大型民用飛機自動剎車控制系統研究

劉輝 劉沛

1 系統設計與原理

1.1 系統設計

典型的飛機剎車系統大多是飛機的電傳防滑剎車，飛機防滑剎車系統一般主要由剎車指令傳感器、電磁開關閥、電液壓力伺服閥、防滑剎車控制盒、機輪速度傳感器和定量器等部件構成。電傳防滑剎車的基本原理為：駕駛員剎車時蹬下腳蹬，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到防滑剎車控制盒，防滑剎車控制盒根據輸入的電信號自動計算出需要給出的剎車電流。同時，機輪速度傳感器輸出機輪速度信號到剎車控制盒，并根據機輪滑動的狀態和深淺計算出所對應的防滑電流。防滑剎車控制盒對比剎車電流和防滑電流，綜合兩者的情況輸出控制信號到電磁開關閥使電磁開關閥開啟，電磁開關閥會輸出信號到電液壓力伺服閥進行接通進油通路的操作。防滑剎車控制盒在此基礎上還會將對比綜合后的電流信號輸入電液壓力伺服閥，產生適當的制動力矩，調整輸出到剎車機輪的剎車壓力，從而實現飛機的剎車。在典型手動飛機剎車的基礎上增加自動剎車選擇開關，相應的在自動剎車控制盒內增加自動剎車控制模塊，即可組成飛機的自動剎車控制系統，為實現對自動剎車控制模塊的前端人為控制，引入飛機的減速板位置、慣導飛機速度、飛機縱向加速度以及飛機油門桿等信號。

1.2 自動剎車工作基本原理

自動剎車系統的工作基本原理是：駕駛員在起飛或著陸操作前，打開自動剎車選擇開關，選擇合適的減速檔位，防滑剎車控制盒中的自動剎車控制模塊會根據采集到得慣導飛機速度、油門桿信號等，計算出剎車所需達到的電流，并結合自動剎車的控制邏輯，在到達該電流時立即進行剎車操作，并將電流輸出到防滑控制模塊，此后進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行，而自動剎車系統可隨時調整剎車機輪的剎車壓力，從而實現飛機均勻減速剎車。

2 控制律和控制邏輯

2.1 自動剎車控制邏輯的設計

自動剎車控制邏輯的設計主要體現在自動剎車的操作開關上，自動剎車的開關檔位通常包括 5 個不同的減速控制檔位、一個關閉檔位和一個中止起飛檔位。當駕駛員在不同減速檔位內選擇時，自動剎車控制系統均進入著陸模式；當駕駛員選擇中止起飛檔位，自動剎車控制系統進入中止起飛模式；當駕駛員選擇關閉檔時，自動剎車控制系統不進行自動剎車的操作。

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

2.2 復合剎車控制律設計

實際應用中，飛機在實現自動剎車功能的同時還需保留原有的防滑控制功能，因此應采用復合剎車控制律。在系統中，一般將自動剎車控制系統作為前級、防滑控制作為后級設計。在滿足復合控制律的條件下，自動剎車系統使飛機均勻減速，而防滑剎車則防止飛機輪胎爆破、機輪抱死。復合剎車控制律的具體做法是，采集飛機的真實速度信號去計算得到的自動剎車控制信號 I S2，然后與腳蹬采集的剎車控制信號 I S1 按比列進行計算，可得出綜合控制信號 I S。而綜合控制信號減去防滑控制信號I f，可得到伺服閥控制信號 I c。由 I c 改變輸出到剎車裝置的剎車壓力 P s，進而調整剎車時的力矩 M，實現飛機在復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的系統稱為有限狀態機（Finite State Machine，FSM），有限狀態機系統采用事件動的機制，即當特定的事件發生時，系統會將當前的狀態切換到另一個狀態。Stateflow 用可視的狀態或轉移描述 FSM 系統，是有限狀態機的圖形實現。在 Stateflow中，用事件組合轉移條件控制整個流程，Stateflow 中的圖形界面允許有限狀態機的設計方法，即用戶建立起有限個狀態，并用圖形的形式表現出狀態遷移的條件，從而反映出有限狀態機系統。在系統中，每個 Stateflow模塊均是完全子封裝的 Simulink 模塊，因此 Stateflow模型與 Simulink 模型是無縫連接的，仿真時可直接進行切換。

3.2 全數字仿真

在全數字仿真前，用 Matlab 中的 Simulink 工具箱建立大型民用飛機自動剎車控制系統半物理仿真平臺的軟件系統，然后建立半物理仿真的驗證平臺，圖 1 是自動剎車系統半物理仿真驗證平臺。

該仿真平臺能完成自動剎車系統的全數字和半物理仿真，也可通過系統的全數字仿真和半物理仿真對自動剎車系統進行驗證與優化。在全數字仿真下，給定系統 3 m/s 2 的恒定減速率，對自動剎車系統進行仿真。

3.3 半物理仿真

半物理仿真下仍用在全數字仿真下搭建的平臺，圖 2為半物理仿真驗證模型。

圖 2半物理仿真驗證模型

為便于在仿真現場調取參數，在 Labwindows 環境下設計上位機軟件，軟件主界面上

可進行參數的設置，點擊控制盒模式，并將半物理仿真的模型下載到 DSP中，進行半物理仿真實驗。為了同全數字仿真進行比較，將減速率設定為恒定的 3 m/s 2。

結束語

由于大型民用飛機對乘客舒適程度和安全性的要求日益增高，自動剎車系統相比于傳統的剎車系統能較好的滿足要求，因此在大型民用客機上采用自動剎車是必需的。本文對自動剎車控制系統進行了研究，分析了自動剎車的優點，介紹了自動剎車的原理和系統設計，分析了自動剎車的控制邏輯以及采用復合剎車方式下的控制率。并最終在 Stateflow 下對自動剎車進行了全數字仿真和半物理仿真，仿真結果滿足系統設計要求。綜上所述，自動剎車具有廣闊的應用前景，研究自動剎車控制系統有利于提高我國飛機剎車技術水平。

（作者單位：西安航空制動科技有限公司）