飞机制动控制系统综合性能研究

发布时间：2020-05-16 08:00

【摘要】：飞机制动控制系统因在飞机的起飞、着陆、滑行和转弯过程中均起着至关重要的作用而备受关注,该系统的功能、性能、架构设计等关系着飞机着陆安全及使用经济性,其技术的先进性也影响着飞机的发展及市场开拓。因此,飞机制动控制系统既是起落架装置的重要组成部分,也是飞机安全运行必不可少的重要系统。近年来,飞机技术的发展对飞机制动控制系统的研制提出了更高的要求,原有的设计方法及试验辅助设计方式不足以满足低成本、高可靠、高安全、高水平的研发要求,现有产品的性能优化也需进一步加强。国内无论是在制动系统集成方法论的工程应用上,还是在制动性能的提升上距国外还存在一定的差距,因此本文将采用基于模型的系统工程(Model Based System Engineering,简称MBSE)理念完成飞机制动控制系统的关键需求捕获及确认、系统架构设计,同时通过对性能关键影响因素的分析及优化,提炼出性能提升模型,为后续产品设计及工程化应用做好前期准备,同时为飞机制动控制系统仿真水平及专业能力的提升奠定了良好的基础。本文在对某型号飞机制动控制系统关键需求剖析及架构设计的基础上,统筹考虑系统中的非线性因素、安全性因素以及制动控制系统之外的边界约束条件等,主要研究内容如下:(1)提出了基于MBSE的飞机制动控制系统“正向设计”集成开发方法。为确保所捕获的关键需求的正确性,利用Harmony SE方法以需求为脉络进行行为仿真建模,阐述了从需求——架构的正向设计开发流程,避免了“轻需求,重方案”、“拍脑袋决定架构”、“靠经验捕获需求”等传统设计问题,降低了研制成本,提高了研制效率。(2)深入研究了飞机制动材料压力-力矩增益特性、摩擦特性、工艺特性等,通过不同条件下多个同类材料的试验结果分析,提炼出飞机制动材料压力-力矩特性规律,优化了飞机制动材料压力-力矩特性模型,避免了因材料特性误差引起的仿真结果失真,提高了仿真分析的有效性和精度,为后续进一步提升和优化飞机制动控制系统性能奠定良好的基础。(3)考虑轮胎和跑道特性的复杂非线性关系,在Pacejka魔术公式轮胎跑道模型影响因子分析的基础上,提出了一种基于跑道状态特征值的跑道识别方法,根据特征值门限均方根值定义典型跑道的特征值区间,并以此跑道特征值区间为依据进行跑道状态的识别,实时估计结合系数最大值及最优滑移率,经验证识别结果准确、识别效果良好,为刹车效率的提高提供了保障。(4)考虑传统PD+PBM的准调节控制方法刹车效率偏低问题,采用BP神经网络及非对称障碍李雅普诺夫函数约束控制理论,优化了飞机减速率计算方法,设计了制动控制系统基于滑移率约束的自适应防滑控制律,实现了制动控制系统的全调节控制,提高了刹车效率(AC25-7C中全调节控制下湿跑道刹车效率为80%,准调节控制湿跑道刹车效率为50%)。同时采用仿真分析及试验台试验的手段对整个飞机制动控制系统各工况下的综合性能进行了分析和验证,为系统的设计水平提升和性能进一步优化提供了保障,为制动控制系统的研制节省了成本、缩短了周期、提升了设计效率。
【图文】：

曲线,刹车曲线,机械惯性,控制方式

图 1-1 机械惯性控制方式刹车曲线刹车从 A 点开始施加，导致机轮速度在 C 点的轻微减小，2-8 秒的刹车过程中轮滑较为合适，并未进入深打滑，因此刹车压力保持在最大值(B 点-D 点)。在 D 点，由于刹车的施加使得机轮进入深打滑状态（E 点），机轮减速率迅速增大并超过的减速率门限（如虚线所示），于是刹车压力被释放（G 点）。较高的机轮起转加（H 点）和随后的轮胎的回弹（I）导致刹车压力的波动（J），随后刹车压力从 K加到 L 点，摩擦系数也从 M 点增加到 N 点。从 10 秒以后，机轮减速率再一次超过率门限值，刹车压力再一次进入释放循环。机械惯性控制方法主要由机械部件实现，可改进空间较小，，现代飞机已放弃使用法。减速率控制传统的减速率控制为带偏压调节模块（PBM）的减速率控制方式，该方法已在多用和军用飞机上应用。基于减速率的防滑刹车曲线如图 1-2 所示。在刹车过程中，机轮速度传感器输出时机轮速度成正比的交流信号，在控制单元中，这个信号将被转化为直流电压，再

曲线,减速率,防滑刹车,曲线

图 1-2 基于减速率的防滑刹车曲线刹车压力在 a-b 快速施加，导致了较浅的机轮打滑，因此产生了一个与机轮速度变比例的防滑信号，使得刹车压力减小，机轮恢复转动速度（f 点）,随后防滑信号解点),刹车压力重新施加（h 点）,且快速的连续的浅打滑使得防滑产生一个余量，减刹车压力的平均值。由于跑道状态的变化（摩擦系数减小），刹车在 5s 左右发生打滑（i 点），导致了较大的防滑量，使得刹车压力下降到了一个可以忽略的值，随后以一个很慢的速度恢复（此时防滑信号值较大，n 点），刹车压力的恢复速度BM 模块决定。传统的减速率控制一般包含 PBM 模块，该模块在某些情况下显著降低了刹车系统。PBM 模块的最初目的是增加系统在 - （结合系数-滑移率）曲线稳定区域的操间，这种设计能够在跑道一致性较好时获得比较满意的刹车效果，然而，当跑道上水滩（摩擦系数变化较大）时，PBM 模块的存在将使得刹车系统压力恢复较慢，刹车性能降低明显。度差控制速度差控制是基于滑移速度来进行防滑控制，滑移速度的定义为参考速度（模拟飞
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V227

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