飛機液壓制動系統(tǒng)的設(shè)計與仿真研究摘要飛機制動系統(tǒng)的質(zhì)量是飛機能否安全下降的重要組成部分。隨著民用和軍用航空工業(yè)的發(fā)展，對飛機的要求越來越高，防滑制動系統(tǒng)的功能和效率不斷提高，對此的研究和設(shè)計已成為各國的當務(wù)之急。近年來，微電子技術(shù)不斷創(chuàng)新和發(fā)展，微控制器成為市場的主流控制器，這為實現(xiàn)各種復(fù)雜規(guī)則、系統(tǒng)高自動化程度提供了可能，在這種情況下，防滑制動效率可以大大提高。因此，本文研究的數(shù)字電子防滑制動系統(tǒng)是制動系統(tǒng)未來發(fā)展的重要方向。首先，本文分析了制動系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，解釋了制動效率的評價參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上對機身的力和運動過程進行了詳細分析，建立了完整的飛機模型，然后對液壓系統(tǒng)的其余部分進行了相應(yīng)的簡化處理，構(gòu)建了整個防滑制動系統(tǒng)的數(shù)學模型。為了彌補非線性制動系統(tǒng)在低速滑道時使用經(jīng)典PID的不足，設(shè)計了一個新的PBM加FUZZY控制的控制盒，以有效提高各種跑道條件下防滑系統(tǒng)的制動效率。最后，由MATLAB軟件配件SIMULINK建立液壓制動系統(tǒng)的仿真模型，通過比較結(jié)果，獲得系統(tǒng)在干、濕、冰、混合跑道上的參數(shù)性能，如制動扭矩、運行距離、滑移率等，證明設(shè)計的控制箱有效改善了傳統(tǒng)控制的缺陷。關(guān)鍵詞：液壓防滑制動系統(tǒng)、模糊控制、PBM、仿真目錄摘要 IABSTRACT II第1章 緒論 11.1 課題研究背景及意義 11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.1 國外發(fā)展歷史 21.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 31.3 本文研究內(nèi)容 3第2章 剎車系統(tǒng)介紹 42.1 工作原理 42.2 液壓防滑剎車系統(tǒng)組成 42.2.1 機輪調(diào)節(jié)系統(tǒng) 62.2.2 防滑剎車控制系統(tǒng) 72.3 防滑剎車系統(tǒng)性能指標 72.3.1 剎車效率 72.4 剎車距離 8第3章 剎車系統(tǒng)仿真模型 93.1 飛機機體模型 93.2 機輪模型 123.2.1 機輪受力分析 123.2.2 機輪模型 133.2.3 輪胎模型 133.2.4 結(jié)合系數(shù) 143.3 跑道選擇模型 163.4 起落架模型 163.4.1 垂直方向緩沖器模型 173.4.2 起落架縱向剛度模型 183.5 剎車裝置 193.6 液壓系統(tǒng)模型 20第4章 系統(tǒng)控制盒設(shè)計 224.1 飛機防滑剎車系統(tǒng)控制方式 224.2 模糊控制原理 234.3 模糊控制器的設(shè)計 244.3.1 模糊化 244.3.2 模糊規(guī)則建立 254.3.3 模糊推理方式 274.3.4 解模糊化 274.4 控制盒仿真模型的建立 284.4.1 方波級與機輪速度級 284.4.2 基準速度級 284.4.3 比較級 294.4.4 模糊控制級 304.4.5 PBM級 334.4.6 驅(qū)動級 34第5章 仿真結(jié)果分析 355.1 防滑剎車系統(tǒng)總體模型 355.2 仿真環(huán)境簡介 365.3 仿真參數(shù)設(shè)置 365.4 仿真曲線與結(jié)果分析 385.4.1 干跑道 385.4.2 濕跑道 405.4.3 冰跑道 415.4.4 混合跑道 43第6章 工作總結(jié)與展望 446.1 工作總結(jié) 446.2 工作展望 44參考文獻 45

緒論課題研究背景及意義飛機制動系統(tǒng)的好壞是能否保障飛機安然下降的重要部分。根據(jù)統(tǒng)計顯示，飛機在著陸過程中形成的航空事故占全世界所有飛行事故的百分之五十，因此為了減少事故的發(fā)生，提高制動系統(tǒng)防滑安全效率是重中之重。當飛機著陸時，高強度撞擊產(chǎn)生的能量被制動系統(tǒng)吸收，使飛機能夠安全、快速、可靠地制動。目前無論是軍用還是民用航空工業(yè)，都要求飛機有更高的速度，更大的載荷，防滑剎車系統(tǒng)的功用和效率也應(yīng)當隨之提升。為了適應(yīng)飛機的發(fā)展，英美等歐洲國家以及中國都愈發(fā)的重視制動系統(tǒng)設(shè)計和制造。在現(xiàn)實生活中，飛機常在不同地點和各種各樣的天氣條件下起飛和降落，尤其是軍用飛機，往往都在并不理想的條件下運作【18】。例如在濕滑或積水較深，甚至已經(jīng)結(jié)冰，又或凹凸不平的跑道上起飛；同時遇見下雨、低溫等不適宜天氣或者機場周圍有比較大的側(cè)風時時，這更加要求剎車系統(tǒng)能夠在飛機起飛和著陸的過程中迅速響應(yīng)，確保飛機工作的安全可靠性。目前還存在許多針對飛機剎車非線性化的研究【37】。剎車系統(tǒng)無法建立準確的模型，因為多種因素會影響該過程，例如輪胎壓力的大小、跑道的濕滑程度等。目前針對飛機的防滑控制中，經(jīng)典PID帶PBM控制方法比較普遍，該控制措施以參考速度替代飛機速度來求與輪速的速度差，有效的提高了剎車效率，干跑道上可以獲得較好的成果【8】。然而經(jīng)典PID的計算要求能夠構(gòu)建出控制對象的精確模型，對于強非線性的飛機系統(tǒng)，該控制方法會使防滑剎車在低速段（尤其是在雪地和干濕混合跑道上）通常會產(chǎn)生打滑。隨著控制理論的發(fā)展，文獻[10]提出飛機系統(tǒng)是一個非線性且需要高魯棒性的系統(tǒng)，提出了模糊PID+PBM的算法；文獻[12]提出模糊算法；文獻[1]提出迭代算法；文獻[4]提出了自適應(yīng)神經(jīng)模糊算法；文獻[3]在文章中講述了模糊PI+模糊ID完整的設(shè)計過程。綜上可知，目前已經(jīng)有越來越多的新型算法應(yīng)用到飛機剎車控制系統(tǒng)中，經(jīng)典PID算法的缺陷可以得到極大的彌補。在對防滑制動系統(tǒng)進行了全面深入的學習理解后，本文搭建出完整的液壓剎車系統(tǒng)數(shù)學仿真模型，設(shè)計了新的模糊防滑控制箱，在各種跑道上都取得了良好的效果。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外發(fā)展歷史【3】【12】【18】【24】通過科學家們幾十年的鉆研，飛機防滑剎車控制技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進步。第一個防滑制動系統(tǒng)是慣性防滑系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備很高的可靠性，至今仍被多數(shù)國家大量使用，但它也有低效率、長著陸距離和剎車不平穩(wěn)的缺點。