民機防滑剎車特性分析

摘 要：文章將聯合仿真技術應用于民機防滑剎車研究，在LMS Virtual.Lab Motion軟件建立機身、起落架模型的全機模型， 聯合MATLAB/Simulink 軟件建立防滑控制系統模型，采用起落架落震分析的結果校核模型，然后對大型民機剎車運動進行聯合仿真分析。結果表明，該仿真模型能夠準確模擬飛機的剎車運動，飛機在干跑道上進行仿真得到了理想的剎車效果。

關鍵詞：民機；防滑剎車；聯合仿真

引言

飛機的起飛和著陸是飛機事故的多發階段，大量的統計表明有50%以上的安全事故發生在飛機起飛和著陸階段[1]，剎車是飛機著陸階段中的一個重要過程。目前，飛機正向著大噸位、高速度、高可靠性的方向發展，并且著陸過程時間較短，其間會受到各種內外因素的影響，為了保證飛機和機載人員的安全，對其剎車系統的剎車性能提出了更高的要求。大飛機工程是國家正在實施的一個戰略性大工程項目[2]，其中防滑剎車技術的難題亟需深入研究和解決。因此對大型民機剎車性能進行分析研究，形成一套具體成熟的研究方法及分析理論，對我國今后各型飛機，尤其是大飛機設計研制方面具有重要意義。

目前的虛擬樣機軟件工具大都集中在解決特定領域問題或某幾個領域問題。針對復雜系統的研發，需要機械、動力學、電子、控制和仿真等多領域的協同工作，想通過某個虛擬樣機軟件解決所有問題是不現實的。因此針對虛擬樣機建立面向不同對象的模型和進行不同領域的協同仿真，就成為虛擬樣機當前研究的熱點[3，4，5]。

本項目以某型民機為研究對象，利用LMS Virtual.Lab Motion軟件， 在三維空間內建立帶有起落架的飛機模型，根據所建立飛機剎車系統和防滑控制算法數字仿真模型，通過數值分析軟件MATLAB/Simulink 建立了帶有PBM的PID飛機防滑剎車控制系統。進行聯合仿真和分析。通過仿真結果，綜合分析和研究飛機防滑剎車系統性能，為防滑剎車系統的研究、設計提供理論依據和參考。

1 防滑剎車聯合仿真建模方法

飛機防滑剎車聯合仿真分析以LMS Virtual.LAB Motion軟件的多體動力學建模為核心，利用CATIA生成機身和起落架幾何模型，聯合MATLAB/Simulink 軟件建立防滑控制系統模型，進行仿真分析，考察飛機防滑剎車特性。

1.1 建立全機運動模型

LMS Virtual.Lab Motion是一個多學科功能品質工程平臺，其優異的性能、廣泛深入的行業解決方案、開放的平臺，不斷對最新技術進行拓展，使其成為新一代多體動力學軟件的代表。

建立全機模型步驟如下：

（1）根據實際尺寸，在CATIA中生成機身和起落架幾何模型。由于起落架系統就夠較為復雜，在不影響起落架機構原理和仿真精度的前提下對起落架進行一定的簡化，簡化的起落架包含斜撐桿、扭力臂、支柱外筒、轉動套筒、左右機輪、活塞桿與輪軸等部件。

（2）將CATIA模型導入LMS Virtual.Lab Motion中，建立分析文件。根據飛機起落架各個部件之間的實際運動情況添加相應的運動副。在模型添加載荷如緩沖器支柱軸力、輪胎力以及重力等，而緩沖器總軸向力包括空氣彈簧力、油液阻尼力和緩沖器結構限制力等。

（3）通過起落架落震對模型進行檢驗。前起落架使用功落震仿真投放高度為0.474米，緩沖器最大壓縮行程為0.38米，輪胎的最大壓縮量為0.08m，小于輪胎的極限壓縮量0.13m。緩沖器正反行程的總時間為0.7s，滿足小于0.8s的要求。主起落架使用功落震仿真投放高度為0.474米，緩沖器最大壓縮行程為0.42米，輪胎的最大壓縮量為0.17m，小于輪胎的極限壓縮量0.23m。緩沖器正反行程的總時間為0.75s，滿足小于0.8s的要求。

1.2 建立防滑控制模型

LMS VIrtul.Lab軟件提供的控制工具箱只能處理一般的控制環節，而MATLAB/Simulink是大型控制系統設計軟件，能夠處理各種復雜控制環節，將LMS VIrtul.Lab和MATLAB/Simulink結合使用進行聯合仿真，能夠充分發揮各自的優勢，這給那些復雜系統的研究提供一種新的途徑。

