大型民用飛機(jī)自動(dòng)剎車控制系統(tǒng)研究

劉輝 劉沛

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)。

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。

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(guò)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。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) I S2，然后與腳蹬采集的剎車控制信號(hào) I S1 按比列進(jìn)行計(jì)算，可得出綜合控制信號(hào) I S。而綜合控制信號(hào)減去防滑控制信號(hào)I f，可得到伺服閥控制信號(hào) I c。由 I c 改變輸出到剎車裝置的剎車壓力 P s，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。

3 Stateflow 建模與仿真

3.1 Stateflow 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，F(xiàn)SM），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。

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 1 是自動(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(guò)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。在全數(shù)字仿真下，給定系統(tǒng) 3 m/s 2 的恒定減速率，對(duì)自動(dòng)剎車系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

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 2為半物理仿真驗(yàn)證模型。

圖 2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/s 2。

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。

（作者單位：西安航空制動(dòng)科技有限公司）