美國和英國自20世紀40年代初以來一直在研究電子防滑制動系統(tǒng)，從而想辦法完善原有的缺點，經(jīng)典的MARK系列由此誕生。目前MARK系列最先進的是MARKV型，這是由第一代慣性防滑剎車系統(tǒng)經(jīng)歷了五代的進化而得到的。MARKI型系統(tǒng)中，電磁閥由繼電式開關(guān)進行控制，配備安裝了超速離合器，它屬于一種離合型機械式防滑系統(tǒng)。如果輪胎進入深度打滑狀態(tài)，系統(tǒng)會立即釋放制動力從而迅速解除打滑。它運用慣性傳感器來提取機輪減速度，在沒有經(jīng)過任何模擬或數(shù)字電路的處理下直接將信號傳給控制盒，這會招致防滑剎車系統(tǒng)無法分辨跑道條件及機輪打滑程度，因此該系統(tǒng)的剎車效率較低，1958年第二代飛機剎車系統(tǒng)便被研發(fā)出來。MARKII型不再使用慣性傳感器，而是依靠機輪速度傳感器，還需計算機輪的速度變化率，這可以由差速電路得到，再設(shè)定一個固定的參考減速度作為控制誤差閾值進行控制。該型號將防滑控制律由原來的“開關(guān)式”變成“調(diào)節(jié)式”，當機輪減速度大于閾值時，剎車壓力會降低至恰好不使機輪打滑的值，然后再使剎車壓力緩慢增加，直到減速度再次超過門限，又重新減壓，整個過程重復(fù)進行。這使防滑系統(tǒng)效率有了百分之七十到八十五的提升，并且飛機降落更加平穩(wěn)，同時還增加了接地保護、防機輪加速旋轉(zhuǎn)、防抱死和抗擾動等功能，使系統(tǒng)更加安全強大。上世紀六十年代初，MARKIII型又被推出，【19】在該系統(tǒng)中，閉環(huán)反饋控制被使用，這種控制方法的輸入量是模擬信號，輪速的檢測相對更加精確，還增加了輪胎滑移誤差檢測、壓力偏調(diào)、相位補償?shù)裙δ?。該型號使用了全新的控制律，控制量由原來的速率變化量變成速度誤差變化量，即機輪速度和參考速度的差值。當兩者差值大于零時，制動壓力增大，機輪速度減??；反之，兩者差值小于零時，剎車壓力減小，機輪速度增大。正是由于理論的進步，使它的效率提升到了90%，擁有更加平穩(wěn)的剎車過程。近年來，隨著微電子技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，微控制器越來越成為市場的主流控制，為實現(xiàn)許多復(fù)雜的控制規(guī)律提高了可能性，因此，制動系統(tǒng)未來會向著數(shù)字化的方向發(fā)展。上世紀后期，Hydro-Aire公司將帶微處理器的MARKIV系列系統(tǒng)使用在一些飛機上，如波音757和767【18】，這說明目前數(shù)字式防滑剎車系統(tǒng)已經(jīng)被國外一些飛機采用。四十多年來，為了順應(yīng)飛機發(fā)展的不斷變更以及工程應(yīng)用中不斷提出的新需求，國外防滑剎車控制系統(tǒng)從最初的繼電式開關(guān)控制發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)字式多余度控制，基本可以滿足飛機在各種氣候條件下對剎車系統(tǒng)的需求。國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀通過對英美研發(fā)體系的深入研究和不斷完善后，中國也研制出多種防滑控制飛機制動系統(tǒng)。最初我國采用的是五十年代末期研制的以慣性傳感器為檢測元件的氣壓防滑剎車系統(tǒng)，這也是我國防滑系統(tǒng)發(fā)展歷程的初期。隨后我國研發(fā)出四類電子剎車系統(tǒng)，并相繼投入使用陸續(xù)，這次研發(fā)主要集中于上世紀六十年代末期。目前運十飛機使用的便是仿制美國生產(chǎn)的MARKI的速率系統(tǒng)，這也是國產(chǎn)飛機首次使用自動電子剎車。1970年以后，我國成功研發(fā)出模擬式液壓剎車系統(tǒng)并且實驗情況良好，現(xiàn)配備于我國第二代現(xiàn)役飛機上。十年后差速防滑系統(tǒng)問世。如今在國內(nèi)，只有部分飛機采用了數(shù)字式防滑控制盒，該技術(shù)并未得到廣泛的應(yīng)用，因此，數(shù)字式防滑控制盒的研究仍然是一個重要的方向。本文研究內(nèi)容論文第二章詳細說明了剎車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和工作原理，主要包括以下方面：飛機著陸時，剎車系統(tǒng)是如何工作的；液壓系統(tǒng)中的電液伺服閥；多輪盤剎車裝置；如何評價一個制動系統(tǒng)的好壞等。論文第三章對系統(tǒng)各部分的數(shù)學建模以及如何在MATLAB中搭建模型給出了詳細的講解。論文第四章敘述了如何控制系統(tǒng)，講了模糊控制的理論和處理步驟、PBM的公式和意義，設(shè)計出了新型的防滑控制盒，該控制盒采用了模糊控制+PBM，還使用了模糊控制器，這個控制器是利用MATLAB的工具箱搭建出的。論文第五章是分析仿真實驗的得出的曲線結(jié)果圖。論文第六章是對本文的一個總結(jié)，并描述了飛機剎車系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。剎車系統(tǒng)介紹工作原理在地面剎車時，飛機機輪會出現(xiàn)以下三種運動狀態(tài)：完全滑動。當剎車壓力過大以至于機輪完全剎死時，機輪將沒有旋轉(zhuǎn)運動而是相對于地面滑動，也稱為抱死狀態(tài)。這種情況下對輪胎的磨損非常大，也極易引發(fā)危險事故，因此在實際應(yīng)用中，應(yīng)當避免這類情況發(fā)生。完全滾動。在剎車初期，即當飛機剛剛著陸時，此時還未施加剎車壓力，機輪速度等于飛機速度，在地面上機輪完全自由不受制約的向前滾動。機輪又滾又滑。這就是通常所說的剎車狀態(tài)，系統(tǒng)對輪子施加一定的剎車壓力使其減速最終慢慢停下來。飛機著陸接地后會有一段滑跑，在此過程中，主要依靠剎車時機輪與跑道之間的摩擦力進行減速。摩擦力越大，剎車時的減速率就越大，剎車距離越短，飛機就能在更短的時間內(nèi)可靠剎車。液壓防滑剎車系統(tǒng)組成一般來說，剎車系統(tǒng)會采用氣動或者液壓傳動，兩者擁有一致的剎車原理：飛行員在操縱剎車時會使用不同輕重程度的力，這個力讓調(diào)壓彈簧的壓縮程度不同，這個彈簧位于剎車調(diào)節(jié)器內(nèi)，會使系統(tǒng)對機輪輸出不同的剎車控制力。但氣動剎車動作迅速，剎車部分質(zhì)量較輕，因此常被輕型飛機使用；液壓剎車有更大容積的剎車盤作動腔，可以提高更高的剎車壓力，因此重型飛機上常裝配液壓剎車。本文討論的也是液壓剎車系統(tǒng)。液壓剎車系統(tǒng)的原理圖如下圖2-1所示，飛行員踩下剎車踏板后，剎車閥在受到相關(guān)的剎車信號后進入準備狀態(tài)，另一方面輪速和飛機速度會被傳輸?shù)椒阑刂坪袃?nèi)，經(jīng)過一系列計算后控制盒輸出相應(yīng)的控制電流，伺服閥受到控制盒和剎車閥的雙重控制后輸出對應(yīng)的剎車壓力，并將該壓力傳入剎車裝置中進行剎車：圖2-1液壓剎車系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)由下圖2-2可知，剎車系統(tǒng)可以由兩部分組成：防滑控制盒機輪調(diào)節(jié)：圖2-2飛機液壓防滑剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖機輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)剎車閥和剎車裝置是機輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。