大型民用飛機(jī)自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)研究

費(fèi)思聰

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 液壓部,上?！?01203)

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大型民用飛機(jī)自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)研究

費(fèi)思聰

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 液壓部,上海201203)

摘要為了滿足大型民用飛機(jī)對(duì)乘客舒適度和安全性日益增漲的需求,介紹了一種適用于大型民用飛機(jī)的自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)。文中分析了系統(tǒng)的工作原理以及系統(tǒng)架構(gòu)和方案。同時(shí)研究了基于恒減速率的控制律,提出了系統(tǒng)的控制邏輯,并對(duì)控制邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì),通過利用Stateflow工具建立控制邏輯模型,并進(jìn)行了仿真。全數(shù)字和半物理仿真結(jié)果均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,達(dá)到了預(yù)期的研究目標(biāo)。

關(guān)鍵詞自動(dòng)剎車控制系統(tǒng);恒減速率;Stateflow;半物理仿真

Research on Automatic Braking Control System for Large Civil Aircraft

FEI Sicong

(Hydraulic Unit,Shanghai Aircraft Design and Research Institute,Shanghai 201203,China)

AbstractThe automatic brake control system has become an urgent need to achieve the brake system of civil aircraft for the safety and comfort of passengers.Firstly,the paper introduces the automatic braking control system for large civil aircraft,analyzes the working principle of the system,and plans the structure and scheme of the system.The control rate of the constant rate reduction is studied and the control logic of the system is put forward with the control logic designed and the control logic model built by Stateflow tool.All digital and semi physical simulation results meet the system design requirements and the expected research objectives are achieved.

Keywordsautomatic brake control system;constant reduction rate;Stateflow;semi physical simulation

飛機(jī)剎車系統(tǒng)是一套復(fù)雜的航電系統(tǒng),對(duì)飛機(jī)起飛和安全著陸有著重要影響。飛機(jī)剎車系統(tǒng)的主要功能是完成飛機(jī)起飛、轉(zhuǎn)彎、滑行、著陸等過程中的控制和制動(dòng),快速降低飛機(jī)的速率,從而縮短飛機(jī)滑跑的距離,提高飛機(jī)在著陸過程中的安全性[1]。現(xiàn)代大型飛機(jī)多數(shù)使用數(shù)字式電傳操縱、液壓作動(dòng)剎車系統(tǒng)。由飛行員踏腳踏蹬進(jìn)行飛機(jī)的剎車操作,給出制動(dòng)壓力的時(shí)機(jī)和大小由飛行員憑經(jīng)驗(yàn)把握,對(duì)于大型民用飛機(jī)而言,駕駛員難以在飛機(jī)剎車制動(dòng)的過程中實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的剎車壓力,從而影響降落過程中乘客的舒適性。在特殊的情況下,駕駛員來(lái)不及進(jìn)行剎車操作或者剎車動(dòng)力不足均可能影響飛機(jī)的安全[2]。為解決以上的問題,國(guó)外在大型民用飛機(jī)上開發(fā)了自動(dòng)剎車系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)的腳踏式制動(dòng)方式,飛機(jī)自動(dòng)剎車系統(tǒng)主要具有以下4個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)系統(tǒng)的適應(yīng)性較高,剎車過程平穩(wěn)。飛機(jī)在自動(dòng)剎車過程中采用恒減速率控制,在制動(dòng)過程中自動(dòng)剎車系統(tǒng)通過改變剎車壓力完成對(duì)飛機(jī)的恒減速控制,使飛機(jī)降落平穩(wěn),減少飛機(jī)晃動(dòng),使乘客感到良好的舒適性;(2)降低駕駛員的工作強(qiáng)度;在飛機(jī)進(jìn)行自動(dòng)剎車的過程中,系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生自動(dòng)剎車指令,無(wú)需駕駛員干預(yù);(3)提高了飛機(jī)的安全性能。自動(dòng)剎車有兩著陸模式和起飛模式兩種,無(wú)論在何種模式下,均可由剎車系統(tǒng)在最短時(shí)間下完成對(duì)飛機(jī)的制動(dòng),避免了駕駛員的誤操作等安全隱患,提高飛機(jī)在起飛和降落過程中的安全性;(4)可配合人工剎車選擇使用。駕駛員可通過剎車指令傳感器對(duì)剎車過程進(jìn)行人工控制,此時(shí)自動(dòng)剎車會(huì)解除操作,因此在自動(dòng)剎車的過程中,駕駛員可隨時(shí)進(jìn)行人工的剎車制動(dòng)操作[3]。由于以上特點(diǎn),自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)在國(guó)外民用飛機(jī)上已得到了廣泛應(yīng)用,而在國(guó)內(nèi),自動(dòng)剎車技術(shù)還處于空白狀態(tài)。因此,加快開展對(duì)自動(dòng)剎車系統(tǒng)的研究是有必要的[4]。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)與原理

