_s-I_f。

第六步、重复执行第二步至第五步，直至飞机完全刹停。

本发明的有益效果是：

1.通过采取恒减速控制，使得刹车系统工作平稳，从而提高机上人员的舒适度；

2.自动刹车的中止起飞功能可实现即时将刹车压力施加于刹车装置上，减少人为原因导致的刹车延迟，从而可提高飞机着陆刹车的安全性。

另外，考虑到除了自动刹车操纵部件自动刹车选择开关外，不需要单独设计其他自动刹车系统附件产品。因此，对于整个飞机刹车系统而言，具有减少附件组成，减轻重量，提高基本可靠性及缩短研制周期等优点。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的装置示意图；

其中，1为自动刹车选择开关、2为刹车控制单元、3为切断阀、4为伺服阀、5为航电或机电计算机、6为1553B总线、7为刹车机轮。

图2是本发明刹车控制单元的组成框图。

具体实施方式

装置实施例：

本发明包括自动刹车选择开关、刹车控制单元、电磁阀和伺服阀，刹车控制单元包括自动刹车选择开关采集调理模块、总线信号调理模块、机轮速度信号调理模块、目标减速率和飞机减速率控制模块、防滑电流生成模块、刹车电流生成模块和伺服阀驱动电流生成模块，自动刹车选择开关为一组开关组，根据不同的选择档位输出不同的目标减速率至自动刹车选择开关采集调理模块，总线信号调理模块通过1553B总线获得飞机的减速率，由目标减速率和飞机减速率控制模块获得目标减速率与飞机减速率的差值后通过刹车电流生成模块输出刹车电流值，机轮速度信号调理模块采集机轮速度信号后由防滑电流生成模块判定是否打滑并生成防滑电流值，由伺服阀驱动电流生成模块根据防滑电流生成模块和刹车电流生成模块的输出值控制刹车油路的切断阀和伺服阀，由切断阀管理刹车油路的通断，由伺服阀控制刹车油路的压力大小。

自动刹车选择开关的选择档位共有五档：LO、MED、HI、OFF和RTO，LO、MED和HI用于着陆刹车使用，分别对应不同的减速率，可根据系统需要制定；RTO用于中止起飞刹车使用，对应系统施加最大刹车压力下所能达到的减速率；OFF用于自动刹车功能关闭。自动刹车选择开关输入信号经光电耦合器隔离后输入至CPU的I/O口进行采集处理。

当自动刹车选择开关档位选定后，需要判断是否满足自动刹车实施条件，当飞机处于着陆刹车模式时，满足以下条件即可实施自动刹车：

1)当轮载信号表明处于“地面”状态，并且飞机速度大于100Km/h；

2)油门杆到慢车位；

3)扰流板打开。

当飞机处于终止起飞模式时，满足以下条件即可实施自动刹车：

1)轮载信号处于“地面”状态；

2)机轮平均速度大于110Km/h(暂定)；

3)发动机油门杆处于慢车状态。

其中油门杆位置信号、扰流板位置信号、飞机速度以及飞机减速率信号是航电或机电系统通过1553B总线发送至刹车控制单元。

驾驶员操作自动刹车选择开关确定某一减速率值，该减速率信号通过硬线传送给自动刹车板，同时自动刹车板采集飞机惯导系统发出的飞机减速率信号，两信号通过电压比较电路调理成电压信号，然后通过减法电路得出两减速率值的差值，该差值作为自动刹车板上PID控制算法电路的输入。

本发明工作时包括以下步骤：

第一步：确定目标减速率和飞机减速率的差值。

自动刹车选择开关按照规范至少设置三个着陆档位，本系统中自动刹车选择开关共有五档，分别为LO、MED、HI、OFF和RTO，LO、MED和HI用于着陆刹车使用，分别对应不同的减速率值，可根据系统需要制定，在实际着陆过程中，驾驶员可进行三个档位的更换选择；RTO用于中止起飞刹车使用，对应系统施加最大刹车压力下所能达到的减速率；OFF用于自动刹车功能关闭。本案例中各档位对应的减速值为：LO＝1.79；MED＝2.33；HI＝3.40；RTO对应最大可用减速率。

首先驾驶员操作自动刹车选择开关确定某一减速率值，该减速率信号通过硬线传送给自动刹车板，同时自动刹车板采集飞机惯导系统发出的飞机减速率信号，两信号通过电压比较电路调理成电压信号，然后通过减法电路得出两减速率值的差值，该差值作为自动刹车板上PID控制算法电路的输入。