剎車閥上有三個噴嘴口：飛機上主油源由進油口連接到閥門；回油管路通過回油口接回，從而形成一個閉環(huán)；剎車口是最重要的一部分，它可以輸出剎車調(diào)節(jié)壓力，從而決定最大力矩。飛行員可以直接控制該調(diào)節(jié)壓力，當飛行員踩下剎車時，主液壓系統(tǒng)會根據(jù)飛行員踩下剎車的力度相應(yīng)的降低油源壓力，使剎車系統(tǒng)得到的總壓力減少，這就限制了剎車調(diào)節(jié)的最大壓力，也表明伺服閥輸出的最大剎車壓力也不可超過對應(yīng)的門限值，剎車裝置的輸入信號有最值，則輸出的最大力矩也有相應(yīng)的峰值。整個系統(tǒng)按照如下方式工作：如果駕駛員不踩剎車，剎車閥就不會輸出調(diào)節(jié)信號，此時剎車系統(tǒng)處于休息狀態(tài)；如果飛行員想要開始剎車，剎車指令一旦發(fā)出后，位于剎車閥內(nèi)部的閥芯會做出相應(yīng)的響應(yīng)并產(chǎn)生輸出壓力，該壓力與飛行員踩剎車的力成正比關(guān)系，減壓彈簧也會做出反應(yīng)，最后的效果是飛行員腳蹬位移越大，剎車壓力越大，這樣可以更加靈活方便的幫助駕駛?cè)藛T判斷剎車情況。如果使用自動防滑控制系統(tǒng)，飛行員只需要限制最大剎車壓力即可，因為控制盒會根據(jù)輪速情況調(diào)整實際輸出壓力，這樣的話，飛行員可以直接一腳將剎車閥踩到底卻不會有急剎的感覺。剎車裝置的功能就是得到剎車力矩，這是由輸入的剎車壓力轉(zhuǎn)化而來的。在目前大部分高噸位飛機會使用組件，也就是把很多個單獨的剎車部件進行組裝，一般將這樣的剎車裝置稱為多圓盤式。該裝置的剎車片有多個動片和靜片，間隔排列的動片與靜片會在剎車時相互擠壓且發(fā)生相對運動，因此會產(chǎn)生巨大的摩擦力，從而使機輪制動。其相關(guān)示意圖如下圖2-3：圖2-3多圓盤式剎車裝置防滑剎車控制系統(tǒng)剎車系統(tǒng)的防滑控制主要是在輪速傳感器和電液伺服閥的配合下，由防滑控制盒來完成?？刂坪惺莿x車系統(tǒng)中最重要的部分，它的主要作用產(chǎn)生防滑電流，并將此電流輸入到伺服閥中來控制輸出壓力，該電流根據(jù)輪速信號進行相應(yīng)的變化?？刂坪袝陲w機打滑時輸出大電流，使剎車力矩減小，從而緩解機輪打滑現(xiàn)象；反之也可輸出一個較小的控制電流，使剎車力矩增大，使機輪速度在規(guī)定時間內(nèi)減小，實現(xiàn)剎車。輪速傳感器是控制盒的輔助，它的功能是檢測飛機的機輪速度。飛機輪速是一個數(shù)字量，輪速傳感器可以將其轉(zhuǎn)化為一個正弦模擬量，該量的頻率同速度成正比，可以有效的反應(yīng)出輪速變化，而只有此正弦信號才是真正被識別。壓力伺服閥相當于防滑系統(tǒng)的功能實現(xiàn)機構(gòu)，它由兩路信號進行控制：一邊是剎車調(diào)節(jié)壓力，這決定了它的最大輸出；一邊是控制電流，這決定了它的真實輸出。當防滑控制盒沒有工作時，它只負責傳輸剎車壓力，此時僅僅起到一個通道的作用；當系統(tǒng)進入防滑控制狀態(tài)后，防滑電流越小，輸出壓力越大；電流越大，輸出壓力越小。防滑剎車系統(tǒng)性能指標剎車距離的意思是飛機需要多遠的距離才能停下來，剎車效率是指當機輪打滑時需要多少時間才能解除打滑，評估剎車性能的好壞實際上就是在考慮這兩個問題。剎車效率通過剎車壓力或結(jié)合系數(shù)等指標參數(shù)都可以得出對應(yīng)的剎車效率，但與實際結(jié)果最貼合的是通過結(jié)合系數(shù)來計算。通常情況下給出如下定義：剎車時，從第一次產(chǎn)生滑動的時間到最后一次剎車松開的時間點之間，計算出該時間段內(nèi)的平均結(jié)合系數(shù)，再將該值與結(jié)合系數(shù)最大值相比。其圖像說明如下圖2-4所示：圖2-4剎車效率計算定義圖中對應(yīng)點的說明如下：A：首次產(chǎn)生滑動的點；E：首次產(chǎn)生滑動對應(yīng)的時間；B：最后一次剎車松開的點；C：末次松剎點對應(yīng)的時間。圖中實線是實驗所得值，將結(jié)合系數(shù)的最大值連起來形成虛線，如下公式可以說明定義：δ=S實S虛×100% STYLEREF1\s2SEQ（）\*ARABIC\s11式中：S實為實線與時間軸所包圍的面積；S若想求解按其他指標所計算出來的效率，只需要將圖中縱坐標轉(zhuǎn)化為對應(yīng)指標，橫坐標不變即可。剎車距離剎車距離指的是飛機從著陸接地開始直至完全停下這一段時間內(nèi)所經(jīng)過的距離，通常該值可由仿真模型直接獲得，其數(shù)學公式如下：s=0tvtdt STYLEREF1\s2SEQ（）\*ARABIC\s1其中：s為飛機的滑跑距離；vt剎車系統(tǒng)仿真模型飛機機體模型外界的許多因素會在飛機滑跑過程中產(chǎn)生影響從而使其運動更加復(fù)雜，例如側(cè)風、左右不對稱的跑道狀態(tài)、舵面不正、不對稱的左右兩側(cè)剎車力矩等，假設(shè)飛機處于如下理想狀態(tài)：假設(shè)發(fā)動機轉(zhuǎn)子的陀螺力矩不會影響，剩余的發(fā)動機推力與飛機速度成一次函數(shù)關(guān)系；飛機不會發(fā)生彈性形變，并且機體質(zhì)量集中在重心；機輪在滑跑過程中不離開地面，機輪形狀只會在豎直方向上發(fā)生變化；；在滑跑過程中沒有側(cè)風使飛機發(fā)生水平方向上的偏移，左右兩邊擁有完全相同的跑道狀況，只考慮飛機向前加速、垂直方向上的運動和圍繞重心產(chǎn)生的俯仰運動；受到剎車控制的機輪擁有完全相同的性能，系統(tǒng)可以同時控制左右兩邊的機輪。飛機在降落剎車過程中的受力示意圖如3-1所示：圖3-1飛機滑跑受力示意圖由圖可知，飛機在滑跑時受到的力由下表3-1所示：表3-1飛機受力示意圖受力方向受力名稱代表符號航向受力情況發(fā)動機剩余推力T空氣阻力F阻力傘阻力F主輪地面結(jié)合力f前輪地面結(jié)合力f垂直受力情況飛機重力G空氣升力F主輪支撐力N前輪支撐力N以上力的計算公式為：T0=T+Kv?v STYLEREF1\s3Fs=12ρCsSV2 Fxs=12ρCxsSsV2f1=μ1N1 STYLEREF1\s3SEQ（）\*ARABIC\s14f2=μ2N2 STYLEREF1\s3SEQ（）\*ARABIC\s15Fy=12ρCySV2 STYLEREF1\sμ1、μ在得到以上受力分析之后，根據(jù)牛頓第二運動定律和轉(zhuǎn)動定律可得：T0?Fs?Fxs?f1?f其中各參數(shù)說明如下表3-2所示：表3-2飛機各參數(shù)解釋說明參數(shù)符號含義說明M飛機質(zhì)量a航向方向加速度a垂直方向加速度?阻力傘懸掛點相對于飛機水平軸上移距離K發(fā)動機推力系數(shù)I轉(zhuǎn)動慣量ω角速度求導(dǎo)得到加速度b前輪中心到飛機重心的水平距離?