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

典型的飛機(jī)剎車系統(tǒng)大多是飛機(jī)的電傳防滑剎車,飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)一般主要由剎車指令傳感器、電磁開關(guān)閥、電液壓力伺服閥、防滑剎車控制盒、機(jī)輪速度傳感器和定量器等部件構(gòu)成。電傳防滑剎車的基本原理為:駕駛員剎車時(shí)蹬下腳蹬,剎車指令傳感器搜集到該位移信息,然后輸出該位移的電信號(hào)到防滑剎車控制盒,防滑剎車控制盒根據(jù)輸入的電信號(hào)自動(dòng)計(jì)算出需要給出的剎車電流。同時(shí),機(jī)輪速度傳感器輸出機(jī)輪速度信號(hào)到剎車控制盒,并根據(jù)機(jī)輪滑動(dòng)的狀態(tài)和深淺計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的防滑電流。防滑剎車控制盒對(duì)比剎車電流和防滑電流,綜合兩者的情況輸出控制信號(hào)到電磁開關(guān)閥使電磁開關(guān)閥開啟,電磁開關(guān)閥會(huì)輸出信號(hào)到電液壓力伺服閥進(jìn)行接通進(jìn)油通路的操作。防滑剎車控制盒在此基礎(chǔ)上還會(huì)將對(duì)比綜合后的電流信號(hào)輸入電液壓力伺服閥,產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)力矩,調(diào)整輸出到剎車機(jī)輪的剎車壓力,從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的剎車。

在典型手動(dòng)飛機(jī)剎車的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)剎車選擇開關(guān),相應(yīng)的在自動(dòng)剎車控制盒內(nèi)增加自動(dòng)剎車控制模塊,即可組成飛機(jī)的自動(dòng)剎車控制系統(tǒng),為實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)剎車控制模塊的前端人為控制,引入飛機(jī)的減速板位置、慣導(dǎo)飛機(jī)速度、飛機(jī)縱向加速度以及飛機(jī)油門桿等信號(hào)。圖1是飛機(jī)自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)框圖[5]。

圖1　飛機(jī)自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)框圖

1.2自動(dòng)剎車工作基本原理

自動(dòng)剎車系統(tǒng)的工作基本原理是:駕駛員在起飛或著陸操作前,打開自動(dòng)剎車選擇開關(guān),選擇合適的減速檔位,防滑剎車控制盒中的自動(dòng)剎車控制模塊會(huì)根據(jù)采集到得慣

導(dǎo)飛機(jī)速度、油門桿信號(hào)等,計(jì)算出剎車所需達(dá)到的電流,并結(jié)合自動(dòng)剎車的控制邏輯,在到達(dá)該電流時(shí)立即進(jìn)行剎車操作,并將電流輸出到防滑控制模塊,此后進(jìn)行的剎車操作與電傳式剎車基本相同。不同之處在于,電傳式剎車只能在單一的剎車壓力下進(jìn)行,而自動(dòng)剎車系統(tǒng)可隨時(shí)調(diào)整剎車機(jī)輪的剎車壓力,從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)均勻減速剎車。

2控制律和控制邏輯

2.1自動(dòng)剎車控制邏輯的設(shè)計(jì)

