多輪剎車均衡控制技術(shù)研究及仿真驗(yàn)證

崔福霞李鵬飛

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089；2.西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048）

多輪剎車均衡控制技術(shù)研究及仿真驗(yàn)證

崔福霞1，2李鵬飛2

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089；2.西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048）

對(duì)多輪剎車均衡控制的原理進(jìn)行了分析，并對(duì)控制算法進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了平衡調(diào)節(jié)器，建立了基于均衡控制技術(shù)的多輪系剎車系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明，多輪系均衡控制策略可以使飛機(jī)在滑行剎車時(shí)減小側(cè)滑、減小飛機(jī)地面剎車時(shí)的偏航距離。該技術(shù)可使剎車時(shí)各機(jī)輪剎車載荷均衡，對(duì)于減少輪胎偏摩，避免剎車時(shí)的嘯叫和共振具有重要意義。

多輪系；剎車；均衡控制；仿真驗(yàn)證

1 引言

飛機(jī)機(jī)輪剎車控制系統(tǒng)是飛機(jī)起飛降落系統(tǒng)重要的組成部分，其主要任務(wù)是不斷檢測(cè)剎車機(jī)輪的滑動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)節(jié)輸入壓力，達(dá)到有效剎車又不致于機(jī)輪深度打滑，從而縮短飛機(jī)的著陸滑跑距離[1]。

多輪系飛機(jī)剎車系統(tǒng)是一個(gè)比單輪剎車系統(tǒng)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，剎車過(guò)程中存在著更多的隨機(jī)干擾，結(jié)構(gòu)參數(shù)具有時(shí)變性和時(shí)不變性，用傳統(tǒng)的控制方法難以達(dá)到預(yù)期剎車效果[2]。在飛機(jī)機(jī)輪剎車過(guò)程中，機(jī)場(chǎng)側(cè)風(fēng)、不均勻氣流及跑道等情況會(huì)使各個(gè)機(jī)輪承受的載荷不一致，從而帶來(lái)機(jī)輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不一致，對(duì)剎車通道的單獨(dú)控制已不能滿足要求，必須對(duì)多個(gè)機(jī)輪間進(jìn)行均衡控制。

2 多輪系均衡控制技術(shù)研究

2.1多輪系機(jī)輪布局

對(duì)于大型飛機(jī)，為了承擔(dān)更大的載荷，起落架的布局形式多采用多輪或多輪多支柱等形式，如圖1所示為典型的四輪小車式主起落架機(jī)輪布局。

在實(shí)際剎車過(guò)程中，除了機(jī)場(chǎng)側(cè)風(fēng)、不均勻氣流及跑道等情況可能使左右主起落架上的機(jī)輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不一致。另外，由于在飛機(jī)地面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中車架的俯仰運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致車架前后機(jī)輪的載荷不同，從而使前后機(jī)輪的打滑程度不同。因此，必須采用多通道控制方式，對(duì)左右兩側(cè)和前后兩向的機(jī)輪剎車分別控制。

圖1　四輪小車式主起落架機(jī)輪布局

2.2多通道控制的原理

由于同一個(gè)車架左右兩個(gè)機(jī)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)差別不大，對(duì)此兩個(gè)機(jī)輪可采用相同的控制通道，根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)布局，控制方式可簡(jiǎn)化為兩對(duì)側(cè)間雙通道控制和兩對(duì)前后向雙通道控制，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2　多通道機(jī)輪剎車控制原理圖

在采用多通道控制過(guò)程中，被控制的左右機(jī)輪速度差不能太大，如果太大，其運(yùn)動(dòng)將成S型，偏離正常航線，威脅飛機(jī)安全。這里將采用交叉控制和自鎖控制將結(jié)合的方法進(jìn)行多通道的控制，控制思想是：將左右兩側(cè)前向或后向兩個(gè)機(jī)輪編為一個(gè)機(jī)輪組；對(duì)每一個(gè)機(jī)輪組，取其中速度較小者的輪速為本機(jī)輪組的輪速；每一個(gè)機(jī)輪組采用單獨(dú)的通道進(jìn)行防滑控制，當(dāng)各個(gè)機(jī)輪組之間的輪速相差不大時(shí)，交叉保護(hù)和自鎖保護(hù)不起作用；當(dāng)前后機(jī)輪組輪速相差過(guò)大時(shí)，自鎖保護(hù)開(kāi)始工作，當(dāng)左右機(jī)輪組輪速相差過(guò)大時(shí)，交叉保護(hù)起作用。

2.3均衡調(diào)節(jié)算法

由于左右機(jī)輪和地面結(jié)合面的差異，左右緩沖器特性不一致，以及非對(duì)稱特性下的剎車等的影響，飛機(jī)左右機(jī)輪的運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，即左右機(jī)輪的前進(jìn)方向不是始終和飛機(jī)中軸線保持平行。這些情況對(duì)飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)的影響是很大的，若發(fā)生這種情況，不把兩邊機(jī)輪的運(yùn)動(dòng)情況調(diào)節(jié)平衡就會(huì)使飛機(jī)偏離跑道，同時(shí)這種調(diào)節(jié)還必須是及時(shí)的。另外，在控制盒中增加了一個(gè)左右機(jī)輪平衡調(diào)節(jié)器。