發(fā)動機推力線相對于飛機水平軸下移距離C滑跑時阻力傘阻力系數(shù)C滑跑時飛機阻力系數(shù)C滑跑時飛機的升力系數(shù)a主輪中心到飛機重心的水平距離S機翼面積S阻力傘面積綜上，在SIMULINK中得到模型如下圖3-2、圖3-3：圖3-2機體受力模型圖3-3機體運動模型機輪模型機輪受力分析飛機機輪著陸制動時的受力狀況如圖3-4所示：圖3-4機輪制動時的受力狀況由圖可知，在飛機制動過程中，伺服閥會向機輪輸出剎車壓力，動盤和靜盤在該力的作用下會產(chǎn)生剎車力矩Ma，這個力矩是由兩盤相互擠壓摩擦而成，由于它與機輪角速度方向相反，因此會阻礙機輪滾動。此時，靜摩擦力Xb形成，這是由于機輪與地面的接觸面間即將出現(xiàn)相對滑動，結(jié)合力矩Mb=Xb×Rg STYLEREF1\s3SEQ（）\*ARABIC\s1剎車力矩會受到剎車盤的結(jié)構(gòu)形狀、參數(shù)大小影響，無法用公式精確描述。滾動力矩與剎車力矩成線性正比關(guān)系，但并不會無限增加，二者在一定限度內(nèi)保持平衡。若超過平衡閾值，剎車力矩將會大于結(jié)合力矩，機輪就停止向前滾動。機輪模型剎車力矩和結(jié)合力矩共同影響著機輪，忽略其他因素，由機輪轉(zhuǎn)動慣量公式可得：ajiao=1JTjie?Ts?a+Vlun式中，ajiao為機輪角加速度；J為單個機輪轉(zhuǎn)動慣量；Vlun是機輪線速度；Rg為輪胎滾動半徑；滾動半徑的計算如下：Rg=Ri?N1?Kσ4 式中：Ri為機輪自由狀態(tài)下的初始半徑；N1為機輪徑向載荷；這里引入滑移率，概念如下：剎車機輪線速度與飛機速度（自由機輪的線速度）的差值與機輪線速之間的比：σ=Vlun?ωRgVlun STYLEREF1\s3變形可得：σ=1?ωRgVlun STYLEREF1\s3SEQ（）\*ARABIC\s112分析公式：沒有滑移率時，飛機速度等于機輪速度；滑移率越大，說明兩速度差越來越大；滑移率等于1，機輪抱死。輪胎模型在剎車時如果想判斷輪胎有沒有接觸到地面，就看是否有輪胎徑向壓縮量，其公式為：?δ=R?cosα?d STYLEREF1\s3SEQ（）\*ARABIC\s1參數(shù)解釋：?δ為輪胎壓縮量；R為自由滾動時輪胎半徑；α為機輪滾轉(zhuǎn)角；d為機輪軸心與地面之間的距離。當?δ≥0，輪胎出現(xiàn)壓縮時，才能夠被判斷為接地。為了更好模擬輪胎實際情況，將其簡化為彈簧阻尼系統(tǒng)，其受力公式如下：N=Kδ?δ+Cδ?δ STYLEREF1\s其中：Kδ：輪胎剛度系數(shù)；CKδ=6AmaxDe2?2PmaxAmax：吸收功量最值；Pmax：最大壓縮力；結(jié)合系數(shù)飛機剎車時，縱向結(jié)合系數(shù)會影響剎車效率和剎車距離?；坡屎惋w機速度兩者是影響結(jié)合系數(shù)的關(guān)鍵。下圖3-5可以直觀看出兩者影響：圖3-5不同飛機速度時σ?μ曲線（V1>V2>V3）在建模時，通常假設(shè)飛機速度一定，再討論結(jié)合系數(shù)與滑移率之間的關(guān)系。因此，理想條件下，兩者關(guān)系可用下表3-1公式來表示：表3-1不同跑道下σ?μ數(shù)學模型跑道類型擬合模型干跑道μ濕跑道μ冰跑道μ兩者關(guān)系如下圖3-6所示：圖3-6不同跑道下σ?μ曲線最終建立的主機輪和前機輪模型如下圖3-7，圖3-8所示：圖3-7主機輪模型圖3-8前機輪模型跑道選擇模型跑道的選擇實際上就是對滑移率和結(jié)合系數(shù)間不同函數(shù)關(guān)系的選擇，本次設(shè)計中跑道分為單一跑道和混合跑道。單一跑道是指在飛機剎車過程中，跑道狀況不發(fā)生變化，例如一開始設(shè)置的是干跑道，則在整個剎車過程中飛機都將在干跑道上進行滑跑，這也意味著結(jié)合系數(shù)和滑移率之間的關(guān)系不會發(fā)生變化；混合跑道相對來說更加符合實際情況，指的是在飛機滑跑時跑道狀況會發(fā)生改變，例如在下雨后，某一段路很濕滑，屬于濕跑道；而另一段路可能已經(jīng)干掉，屬于干跑道。在本文中混合跑道分為三段，可以自行設(shè)置在不同時間段內(nèi)跑道的種類，這樣的設(shè)計使得該剎車系統(tǒng)更加貼合實際，從而有更大的實用范圍。圖3-9跑道選擇模型起落架模型飛機主體依靠起落架和機輪連接，它的存在可以改善飛機垂直和橫向的受力情況。以下是主要作用：1）著陸時飛機與地面會產(chǎn)生碰撞，從而有很大的能量釋放，這些能量可以被起落架吸收；2）可以作為一個支架，支撐起飛機；3）機體在地面上轉(zhuǎn)彎困難，起落架可以進行協(xié)助；4）飛機撞擊地面會引起振動，起落架可以緩沖，從而讓人感到更加平緩。在飛機著陸至剎停的過程中，輪子與地面相互運動產(chǎn)生摩擦力，這個力與機體之間，便是通過起落架進行傳輸。另一方面，機輪也會受到起落架的制約，起落架會在一定時間內(nèi)重復(fù)進行前后運動，機輪速度也會隨之波動，這種現(xiàn)象很影響剎車系統(tǒng)的控制，因為波動的輪速會導(dǎo)致波動的速度差。起落架受到的力非常復(fù)雜繁多，目前還無法建立完整的數(shù)學模型，一般會進行簡化。忽略扭力矩，只考慮橫向和垂直方向的作用力，則起落架可在這兩個方向上分別簡化為一個二階阻尼振蕩環(huán)節(jié)，將此等效為橫向剛度和緩沖器特性。圖3-10起落架的簡化模型垂直方向緩沖器模型緩沖器的主要作用是吸收能量，它會在垂直方向上產(chǎn)生對載荷變化的影響。一般用下圖5-2來表示其特性。圖3-11緩沖器原理圖于是可以得到簡化后的起落架力學特性方程：N主=K主X主+C主X主N其中：N主：主緩沖器對機體支撐力；K主：主緩沖器剛度系數(shù)；X主：主緩沖器受到壓縮后的變化量；C圖3-12緩沖器仿真模型起落架縱向剛度模型起落架主要會產(chǎn)生水平方向的位移和可以忽略的角位移。用一個二階方程來擬合起落架橫向剛度模型：1K01Wn2S2+2KSNW式中K0ds：水平位移；Wnf1KSN根據(jù)起落架的位移可以求得起落架的速度，公式如下：dV=ddt(?ds) STYLEREF1\s3SEQ（）\*ARABIC\s118dV：起落架水平振動的速度；圖3-13橫向剛度仿真模型剎車裝置剎車裝置是剎車系統(tǒng)的終端執(zhí)行部件，位于機輪輪轂內(nèi)，由該裝置產(chǎn)生使機輪減速的剎車力矩。如果系統(tǒng)停止輸出剎車壓力，這時就應(yīng)該沒有任何力矩遺留，為了做到這一點，動盤和靜盤必須在要求的時間內(nèi)分開，而這必須依靠活塞回力彈簧來實現(xiàn)。如果系統(tǒng)此時不打算剎車，動靜兩盤就不必緊靠在一起，可以回力彈簧得彈性將靜盤推開，并且由于該彈簧的存在，動靜兩盤之間會保持安全距離，從而防止誤剎。在飛機真正想要制動的過程中，活塞的運動中會存在一段空行程，指它會先遇到彈簧，則必須先克服彈簧的力，經(jīng)過這段阻礙后，才能與動靜盤接觸。因此，剎車裝置的力矩不是簡單的線性關(guān)系，而是一個帶死區(qū)的三線滯環(huán)?；钊招谐毯蛷椈深A(yù)緊力致使剎車裝置的靜力矩特性出現(xiàn)死區(qū)，加之很多其他因素如活塞摩擦力等原因使該特性曲線形成了一個比較特殊的帶死區(qū)的三線滯環(huán)。