一种飞机自适应防滑刹车控制方法
阅读说明：本技术 一种飞机自适应防滑刹车控制方法 (Self-adaptive anti-skid brake control method for airplane ) 是由 操虹 张天闯 李卫 姚伟士 刘阳 王连波 丰四清 于 2020-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种飞机自适应防滑刹车控制方法。本发明包括以下步骤：步骤1,平均减速率计算,步骤2,前向电流计算,步骤3,输出电流计算,本发明由开环控制方式改为闭环控制方式,以飞机机轮减速率为控制目标,通过对输入速度信号的分析,计算飞机的减速率并找到飞机最适合的刹车控制条件,通过不断调节输入刹车电流,使刹车系统对机轮的刹车控制接近防滑状态的点,以找到前向刹车最优状态,并根据判断出的最优减速率,对刹车电流进行控制,使系统处于最优控制状态。(The invention discloses a self-adaptive anti-skid brake control method for an airplane. The invention comprises the following steps: the method comprises the steps of 1, average deceleration rate calculation, 2, forward current calculation, 3 and output current calculation, wherein an open-loop control mode is changed into a closed-loop control mode, the deceleration rate of an airplane wheel of the airplane is taken as a control target, the deceleration rate of the airplane is calculated and the optimal brake control condition of the airplane is found through analysis of an input speed signal, the brake current is continuously adjusted and input, so that the brake control of a brake system on the airplane wheel is close to the point of an anti-skid state, the optimal forward brake state is found, and the brake current is controlled according to the judged optimal deceleration rate, so that the system is in the optimal control state.)
技术领域
本发明属于飞机刹车控制技术领域，尤其涉及一种飞机自适应防滑刹车控制方法。
背景技术
目前，飞机在刹车过程中，机轮受到刹车压力所产生的力矩及跑道和轮胎之间摩擦力所产生的结合力矩的作用。刹车力矩的大小取决于刹车压力的大小和摩擦材料的性能，结合力矩的大小取决于机轮上载荷的大小和轮胎与跑道间摩擦系数的大小，轮胎与跑道间摩擦系数的大小是随机轮相对跑道的滑动率变化的，防滑刹车系统的目的就是调节刹车压力大小，使轮胎与跑道摩擦系数保持在最大值附近，以充分利用轮胎与跑道间的摩擦系数，从而提高刹车效率，缩短滑跑距离。
目前现有防滑控制采用的是参考减速度－速度差控制，并偏压调节，在系统中设有参考速度，通过参考速度与机轮速度之差进行防滑控制。当机轮加速旋转后，系统根据机轮速度产生－参考速度，在刹车过程中，当机轮减速度小于设置的参数减速度时，参考速度按机轮速度的变化规律变化；机轮减速度大于设置的参考减速度时，参考速度按设置的参考减速度变化，并与机轮速度进行比较，如果参考速度大于机轮速度，则输出防滑信号，减小刹车压力。当机轮速度恢复后，防滑信号消失，由偏压调节规律控制刹车压力上升。参考减速度－速度差控制方法，能够根据不同的跑道表面状态，由反馈单元对设置的参考减速度进行修正。使系统的参考减速度适应于当时的跑道表面状态，以便获得最佳的防滑刹车效果。传统的防滑刹车系统，最大主刹车压力被限制在额定压力下，在特殊工况下，压力限值不能满足防滑控制的要求，传统的防滑刹车系统，防滑控制器接收指令传感器的位移信号，按照线性关系转换为电液伺服阀的驱动电流，产生线性映射关系的制动压力。