第二步：确定伺服阀刹车电流。

如图2所示，利用第一步的输出对PID典型电路中的Kp、TI、TD控制参数进行调节，通过Kp、TI、TD计算得出A、B、C，本案例确定的设计参数分别Kp＝8，TI＝0.2，TD＝0.6。PID典型电路输出后通过比例放大电路得到伺服阀的刹车电压信号。在实际的工程应用中在该输出电路中具有负载电阻，伺服阀的刹车电流通过将伺服阀串联在电压信号输出点与负载电路之间获得。

第三步：确定是否打滑。将采集的机轮速度信号首先通过频压转换电路将频率信号转换成电压信号，然后利用典型的电压比较电路、比例放大电路、减法电路确定机轮参考速度值，参考速度值与机轮速度值通过减法电路、比例放大电路后输出给典型的除法电路，除法电路的另一路输入为参考速度值，当除法电路的输出值大于30～35％时，即为打滑状态，否则为非打滑状态。

第四步：确定防滑电流。

如图3所示，参考速度值与机轮速度值通过减法电路、比例放大电路后输出给比例调节电路将该信号限制在0～5V以内，然后直接进入DSP芯片的A/D采集口，通过C语言编程实现PD+PBM(偏压级)控制算法、综合驱动输出算法通过D/A口输出防滑控制电压信号。与第二步相同，在实际的工程应用中在该输出电路中具有负载电阻，伺服阀的防滑电流通过将伺服阀串联在电压信号输出点与负载电路之间获得。

机轮参考速度计算方程：

$V_r=\left\{\begin{array}{cc}{V}_w& V_r\≤V_w\\ V_r^0-a\·t& V_r>V_w\end{array}\right.$

其中：V_r为基准速度，

为转换点处的机轮速度，V_w为机轮速度，a为参考速度的减速率，a根据跑道条件来确定，一般为0.6～0.8。通常干跑道取0.8。

比较级计算方程：

比较级根据机轮速度与基准速度之差，然后进行比例放大，如下式表达：

ΔV_b＝K_b·(V_r-V_w)

其中：ΔV_b为比较级输出的电压值，K_b为放大系数(10～40)。比较级增益K_b可以调节速度差的放大倍数，在一定范围内可以影响防滑控制的灵敏性，增益越大，灵敏性越高。.

PD+PBM级计算方程：

1.瞬时级(P级)

瞬时级要求当防滑控制级输出大于某一门限时，进行比例放大输出，否则输出为0，公式如下：

$V_p=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&Delta;}{V}_c<\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{pt}}\\ K_p\&CenterDot;(\mathrm{\&Delta;}{V}_c-\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{pt}})& \mathrm{\&Delta;}{V}_c\&GreaterEqual;\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{pt}}\end{array}\right.$

其中：V_p为瞬时级输出，K_p为放大系数(范围值为0.2～6)，ΔV_pt为瞬时级的门限值(范围值为0.02～4)。本级其实是一个带门限的比例环节，门限的设置使系统有一定的抗干扰能力，可解除机轮的较深滑动。

2.微分级(D级)

微分级要求当防滑控制级的输出大于某一门限时，输出与该差值的变化率成正比的电压值，否则输出为0，公式如下：

$V_d=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&Delta;}{V}_c<\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{dt}}\\ K_{d}S/(1+T_{d}S)\&CenterDot;(\mathrm{\&Delta;}{V}_c-\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{dt}})& \mathrm{\&Delta;}{V}_c\&GreaterEqual;\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{dt}}\end{array}\right.$

其中：V_d为微分级的输出电压，K_d为放大倍数(范围值为0.1～10)，T_d为时间常数，其值相当小，ΔV_dt为微分级的门限(范围值为0.2～6)。当时间常数T_d很小时，可以近似认为它相当于一个微分环节(T_d＝0.02)。