根據(jù)相關(guān)試驗，建模如下【24】：M等式中系數(shù)值計算如下：k1=Msmpm?p0 STYLEREF1\s3k2=Msmpl?p0 STYLEREF1\s3另外：Msm為剎車裝置給出的力矩最大值；pm為最大剎車壓力；最終裝置的仿真模型如圖3-14所示：圖3-14剎車裝置三線滯環(huán)仿真模型液壓系統(tǒng)模型電液壓力伺服閥是決定液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的主要因素，該器件自身內(nèi)部也存在一定的反饋，但在飛機剎車控制系統(tǒng)中沒有得到使用。通常情況下，控制盒中也會存在速度等變量的閉環(huán)反饋回路，該回路幫助控制盒分析并輸出控制電流，真正輸出壓力是依靠伺服閥噴嘴來實現(xiàn)的，該噴嘴是否開合以及張開的大小程度由上一級輸出的電流決定，而開合程度又與輸出壓力大小息息相關(guān)，通過級與級之間的相互影響，就可以實現(xiàn)剎車的自動控制。本文對液壓系統(tǒng)的建模重心并不在于其具體的結(jié)構(gòu)，因此并未詳細分析各部分的作用效果和工作狀態(tài)。此次對液壓系統(tǒng)的建模，只是為了完成整個液壓剎車系統(tǒng)的搭建，因此在簡單分析討論其物理性質(zhì)后，在不影響結(jié)果的程度上，將系統(tǒng)做出了重要的簡化。只考慮系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的兩部分：液壓閥（輸出壓力的真正執(zhí)行機構(gòu)）和管道（油源、壓力等的傳輸通道）。這種簡化的模型不再要求完整的搭出泵、閥門等具體部件，使工作量得到了最大程度上的減輕，并且最后仿真的效果與真實情況并不會有很大的差異在經(jīng)過細致分析后，整個液壓系統(tǒng)的特性與一個三階系統(tǒng)的參數(shù)類似。在日常的工程應(yīng)用中，二階系統(tǒng)就可以對伺服閥進行描繪：Gs=1S2+2εωnS+ω根據(jù)飛機剎車的實驗數(shù)據(jù)，由自控理論相關(guān)公式可計算出ωn和εGs=1S2+12.7728S+314.7076 STYLEREF1\s3用慣性環(huán)節(jié)來描述管道的特性：Gs=KTS+1 STYLEREF1\s3SEQ（）\*ARABIC\s124輸入量控制電流與輸出量壓力之間是近似的線性關(guān)系，兩者的對應(yīng)關(guān)系并不是從零開始的，在電流是0-4mA時，沒有相關(guān)的輸出。該死區(qū)特性很好描述，直接用一個三相開關(guān)即可。三相開關(guān)的門限電流設(shè)置為4mA，如果輸入電流小于門限值時，開關(guān)相當于斷開，即輸入的控制電流為0；而僅當輸入電流滿足門限要求時，才使用真實傳輸?shù)碾娏鲾?shù)據(jù)代入至電流與壓力的計算公式中計算。通過分析實際飛機剎車系統(tǒng)中防滑控制電流和輸出剎車壓力可知，電流的取值范圍是0-40mA，剎車壓力范圍是0-10Mpa，且二者為反比關(guān)系，由此很容易得到如下一次函數(shù)：P=kI+b STYLEREF1\s3SEQ（）\*ARABIC\s125根據(jù)已知的數(shù)據(jù)點求得k、b后，便得到了電流與剎車壓力之間的靜態(tài)模型。建模時還需要考慮最大壓力問題，在此以一個飽和函數(shù)來模擬，另外考慮1MP的損失，建模中采用了“死區(qū)特性”進行等效。綜合考慮以上因素，最終得到的液壓系統(tǒng)SIMULINK仿真模型如下：圖3-15液壓系統(tǒng)模型圖3-16伺服閥與管道模型系統(tǒng)控制盒設(shè)計飛機防滑剎車系統(tǒng)控制方式目前國內(nèi)外已裝備的制動系統(tǒng)主要有：（1）電流脈沖輸入式；（2）機輪打滑監(jiān)控式。下面對兩類系統(tǒng)進行簡略的介紹。對于第一類，在工作開始前，會給系統(tǒng)提前設(shè)置好周期時間，因此剎車工作時，只需要按照預(yù)設(shè)時間，周期性循環(huán)輸入防滑電流即可，一直到飛機停下，與周期性的脈沖輸入類似。這類系統(tǒng)只按照預(yù)設(shè)情況去剎車，因此效率很低，因為它沒有考慮到實際剎車過程中機輪的打滑情況，現(xiàn)在基本上已經(jīng)沒有飛機再使用該系統(tǒng)了。監(jiān)控式剎車系統(tǒng)中配備了各種變量對應(yīng)的傳感器，可以在整個制動過程中隨時監(jiān)測飛機各參數(shù)的變化，它的控制盒能夠參照機輪打滑的程度來改變輸出。由于系統(tǒng)有不同的控制量，目前比較常見的有三種被控量：滑移率、減速度和速度差。對于控制滑移率的系統(tǒng)，當控制過程初期，結(jié)合系數(shù)很小，滑移率也很小。當滑移率不斷增加時，系數(shù)也成正相關(guān)的增加，此時說明機輪速度減小的越來越慢，就應(yīng)該輸出大的剎車壓力；但當滑移率增大至超過最佳滑移率時，此時具體表現(xiàn)為結(jié)合系數(shù)與之變成負相關(guān)，那么應(yīng)當迅速停止輸出剎車壓力。想要得到較為準確的防滑控制，計算過程中飛機速度常用自由滾動前輪的速度代替，并且要求得準確的滑移率與結(jié)合系數(shù)之間的變化曲線。對于控制減速度的系統(tǒng)，當機輪減速率一旦大于事先設(shè)定好的門檻，系統(tǒng)默認機輪處于非正常運動狀態(tài)，此時會停止剎車。例如，MARKII防滑系統(tǒng)中，機輪速度傳感器將機輪速度信號傳送給控制器，只有當減速率處于門限值和最大減速率之間時，系統(tǒng)才會由功放正常進行控制。否則如果有極端情況，例如減速率小于最低值或超過最大減速率時，系統(tǒng)將采取防滑措施。第三類系統(tǒng)控制量是參考速度與受剎機輪線速度的差值。壓力偏調(diào)使該系統(tǒng)可以很快的適應(yīng)跑道的變化，但在低速段存在嚴重機輪打滑現(xiàn)象，且該控制方式在干跑道上有較好的性能，其它跑道上性能較差，因此還有很大的改進空間。針對這幾種控制方法，NASA做了相應(yīng)的對比試驗，其結(jié)果如下表4-1所示：表4-1剎車效率對比圖名稱跑道不同計算方法下的剎車效率剎車力矩結(jié)合系數(shù)剎車壓力減速率式干跑道0.830.810.85濕跑道0.670.660.69滑移率式干跑道0.930.940.89濕跑道0.750.810.70滑移速度式干跑道0.930.910.91濕跑道0.710.680.70根據(jù)上表可得，干跑道上慣性防滑式效率明顯最低；在濕跑道上，慣性防滑式略勝一籌，但從結(jié)合系數(shù)方面考慮卻是滑移率式的效率最佳?？偟膩碚f，滑移速度系統(tǒng)是目前剎車系統(tǒng)中效率最高的，并且對跑道狀況有很強的適應(yīng)力，本文主要采用滑移速度控制式的控制方法。模糊控制原理模糊理論于1965年由美國科學家Zadeh提出，盡管模糊邏輯和模糊數(shù)學到目前為止只發(fā)展了短短幾十余年，但其理論和研究都已經(jīng)取得了豐碩的成果。在康托創(chuàng)立的經(jīng)典集合論中認為所有事物和概念的邊界都是明確的。但是如果按照人類的思想方式，很多事物沒有辦法劃分邊界，因此引出模糊概念。這些概念不能百分百的用某個集合來區(qū)分，它的元素符合概念的程度是介于0和1的一個實數(shù)。