自動(dòng)剎車控制邏輯的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在自動(dòng)剎車的操作開關(guān)上,自動(dòng)剎車的開關(guān)檔位通常包括5個(gè)不同的減速控制檔位、一個(gè)關(guān)閉檔位和一個(gè)中止起飛檔位。當(dāng)駕駛員在不同減速檔位內(nèi)選擇時(shí),自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)均進(jìn)入著陸模式;當(dāng)駕駛員選擇中止起飛檔位,自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)進(jìn)入中止起飛模式;當(dāng)駕駛員選擇關(guān)閉檔時(shí),自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)不進(jìn)行自動(dòng)剎車的操作[6]。

著陸模式下,自動(dòng)剎車控制模塊會(huì)接收到縱向加速度、減速板位置、飛機(jī)油門桿等一系列信號(hào),然后進(jìn)行邏輯判斷。若飛機(jī)處于地面模式、剎車系統(tǒng)未出現(xiàn)故障、飛機(jī)速度正常有效全部擾流板打開等4個(gè)條件全部滿足,則自動(dòng)剎車功能會(huì)自動(dòng)激活。自動(dòng)剎車控制模塊會(huì)比較飛機(jī)和駕駛員選擇減速率的不同,采用恒減速率控制率計(jì)算和處理兩者的信息,然后將恒減速的制動(dòng)過程輸出到防滑剎車控制模塊,防滑剎車控制模塊產(chǎn)生相應(yīng)的剎車電流,送給電磁開關(guān)閥,最終實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的恒定減速。在起飛模式下自動(dòng)剎車控制模塊進(jìn)行的操作與在著陸模式下相同,不同之處則在于進(jìn)行的邏輯判斷。在起飛模式下,只進(jìn)行油門桿是否到慢車位和飛機(jī)速度是否>200 km/h這兩項(xiàng)判斷。

2.2復(fù)合剎車控制律設(shè)計(jì)

實(shí)際應(yīng)用中,飛機(jī)在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剎車功能的同時(shí)還需保留原有的防滑控制功能,因此應(yīng)采用復(fù)合剎車控制律。在系統(tǒng)中,一般將自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)作為前級(jí)、防滑控制作為后級(jí)設(shè)計(jì)。在滿足復(fù)合控制律的條件下,自動(dòng)剎車系統(tǒng)使飛機(jī)均勻減速,而防滑剎車則防止飛機(jī)輪胎爆破、機(jī)輪抱死。圖2為自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)復(fù)合控制律耦合框圖。

圖2　自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)復(fù)合控制律耦合框圖

復(fù)合剎車控制律的具體做法是,采集飛機(jī)的真實(shí)速度信號(hào)去計(jì)算得到的自動(dòng)剎車控制信號(hào)IS2,然后與腳蹬采集的剎車控制信號(hào)IS1按比列進(jìn)行計(jì)算,可得出綜合控制信號(hào)IS。而綜合控制信號(hào)減去防滑控制信號(hào)If,可得到伺服閥控制信號(hào)Ic。由Ic改變輸出到剎車裝置的剎車壓力Ps,進(jìn)而調(diào)整剎車時(shí)的力矩M,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)在復(fù)合剎車控制下的均勻減速剎車。

3Stateflow建模與仿真

3.1Stateflow的原理

具有有限組模式或狀態(tài)的系統(tǒng)稱為有限狀態(tài)機(jī)(Finite State Machine,FSM),有限狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)采用事件動(dòng)的機(jī)制,即當(dāng)特定的事件發(fā)生時(shí),系統(tǒng)會(huì)將當(dāng)前的狀態(tài)切換到另一個(gè)狀態(tài)。Stateflow用可視的狀態(tài)或轉(zhuǎn)移描述FSM系統(tǒng),是有限狀態(tài)機(jī)的圖形實(shí)現(xiàn)。在Stateflow中,用事件組合轉(zhuǎn)移條件控制整個(gè)流程,Stateflow中的圖形界面允許有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法,即用戶建立起有限個(gè)狀態(tài),并用圖形的形式表現(xiàn)出狀態(tài)遷移的條件,從而反映出有限狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)。在系統(tǒng)中,每個(gè)Stateflow模塊均是完全子封裝的Simulink模塊,因此Stateflow模型與Simulink模型是無(wú)縫連接的,仿真時(shí)可直接進(jìn)行切換[7]。