3.偏压级

偏压级是控制盒最为关键的一部分，通过对这一级的放电特性来提高飞机刹车效率。PBM级要求，当防滑控制级的输出大于某一门限值时，PBM级的输出应逐步增大，且误差小时增长率小，误差大时增长率大；这样设置的原因是，在机轮打滑较浅但持续时间较长时，说明刹车力矩与结合力矩相差不是很大，机轮速度低于参考速度的量比较小，应使控制盒输出一个缓慢增加的防滑电流，以减少刹车压力，解除机轮长时间的轻度打滑；而当机轮滑移量较大时，速度差也变得很大，随着打滑时间的延长，PBM输出一个快速增大的防滑电流，让机轮脱离深打滑状态；在防滑控制级输出小于该门限值时，本级输出按某一放电规律缓慢降低，即在机轮不打滑时，当机轮速度与基准速度相差很小甚至为零，此时控制盒输出电流完全由PBM级控制，在这种情况下，应该输出一个逐步下降的电流，增大刹车力矩以重新寻找地面最大结合系数，提高系统刹车效率。公式如下：

$V_I=\left\{\begin{array}{cc}{V_{I0}}^{\text{\&prime;}}\text{+\&Integral;}(\mathrm{\&Delta;}{V}_c-\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{IT}1})\mathrm{dt}& 0\&le;\mathrm{\&Delta;}{V}_c-\mathrm{\&Delta;}{V}_m<\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{IT}2}\\ {V_{I0}}^{\&prime;\&prime;}+{\&Integral;K}_{I1}\mathrm{dt}& \mathrm{\&Delta;}{V}_c-\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{IT}1}\&GreaterEqual;\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{IT}2}\\ {V_{I0}}^{\&prime;\&prime;\&prime;}-{\&Integral;\&Integral;K}_{I2}\mathrm{dtdt}& \mathrm{\&Delta;}{V}_c-\mathrm{\&Delta;}{V}_{\mathrm{IT}1}<0\end{array}\right.$

其中：V_I为PBM级的输出电压，V_I0′、V_I0″、V_I0″′均代表状态转换点处的V_I值，ΔV_IT1(范围值为0.1～6)、ΔV_IT2(范围值为0.1～6)为PBM级的门限值，K_I1为升压速度(范围值为0.1～5)，K_I2为放电加速度(范围值为0.1～1)。

4.综合级和驱动级

综合级是把瞬时级、微分级和PBM级的输出按各自的权值叠加，并且限制最大输出；驱动级就是把综合级的电压输出经功率放大并转换成恒流源输出。

V_s＝K_ps·V_p+K_ds·V_d+K_Is·V_I    V_s≤V_sm

I_o＝K_c×V_s

其中：V_s为综合级的电压输出，K_ps为瞬时级的平衡系数(范围值为0.5～1)，K_ds为微分级的平衡系数(范围值为0.01～0.1)，K_Is为PBM级的平衡系数(范围值为0.5～1)，V_sm为综合级的饱和输出值，I_o为综合级的输出，K_c为电流放大倍数(范围值为0.8～1.3)。

从分析可看出，综合级通过改变各级的放大倍数可以分别调节瞬时级、微分级和PBM级对防滑控制作用的大小；驱动级修改放大倍数，可线性的改变整个防滑系统的控制增益，并在此加一非线性饱和环节，对其输出电流作一限制。

第五步：确定系统刹车压力。

将第二步确定的刹车电压值与第三步确定的防滑电压值直接通过典型减法电路后，作为伺服阀地驱动电压，但由于伺服阀属于电流驱动设备，因此在两电压差值输出电路中添加负载电阻，通过将伺服阀串联其中获得驱动电流信号。最后由伺服阀将驱动电流转换为与之成正比的刹车压力信号。

第六步、重复执行第二步至第五步，直至飞机完全刹停。

Claims (1)

1.一种飞机自动刹车装置，包括自动刹车选择开关、刹车控制单元、电磁阀和伺服阀，其特征在于：刹车控制单元包括自动刹车选择开关采集调理模块、总线信号调理模块、机轮速度信号调理模块、目标减速率和飞机减速率控制模块、防滑电流生成模块、刹车电流生成模块和伺服阀驱动电流生成模块，自动刹车选择开关为一组开关组，根据不同的选择档位输出不同的目标减速率至自动刹车选择开关采集调理模块，总线信号调理模块通过1553B总线获得飞机的减速率，由目标减速率和飞机减速率控制模块获得目标减速率与飞机减速率的差值后通过刹车电流生成模块输出刹车电流值，机轮速度信号调理模块采集机轮速度信号后由防滑电流生成模块判定是否打滑并生成防滑电流值，由伺服阀驱动电流生成模块根据防滑电流生成模块和刹车电流生成模块的输出值控制刹车油路的切断阀和伺服阀，由切断阀管理刹车油路的通断，由伺服阀控制刹车油路的压力大小。

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