下圖4-1所示是一個模糊控制器的典型結(jié)構(gòu)：圖4-1模糊控制器原理圖該模糊控制器為一個雙輸入單輸出模糊控制器，圖中r在本文中指設(shè)定的參考速度，與系統(tǒng)輸出值進行運算后得到e和e’，在本文中分別指比較級產(chǎn)生的速度差和速度差變化率，兩者經(jīng)過模糊化后變成了E和EC，這也是模糊控制器真正的輸入變量；在進行了一系列的模糊推理和解模糊后得到的模糊集合U是反映控制量變化的一維輸出。模糊控制器的設(shè)計想要設(shè)計一個模糊控制器，一般有以下四步：確定輸入輸出變量，在工程中，這些變量大多是數(shù)字量，因此還需要對這些量進行轉(zhuǎn)化并找到對應(yīng)的隸屬函數(shù)。知識庫。規(guī)則庫給出由語言變量描述的規(guī)則集合；數(shù)據(jù)庫負責離散化和量化語言規(guī)則論域。推理決策。分析知識庫的信息，模擬人腦推理。精確化。取出模糊集合中最符合模糊推理結(jié)論的精確值。模糊化1.確定輸入輸出變量通過對機輪速度與基準速度之間的滑動量?V(E)和打滑量變化率?V'(EC)進行分析，控制伺服閥的電壓U，這是此次控制的基本思想。則：?V=Vwd?Vw STYLEREF1\s4SEQ（）?V'=dVwdt STYLEREF1\s4SEQ（）\*ARABIC\s1其中，Vwd=Vr??V2.確定變量詞集變量的詞集指在條件語句中描述輸入輸出變量狀態(tài)的一些詞語（如“正”、“零”、“負”、“大”、“中”、“小”等），將其互相組合可形成如下七個詞匯：{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}因此，輸入變量的語言詞集可按照上述詞匯的英文縮寫來表示：差值E={NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}；變化率EC={NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}；輸出電壓U={NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}。3.選擇隸屬函數(shù)選取規(guī)則是：重合度不能過小，否則不能保證模糊控制高魯棒性的優(yōu)點；也不能過大，這是為了保證控制器靈敏度較高。故兩個輸入變量取高斯型曲線作為隸屬函數(shù)，這是由經(jīng)驗所得，公式如下：μx=exp?[?x?c2σ2] STYLEREF1\s4SEQ輸出變量的隸屬函數(shù)取為三角型，公式如下：μx=x?ab?aa<x<b該函數(shù)由三個參數(shù)決定，這三個參數(shù)只影響直線的形狀。最后需要確定變量的值域。值域的確定采用試驗加仿真相結(jié)合的方式，先根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)找到大致范圍，再通過仿真修訂所測得的范圍，重復(fù)以上過程，直到結(jié)果滿意為止。以下為此次所取得值域：差值E[-2,2]；變化率EC[-100，100]；輸出電壓U[0,40]。模糊規(guī)則建立設(shè)計模糊控制器最重要的一步就是建立對應(yīng)的規(guī)則。本次規(guī)則是根據(jù)飛行員的經(jīng)驗和進行大量模擬實驗后，通過分析下圖一條典型伺服相應(yīng)曲線上的特殊點（例如峰值點或期望值點），并采用模糊理論創(chuàng)始人Zedeh提出的推理合成規(guī)則來得到的。圖4-2典型伺服相應(yīng)曲線最后得到的控制經(jīng)驗表如下表所示：表4-2模糊控制規(guī)則RuleNO.eeu1NBZENB2NMZENM3NSZENS4ZEPBPB5ZEPMPM6ZEPSPS7PBZEPB8PMZEPM9PSZEPS10ZENBNB11ZENMNM12ZENSNS13ZEZEZE14NBPSNM15NSPBPM16PBNSPM17PSNBNM18NSPSZE19PSNSZE模糊推理方式模糊控制中的規(guī)則通常來自于專家的經(jīng)驗知識，通常情況下，會使用and來連接各個模糊條件語句，使用的描述結(jié)構(gòu)如下：IF（X是AandY是B）THEN（Z是C）這種推理方式叫做廣義肯定式推理，是最為常用的方式，它先是對系統(tǒng)的過程狀態(tài)進行評估分析，再按照輸入輸出之間對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系輸出控制量進行控制。本文采用Mamdani法，其推理過程如下：若已知x=x0，y=μeZ=ω1∧μc1Z∨ω2ω1=μA1x0∧μB1y0 ω2=μA2x0∧μB2y0 合成方法采用最大最小法，計算方便。解模糊化當把控制量作用于執(zhí)行機構(gòu)時，需要先把得到的模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，因為對于實際的控制運算，模糊量是無法被識別的，而這個過程就是解模糊化。本次采用加權(quán)平均法，也叫面積重心法（centroid）。這是應(yīng)用最為普遍的一種方法，它取μcz0=dfz=abzμC'zdza若論域離散，則：z0=df=i=1nziμC''zi對模糊控制器進行輸入時，由于系統(tǒng)輸入范圍和控制器的值域范圍有所差異，它不能直接識別系統(tǒng)的實際輸入量，所以應(yīng)當做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，這個轉(zhuǎn)化的過程就被稱作輸入量化。量化輸出則是在求得清晰值z0后，對其進行比例的放大或者縮小。例如，若[a，b]是控制器輸出變量z0的變化范圍，實際系統(tǒng)需要的控制輸出量u的范圍是[A，u=A+B2+k(z0?a+bk=B?Ab?a STYLEREF1\s4SEQ（）\*ARABIC\s1式中，k為比例因子。一般來講，如果偏差變化量因子設(shè)置很大，可以幫助減少系統(tǒng)超調(diào)量，但會增加系統(tǒng)響應(yīng)時間；偏差量因子增加可以增強系統(tǒng)控制精度，但也會增加系統(tǒng)超調(diào)量。輸出量的比例因子越小，系統(tǒng)響應(yīng)時間越長；但如果過大會引起系統(tǒng)振蕩。比例因子和量化因子稍加改變，便會對模糊控制器的控制效果有很大的影響，因此這些參數(shù)的選擇不是唯一的，應(yīng)當選取最適合系統(tǒng)的?？刂坪蟹抡婺Ｐ偷慕⒖刂坪惺谴舜卧O(shè)計的關(guān)鍵，它主要由六個部分的仿真模型構(gòu)成，下面會對每個部分一一進行說明。方波級與機輪速度級這兩級常常一起表示，屬于控制盒的第一部分。該環(huán)節(jié)常用一個慣性環(huán)節(jié)和一個比例環(huán)節(jié)來表示，如圖4-3：圖4-3方波級與機輪速度級模型這一級的輸入是來自于機輪速度傳感器的輪速信號，這個輪速信號是近似正弦，需要通過相關(guān)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為方波信號，方波與正弦波頻率相同，均與輪速成正比，這便是方波級的作用。而機輪速度級則是把方波信號轉(zhuǎn)化為幅值與方波頻率成正比的直流電壓信號?；鶞仕俣燃壆旓w機在滑跑時，目前還沒有技術(shù)手段能夠準確實時的測量和傳輸其瞬時滑跑速度，為了彌補這一缺陷，基準速度被提出應(yīng)用在實際系統(tǒng)中。