目前，國內外已裝備的飛機防滑剎車系統的控制方式，從大的方面來講有三個大的分支滑移率控制、減速率控制和速度差加壓力偏調控制[6]。本文采用的是目前國內常用的帶壓力偏調級的PID控制，分為基準速度級、比較級、瞬時級、微分級、PBM級、綜合驅動級等部分，基本原理如圖1所示。

圖1 速度差加偏壓控制原理

基準速度級是以一定規律的基準速度來代替飛機速度，基準速度級的輸出能響應地面結合系數的變化。比較級是求得機輪速度與基準速度之差，進行比例放大，比例放大系數可調節系統靈敏度。瞬時級要求當比較級輸出大于某一門限時，進行比例放大，否則輸出為0。微分級的輸出與輸入的變化率成正比。綜合級的作用是把瞬時級、微分級和PBM級的輸出按一定比例疊加，并且限制一個最大輸出。驅動級的主要作用是把綜合級的電壓輸出經功率放大并轉換成恒流源輸出。

PBM級是整個控制盒最為關鍵的一部分，剎車效率的提高主要是通過對這一級的放電特性進行改善而取得的。PBM 級要求，當比較級的輸出大于某一門限值時，PBM 級的輸出應逐步增大，且誤差小時增長率小，誤差大時增長率大。如公式1所示，其中，Vl為PBM輸出，V′l0、V\"l0、V″′l0代表狀態轉換點出的值， ？駐VIT1、？駐VIT2為PBM級的，門限值，Kl1為升壓速度系數，Kl2為放電速度系數。

（1）

1.3 聯合仿真的實現方法

1.3.1 定義LMS Virtual.Lab Motion輸入和輸出。LMS Virtual.Lab Motion的輸入和輸出是與 MATLAB/Simulink 設計的控制系統進行數據傳輸的接口，LMS Virtual.Lab Motion的輸出就相當于防滑控制系統的輸入值，LMS Virtual.Lab Motion的輸入就相當于防滑控制系統的輸出。在LMS Virtual.Lab Motion中建立虛擬樣機后，定義與剎車控制系統進行數據傳遞的變量，定義的輸入變量為剎車力矩，輸出變量為輪胎的滾動速度。

1.3.2 生成用于聯合仿真的中間文件。LMS Virtual.Lab Motion中設定好輸入輸出變量后，在模型中添加初始速度，選擇MATLAB_sim 方式進行仿真計算，生成的中間文件名為plantout.m。

1.3.3 建立控制系統。在MATLAB中打開防滑控制盒，將中間文件plantout.m添加到MATLAB中，連接中間文件和防滑控制盒，構成閉環系統，進行仿真分析。

2 仿真分析結果

整個仿真過程從飛機以正常著落重量著陸，機輪著地剎車開始，最后飛機速度到達失效速度（1m/s），整個仿真過程中，防滑控制歷時18.58s，飛機滑跑距離565.1m。圖2，圖3分別是干跑道下主起落架輪胎的滑移率和每個機輪的剎車力矩。

從圖中可以看出，在飛機著落剎車的起始階段，飛機的剎車力矩很快上升到最高值；之后，剎車力矩上下變化，呈上升趨勢。在高速區剎車系統工作非常靈敏，輪胎滑移量較淺，解除打滑也比較快。而且經過一段時間的調節后，系統工作趨于平穩，防滑動作不像起始剎車時那么頻繁，對結合系數的利用率較高，即使加上全部的剎車壓力機輪也不會出現打滑現象。

3 結束語

3.1 在LMS Virtual.Lab Motion 中建立了全機動力學模型，對前、主起落架分別進行了虛擬落震實驗和停機靜力實驗，其結果符合要求，驗證了所建立的模型的正確性。

3.2 通過 MATLAB/Simulink 模塊建立了基于速度差的帶有PBM的PID控制系統，建立防滑剎車系統的控制模塊。通過引入PBM來提高系統的剎車效率。

3.3 采用聯合仿真對飛機在干跑道的情況進行了仿真分析，結果表明，所建立的防滑控制系統具有較高的效率，達到理想的剎車效果。

參考文獻

[1]P.D.Khapane.Simulation of asymmetric landing and typical ground maneuvers for large transport aircraft. Aerospace Science and Technology，2003，7：611-619.

[2]胡思遠.大飛機工程的戰略意義、實施瓶頸及改革建議[J].工程研究：2010.2（1）：5-14.

[3]石端偉，吳慶鳴，曾令剛.GP6500型管片安裝機虛擬樣機設計與研究[J].中國機械工程，2006，17（13）：134121345.

[4]寧芊，殷國富，徐雷.機電系統虛擬樣機協同建模與仿真技術研究[J].中國機械工程，2006，17（13）：140421407.

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[6]王紀森，何長安.防滑控制系統分析[J].西北工業大學學報，2000，8（18）：p456-458.