設(shè)E為左右兩輪轉(zhuǎn)速差設(shè)定的門限值，定義如下函數(shù)：

設(shè)lV、rV為左主機(jī)輪與右主機(jī)輪的輪速，lu、ru分別為當(dāng)前兩主機(jī)輪的防滑剎車輸出信號(hào)；lY、rY為補(bǔ)償之后的防滑剎車輸出信號(hào)。則該兩個(gè)通道機(jī)輪的平衡剎車控制律為：

由此，帶有平衡調(diào)節(jié)補(bǔ)償功能的雙通道防滑剎車控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　帶有平衡調(diào)節(jié)給你的防滑剎車控制結(jié)構(gòu)

由上述的分析可知，當(dāng)機(jī)輪的輪速等效電壓值小于某個(gè)值時(shí)，給速度大的機(jī)輪控制器適當(dāng)?shù)臏p小控制電流，增加剎車壓力，減小機(jī)輪速度；當(dāng)機(jī)輪速度介于兩個(gè)門檻值之間時(shí)，說(shuō)明機(jī)輪已開(kāi)始打滑，此時(shí)就要適當(dāng)增大輸出電流，減少剎車壓力，機(jī)輪速度增大。

3 仿真驗(yàn)證

采用Matlab/simulink對(duì)飛機(jī)動(dòng)力學(xué)、機(jī)輪、防滑剎車系統(tǒng)等進(jìn)行建模，仿真模型的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　仿真原理框圖

當(dāng)左右機(jī)輪狀況不一致，無(wú)多輪系防滑控制策略，減速率為-2m/s時(shí)的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　左右機(jī)輪載荷不一致時(shí)無(wú)多輪系控制律時(shí)的仿真結(jié)果

當(dāng)有多輪系均衡控制策略，并且左右機(jī)輪載荷狀態(tài)不一致，減速率為-2m/s時(shí)的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　左右機(jī)輪狀況不一致時(shí)有多輪系控制律時(shí)的仿真結(jié)果

從圖5和圖6可以看出，由于給定減速率都是-2m/s，在防滑系統(tǒng)的控制下，飛機(jī)在其航向上的滑行距離基本沒(méi)有差別；從這兩個(gè)圖的飛機(jī)偏航距離對(duì)比可以看出，在有多輪系均衡控制策略時(shí)，飛機(jī)偏航距離為5m左右；在系統(tǒng)無(wú)多輪均衡控制策略時(shí)，偏航距離增加到了15m左右，說(shuō)明均衡控制策略起到了防止因剎車引起偏航的作用。

從飛機(jī)速度和速度差的對(duì)比圖可以看出，在有多輪系均衡控制策略，飛機(jī)左右兩側(cè)飛機(jī)速度變化率明顯比沒(méi)有均衡控制時(shí)平緩很多，在飛機(jī)速度差的控制方面，多輪系均衡控制策略也有很大的作用。

從飛機(jī)左右機(jī)輪滑移率的對(duì)比圖可以發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)有多輪系均衡控制策略時(shí)，飛機(jī)滑移率的變化率變的平緩了許多。

最后由飛機(jī)側(cè)向力的對(duì)比可以看出，多輪系均衡控制策略對(duì)飛機(jī)左右起落架所受的側(cè)向力也得到了一定的改善。

通過(guò)上述的分析可知，在飛機(jī)左右跑道狀況不一致時(shí)，多輪系均衡控制策略可以使飛機(jī)在滑行剎車時(shí)減小側(cè)滑、減小偏航距離比較小，此時(shí)需要配合前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)來(lái)減小偏航距離。

4 結(jié)論

本文研究了多輪系機(jī)輪剎車均衡控制技術(shù)，對(duì)多通道見(jiàn)的均衡調(diào)節(jié)算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，建立了基于多輪系均衡控制技術(shù)的飛機(jī)剎車系統(tǒng)仿真模型，開(kāi)展了相關(guān)仿真分析工作，仿真分析結(jié)果表明：多輪系均衡控制策略可以使飛機(jī)在滑行剎車時(shí)減小側(cè)滑、減小飛機(jī)地面剎車時(shí)的偏航距離。同時(shí)，該技術(shù)可使剎車時(shí)各機(jī)輪剎車載荷均衡，對(duì)于減少輪胎偏摩，避免剎車時(shí)的嘯叫和共振具有重要意義。

[1] 齊潔.多輪系飛機(jī)剎車系統(tǒng)控制與仿真研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2007.

Research and simulation of multi wheel brake control technology

Of wheel brake balance control principle are analyzed, and the research of control algorithm and the balance controller is designed and established based on balance control technology of multi gear brake system simulation model, simulation results show that, multi wheel balancing control strategy allows an aircraft to glide brake reduces sideslip, reduce the ground plane brake yaw distance. This technique can make the braking the wheel brake load balance, to reduce tire friction and avoid brake squeal and resonance is of great significance.

Multi gear; brake; balance control; simulation

V22

A

1008-1151(2015)09-0074-03

2015-08-11

崔福霞（1981－），女，河南周口人，西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)中心講師，研究方向?yàn)閿?shù)控加工技術(shù)及仿真。