該速度按照如下要求來設(shè)計：如果機輪速度還未超過基準速度時，令基準速度逐漸降低，其降低的速率則是按照某一個固定的減速度，該減速率對系統(tǒng)控制效果來說是一個非常重要的參數(shù)，它的值通常會大于飛機實際的減速率。如果輪速一直增加至超過了基準速度，則直接以上時刻輪速作為基準速度，這樣設(shè)置便會讓過大的輪速慢慢降下來。用公式可表達為：Vre=VwVre≤VwVre0?式中定義如下：Vre為基準參考速度；Vw為機輪速度；Vre飛機速度不可直接設(shè)定為基準速度，如果這樣設(shè)置，會使系統(tǒng)不斷解除打滑，工作頻率很高，從而帶來不穩(wěn)定的防滑控制，因此應(yīng)當按照以上方式進行設(shè)置。參考速度減速率的設(shè)置會直接影響防滑效果，若設(shè)置偏大，參考速度會在很短的時間內(nèi)迅速下降，使比較級輸出的速度差偏小從而輸出較大剎車力矩，可能加深打滑，同時也無法給控制盒足夠的時間做出反應(yīng)；若設(shè)置偏小，參考速度會下降很慢，比較級輸出的速度差會很大且持續(xù)時間很長，則控制盒會長時間輸出高頻震動的大電流，最終伺服閥相應(yīng)跟不上，也無法實現(xiàn)理想的剎車壓力，從而會降低工作效率。因此，應(yīng)當根據(jù)跑道的不同情況做出相應(yīng)的調(diào)整，通常取0.6～0.8。本級仿真如下圖4-4所示：圖4-4基準速度級模型比較級基準速度級的輸出會同輪速一起送至比較級進行比較，并產(chǎn)生速度差信號，之后再將該速度信號進行相應(yīng)的成比例放大，而這也是真正傳入控制盒進行控制的信號。?Vb=Kb?(Vr?Vw) STYLEREF1\s其中：?Vb：比較級輸出電壓；雖然比較級很簡單，但它在一定程度上可以影響控制盒的靈敏度，通過調(diào)節(jié)比較級增益可以調(diào)節(jié)速度差的放大倍數(shù)，增益越大，靈敏度越高。該級模型如下：圖4-5比較級模型模糊控制級1.定義輸入輸出變量 在使用SIMULINK中FIS模糊控制器模塊前，需要在MATLAB主界面中對其進行編輯，這樣才能賦予控制器相關(guān)的功能。直接輸入fuzzy便可以喚醒FIS編輯器，它幾乎可以完成模糊控制所有過程的編寫，例如選取最合適的隸屬函數(shù)、根據(jù)制定的規(guī)則表編寫模糊規(guī)則等。在里面還可以直接設(shè)置模糊變量名稱、個數(shù)、系統(tǒng)推理類型和解模糊方法等，是一個高效的模糊控制器設(shè)置工具。圖4-6FIS編輯器2.選擇隸屬函數(shù)通過前文的分析可知，輸入變量對應(yīng)高斯型函數(shù)，輸入變量使用三角形。在對其隸屬函數(shù)進行編輯時，只需要雙擊主編輯器中想要編輯的變量方框，在type中可以直接對它們的隸屬函數(shù)進行選擇。圖4-7FIS變量編輯界面雙擊需要編輯的變量，確定該變量的量化等級范圍；并根據(jù)設(shè)定的語言詞匯個數(shù)相應(yīng)的增加隸屬函數(shù)數(shù)量。圖4-8隸屬函數(shù)編輯界面3.控制規(guī)則輸入點擊中間的規(guī)則方框進入規(guī)則編輯器，根據(jù)上文列出的規(guī)則表一一進行編輯。圖4-9規(guī)則編輯器4.規(guī)則查看器在模糊規(guī)則被編輯好后，MATLAB還提供了對規(guī)則的圖形檢測功能。在以下界面中的Viewrules可以查看已經(jīng)編輯好的規(guī)則。該工具將規(guī)則以圖形來直觀的顯示，通過移動兩個輸入的紅線，可以點亮被紅線穿過的圖形，當某條規(guī)則語句對應(yīng)的兩個輸入變量圖形都被點亮時，該語句輸出變量的圖形也會相應(yīng)的亮起，這意味著可以人為的指定輸入量，來檢查輸出量是否得到想要的結(jié)果，這樣便可以查看規(guī)則是否合理。圖4-10規(guī)則查看器5.輸出預(yù)覽FIS還提供了直接觀測三維坐標圖的功能。MATLAB可以自動對模糊決策進行矩陣運算，并對結(jié)果進行解模糊，將解模糊得到的結(jié)果在三維坐標圖上一一表示出來并得到下圖。在下圖4-11中可以看出，三個上文所定義的模糊量都可以在該坐標圖中顯示出來，E，EC分別對應(yīng)x，y軸，U對應(yīng)z軸，其坐標范圍便是模糊變量的論域。圖4-11輸出預(yù)覽PBM級PBM級要求：當輸入信號小于某一門限值時，該級的輸出應(yīng)當逐漸降低，并且減少的速度應(yīng)當很慢，對應(yīng)到系統(tǒng)中，相當于輪速和飛機速度之間差值很小，應(yīng)當使剎車壓力緩慢的增加從而降低輪速；如果輸入信號超過了門限后，就需要PBM級的輸出增加，變大的速度與輸入和門限值之間的誤差大小有關(guān)。若兩者誤差很大時，增長的速度也應(yīng)當相應(yīng)的提高，反之，當兩者的誤差較小時，輸出可以按照一個緩慢的速度增長。這樣設(shè)置的原因如下：如果機輪沒有出現(xiàn)打滑情況，該級的輸入信號，即基準速度和輪速的速度差，就會很小，也可能是零，則系統(tǒng)需要增大剎車力矩的輸出，從而做到盡快剎車，這就要求PBM的輸出應(yīng)當逐漸減少，但為了保證剎車過程的平穩(wěn)性，減少的速度應(yīng)當較為緩慢。當PBM級的輸入信號超過門限值后，說明此時機輪出現(xiàn)打滑。如果遠遠超過門限，說明機輪打滑程度較深，為了防止打滑程度進一步的惡化，此時應(yīng)當迅速減小剎車力矩，則防滑電流就應(yīng)當迅速增大；但如果只是稍微超過門限值，說明此時打滑程度較淺，輪速只是稍稍低于參考速度，此時也需要減少剎車力矩，但沒有必要一下子變化過大，因此需要緩慢增加防滑電流。其公式如下：Vout=Vout1+?Vc??VT1dt0≤?式中：Vout：PBM級的輸出電壓；Vout1、Vout2、Vout3指狀態(tài)轉(zhuǎn)換點處的電壓值；?VT1、圖4-12PBM級模型驅(qū)動級驅(qū)動級的輸出才是最后真正用來控制系統(tǒng)的信號，模糊控制和PBM得到的電壓信號都很小，并不能完全滿足驅(qū)動系統(tǒng)所需要的條件，因此需要驅(qū)動級進行功率放大，把原來的電壓源變成一個電流源輸出，這樣才能真正驅(qū)動伺服閥。表達式如下：I0=Kc×U STYLEREF1\s4SEQ（）\*ARABIC\s115其中：I0為控制盒的輸出電流；Kc為電流的放大倍數(shù)；U為模糊控制和P若電流放大倍數(shù)過小，則輸出的電流會很小，則剎車壓力很容易到達最大值從而使整個剎車過程非常陡峭不平穩(wěn)；若該值過大，則會使輸出電流很大，剎車壓力過小，使得剎車效果不明顯。因此，Kc仿真結(jié)果分析防滑剎車系統(tǒng)總體模型前文對剎車系統(tǒng)各部分模型進行了詳細的介紹，在這里將所有部分組合起來，建立了一個完整的飛機液壓防滑剎車系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖5-1所示：圖5-1飛機剎車系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖由圖可以看出整個系統(tǒng)的工作原理：飛機上安裝的輪速傳感器會實時探測機輪速度，該速度成為整個控制盒的外部直接輸入，在控制盒中，輸入的機輪速度會首先進行一系列的變換，使其方便計算出與基準速度的差值，而這差值，也就是滑移速度，才是整個關(guān)鍵控制的真正輸入量。