3.2全數(shù)字仿真

在全數(shù)字仿真前,用Matlab中的Simulink工具箱建立大型民用飛機(jī)自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)半物理仿真平臺(tái)的軟件系統(tǒng),然后建立半物理仿真的驗(yàn)證平臺(tái),圖3是自動(dòng)剎車系統(tǒng)半物理仿真驗(yàn)證平臺(tái)。

圖3　自動(dòng)剎車系統(tǒng)半物理仿真驗(yàn)證平臺(tái)

該仿真平臺(tái)能完成自動(dòng)剎車系統(tǒng)的全數(shù)字和半物理仿真,也可通過系統(tǒng)的全數(shù)字仿真和半物理仿真對(duì)自動(dòng)剎車系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化[8]。在全數(shù)字仿真下,給定系統(tǒng)3 m/s2的恒定減速率,對(duì)自動(dòng)剎車系統(tǒng)進(jìn)行仿真,圖4是在全數(shù)字仿真下飛機(jī)速度和機(jī)輪速度。

圖4　全數(shù)字仿真下飛機(jī)速度和機(jī)輪速度

從圖4中可看出,機(jī)輪速度曲線和飛機(jī)速度曲線基本一致,表明機(jī)輪速度可一致地跟蹤飛機(jī)速度的變化。圖5是全數(shù)字仿真下滑跑距離的曲線圖。

圖5　全數(shù)字仿真下滑跑距離的曲線圖

從圖5中可看出,飛機(jī)滑跑距離不到700 m,滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)中滑跑距離不到1 200 m的要求?？煽闯鲈谌珨?shù)字仿真下自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)能較好地滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3半物理仿真

半物理仿真下仍用在全數(shù)字仿真下搭建的平臺(tái),圖6為半物理仿真驗(yàn)證模型。

圖6　半物理仿真驗(yàn)證模型

為便于在仿真現(xiàn)場(chǎng)調(diào)取參數(shù),在Labwindows環(huán)境下設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件,軟件主界面上可進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置,點(diǎn)擊控制盒模式,并將半物理仿真的模型下載到DSP中,進(jìn)行半物理仿真實(shí)驗(yàn)。為了同全數(shù)字仿真進(jìn)行比較,將減速率設(shè)定為恒定的3 m/s2,圖7為在此條件下計(jì)算機(jī)給出的仿真結(jié)果。

圖7　半物理仿真條件下仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明,飛機(jī)在自動(dòng)剎車控制下,減速率為2.88～3.07 m/s2,系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求為2.7～3.3 m/s2;滑跑距離為1 016 m,系統(tǒng)要求為1 200 m,均滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)束語(yǔ)

由于大型民用飛機(jī)對(duì)乘客舒適程度和安全性的要

求日益增高,自動(dòng)剎車系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的剎車系統(tǒng)能較好的滿足要求,因此在大型民用客機(jī)上采用自動(dòng)剎車是必需的。本文對(duì)自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究,分析了自動(dòng)剎車的優(yōu)點(diǎn),介紹了自動(dòng)剎車的原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì),分析了自動(dòng)剎車的控制邏輯以及采用復(fù)合剎車方式下的控制率。并最終在Stateflow下對(duì)自動(dòng)剎車進(jìn)行了全數(shù)字仿真和半物理仿真,仿真結(jié)果滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。綜上所述,自動(dòng)剎車具有廣闊的應(yīng)用前景,研究自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)有利于提高我國(guó)飛機(jī)剎車技術(shù)水平。

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文章編號(hào)1007-7820(2016)03-102-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.026

作者簡(jiǎn)介:費(fèi)思聰(1988—),男,碩士,工程師。研究方向:剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

收稿日期:2015- 07- 16