模糊控制盒和PBM控制會根據(jù)差值以及差值的變化率來進行對應(yīng)的計算，從而判斷需要輸出的防滑電流的值，該電流再通過進一步的放大變換后來對伺服閥的輸出進行調(diào)控。剎車裝置可以把剎車壓力與剎車力矩之間進行有效的轉(zhuǎn)換，而系統(tǒng)輸出的剎車力矩與地面所給的結(jié)合力矩又會相互配合，共同作用來調(diào)節(jié)機輪的速度。在剎車過程中，機輪速度會不斷發(fā)生改變，使滑移率也會改變，結(jié)合系數(shù)也會隨之改變，而這也會帶來輪胎與地面之間結(jié)合力的變化，從而改變飛機的運動狀態(tài)，運動狀態(tài)的改變又會通過起落架把變化傳輸?shù)斤w機機體并影響機輪剎車。因此，飛機剎車系統(tǒng)各部分是一個相互牽制影響的有機整體。仿真環(huán)境簡介MATLAB在1967年被美國Mathwork公司推出，目前在各個領(lǐng)域或者工作場合，包括大學內(nèi)，都是公認的最優(yōu)秀、下載使用最廣泛、對新手最為友好的軟件之一。該軟件具有非常強大且全面的功能，適用于各個領(lǐng)域，現(xiàn)在研究和解決各類工程領(lǐng)域中有著極為廣泛的應(yīng)用，優(yōu)點如下：操作簡單，人機交互性很強；對于圖形處理，能夠通過各種不同的圖像，例如曲線圖、三維坐標圖等，取得很好的可視化效果，針對一些特殊的可視化要求也會有相對應(yīng)得到功能函數(shù)；在編寫同樣要求的工程問題時，相比于其他的程序語言，例如C，C++等，使用MATLAB，工作量會被極大的簡化；和其他軟件不同，用戶不用再自己編寫程序，MATLAB的開發(fā)者早已編寫好各種常用功能的工具箱，使用者可以直接使用，從而節(jié)省大量的時間。除了可以直接在主界面進行編程以外，MATLAB還提供的圖形仿真工具箱。本次使用R2016b版本中的SIMULINK。該仿真工具是MATLAB的一個分支產(chǎn)品，它不需要手寫程序，而是通過模塊的拖拽進行模型搭建，并且可以一鍵設(shè)置進行仿真研究，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、信號控制、通信設(shè)計等各個領(lǐng)域。仿真參數(shù)設(shè)置本文根據(jù)國產(chǎn)某機型飛機的參數(shù)進行設(shè)置，其數(shù)據(jù)如下表5-1：表5-1參數(shù)定義表符號名稱數(shù)值G飛機重量17256KGa后輪到飛機重心距離1.076mb前輪到飛機重心距離6.721mC飛機滑跑升力系數(shù)0.6S阻力傘面積20mS機翼面積50.88mC阻力傘阻力系數(shù)0.75V剎車初始速度72m/sC飛機滑跑阻力系數(shù)0.1027I飛機轉(zhuǎn)動慣量40000H重心高度初始值2.178mθ俯仰角初值0.02ρ空氣密度0.12492kgp最大剎車壓力10MPp剎車壓力損失1MPW主起落架橫向剛度固有頻率60HZk壓力增加時力矩斜率0.95C主緩沖器阻尼系數(shù)800S主緩沖器活塞面積0.005026mV主緩沖器初始容積0.25mP主緩沖器初始壓強7.36MPS前緩沖器活塞面積0.005542mV前緩沖器初始容積0.00322mP前緩沖器初始壓強1.568MPK主起落架橫向動態(tài)剛度系數(shù)536000p最大遲滯壓力9MPK主起落架橫向剛度阻尼比0.2C前緩沖器阻尼系數(shù)800K輪胎壓縮系數(shù)1.07×R機輪自由滾動半徑0.4mn主輪數(shù)目2仿真曲線與結(jié)果分析干跑道圖5-2干跑道各參數(shù)仿真曲線在干跑道上，飛機經(jīng)過了15秒由降落時的初始速度72m/s至剎停，一共滑行了650米，飛機速度降至1m/s時停止仿真。通過剎車力矩圖可以觀察到整個剎車調(diào)節(jié)過程。通過觀察圖可以發(fā)現(xiàn)，在0到1.5s內(nèi)沒有剎車壓力輸出，這是為了讓機輪速度跟上飛機速度；在1.5s時施加了最大壓力，輪速有一個明顯的下降，此后便進入防滑控制階段，剎車力矩根據(jù)輪速與飛機速度的速度差變化而進行相應(yīng)的輸出調(diào)整。到后面，機輪下降速度相比前面更加平滑，剎車力矩也維持在890附近波動，此時滑移率維持在最優(yōu)滑移率附近，結(jié)合力矩也保持了最大值。濕跑道圖5-3濕跑道各參數(shù)仿真曲線在濕跑道上，飛機經(jīng)過了23.2秒剎停，一共滑行了1034米，飛機速度降至3m/s時停止仿真。在濕跑道上，地面能夠提供的結(jié)合力矩更小，因此可以看出機輪速度波動時間更長，滑移率變化更大。冰跑道圖5-4冰跑道各參數(shù)仿真曲線在冰跑道上，飛機一共滑行了1540米，與濕跑道一樣，飛機速度降到3m/s時，整個仿真過程結(jié)束，整個制動過程歷時42.5秒。由圖可以看出，在冰跑道上打滑很嚴重，因此控制盒不斷輸出電流改變剎車力矩從而進行防滑控制，飛機的剎車時間和滑跑距離都大大增加，輪胎與跑道的結(jié)合狀態(tài)也非常差，這是因此冰跑道路面惡劣，極易引起打滑?；旌吓艿来舜畏抡鎸τ诨旌吓艿赖脑O(shè)置情況為：前5秒為濕跑道，5～10秒為冰跑道，10秒以后為干跑道：圖5-5混合跑道各參數(shù)仿真曲線在本次設(shè)置的混合跑道上，飛機歷經(jīng)19.5秒剎停，一共滑行了930米，失效速度為3m/s。由圖可以看出，當跑道發(fā)生變化時，本次設(shè)計的控制盒能夠根據(jù)滑移率的變化找到不同跑道上的最優(yōu)滑移率，從而根據(jù)不同跑道上的結(jié)合力矩輸出合適的剎車力矩。這說明本次設(shè)計的控制盒還具有跑道辨識的作用。工作總結(jié)與展望工作總結(jié)本文主要進行了以下工作：對飛機防滑剎車系統(tǒng)的研究目的，國內(nèi)外的歷史發(fā)展以及控制技術(shù)的現(xiàn)狀進行了介紹，比較分析了幾種剎車系統(tǒng)的防滑性能。對飛機機體橫向、垂直以及俯仰等三個自由度進行了受力分析和運動過程的分析并建立起相關(guān)數(shù)學模型，同時對液壓系統(tǒng)其他組成部分也進行了分析建模，最后用SIMULINK軟件建立動態(tài)仿真模型。利用MATLAB軟件中FUZZZY功能建立出模糊控制盒，并將其應(yīng)用于仿真模型中，得到了四種不同跑道（干、濕、冰、混合跑道）下的仿真曲線，并對每個結(jié)果進行了說明，驗證控制方法的可行性。工作展望本文在建立剎車系統(tǒng)的模型時，對很多部分進行了簡化，忽略了很多會影響飛機剎車過程的因素，例如左右輪受剎不平衡、側(cè)風等影響因素；對于液壓系統(tǒng)中管道和伺服閥被簡化為了二階系統(tǒng)，這就沒有考慮伺服閥中馬達、噴嘴等結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型，下一步的工作是完善機體模型和液壓系統(tǒng)模型。模糊控制的規(guī)則制定具有較強的人為主觀性，這對結(jié)果的影響很大，并且運行時不能進行自整定，這在一定程度上也會影響剎車效率。因此可以考慮使用可自整定的模糊控制律。

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