传统的防滑刹车系统，最大主刹车压力被限制在额定压力下，在特殊工况下，压力限值不能满足防滑控制的要求。自适应防滑控制的实现原理就是通过在输入指令电流的基础上，调节控制电流，寻找系统不打滑的临界点，并在临界点附近控制系统进入稳定状态，达到系统最优控制的原理，减少系统打滑，使刹车更加平稳。刹车装置由于工艺不同，刹车力矩特性不同，在实际使用过程中，在额定刹车压力下，必须根据刹车装置的特点，调节系统控制参数，使用不同的控制系统与刹车装置之间达到较好的匹配，使刹车平稳，效率达到指标要求。在高原和湿态条件下，因为额定压力的限制，即使全程满指令输出减速率也达不到指标要求，甚至出现刹出跑道的情况；为了应对这种情况，在设计过程中往往将刹车装置刹车力矩设计的偏高，但是在这又引来了新的问题，过高的刹车力矩会使刹车系统频繁打滑，增加了飞行员的控制难度，影响整个刹车过程的稳定性；特别是在小飞机上，这种问题尤其明显,其根本原因是参考减速度－速度差控制方法对作为核心执行部件的刹车装置的匹配性较差。
传统的参考线速度－偏压调节控制方法分为两部分：
1)正常刹车电流控制：正常刹车电流与输入刹车指令成正比，飞行员踩脚蹬，控制盒根据脚蹬指令传感器的信号大小，计算出刹车电流，与防滑电流相减后，送至伺服阀进行控制。
2)正常防滑电流控制：控制盒通过采集速度信号，计算出机轮的参考速度，通过参考速度与速度信号的关系，判断是处于打滑阶段还是偏压阶段，当判断为打滑时，将参考速和机轮速度进行速度差计算，算出防滑电流，对机轮打滑进行调节；
从传统的参考线速度－偏压调节控制方法原理能够分析出：
1)最大正常刹车控制电流在不同机型的控制系统中，一旦确定下来，是不会改变，最大正常防滑刹车电流的确定是根据飞机的载荷情况、机轮的特性的相关因素确定下来的，并经过试验验证的，因此最大正常刹车控制电流并不是最优化方案，而且是综合整个飞机状态而确定的，更换不同的刹车盘、不同的飞机参数，是需要重新适配调节。
2)防滑电流的计算，根据参考速度差来进行调节，最是用于确定机轮的打滑情况，间接反应机轮相对地面的滑移率，并不能实际反映飞机参考减速率。速度差到防滑电流计算的系数，通过系统试验进行匹配优化得到，因此，具有一定的局限性，不同系统，都需要进行适配调节。
根据目前多个防滑刹车系统的研发情况来看，参考速度差-偏压控制的防滑刹车控制率，对系统的适应性较差，其中原因有几个方面：
1)机轮的刹车力矩变化较大，不同材料的力矩特性不同，导致刹车电流到机轮刹车力矩的变化不同；
2)速度差并不能反映实际飞机机轮减速率的情况，并不是传统意义上的闭环控制，刹车系统最终控制目标为飞机的减速率，而参考速度差-偏压控制只能算是速度闭环控制，减速率为开环控制。
3)在飞机1/2载荷、1/4载荷情况下，由于飞机机轮与地面结合系数变小，而机轮的电流-力矩系数较大，因此，在低载情况，防滑刹车打滑次数较多，会引起飞机刹车过程的平稳性。
参考速度差-偏压控制具有一定的优势，在目前多个机型上已经使用，成熟度较高，系统安全性经验证，无明显缺陷，并对于不同跑道状况和飞机载荷情况，牺牲了一定的性能，来保证机轮刹车对跑道的适应性。自适应控制方法的研究目标就是在传统参考速度差-偏压控制的基础上逐步开发控制方法的潜力并从以下几个方面进行改进：
1)提高飞机防滑刹车控制系统在各种飞机工况下的减速率；
2)减少在低载荷情况下机轮打滑次数，使刹车更加平稳；
3)防滑刹车控制系统对不同刹车材料机轮的适应能力；
为了解决以上的问题，需要在算法上进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的飞机自适应防滑刹车控制方法。本发明所述方法包括以下步骤：
步骤1，平均减速率计算：
自适应算法是在原有防滑刹车算法的基础上增加了自适应功能，增加了减速率的计算，通过机轮速度在不打滑的状态下及等周期下速度的变化值，计算出防滑刹车控制系统的减速率，作为控制输入，计算公式如下式(1)：
Rate_Speed_dec＝(Speed_dec_last-Speed_dec)/n……(1)，
上式(1)中：Rate_Speed_dec：减速率；Speed_dec_last：上周期平均速度；
Speed_dec：本周期平均速度；n：算平均速度的周期数；
采用n个周期计算平均速度的方法，每隔n个周期，用本周期平均速度与上周期平均速度，求出上周期的实际减速率；
步骤2，前向电流计算：
通过自适应辨识，采用PID控制的方法控制刹车电流的变化，调节最大前向刹车压力，使飞机在刹车过程中在不同的工况下实现固定的减速率；具体包括以下步骤：
步骤2.1，输入电流计算：
当无防滑调节和减速率调节时，前向刹车电流等于输入指令电流，当有防滑调节或减速率调节时，防滑调节电流和减速率调节电流以输入指令电流为初始值进行调节；
根据输入指令与输出电流关系曲线，将输入指令转换成输入电流用于计算前向输入电流；
当飞机参考速度小于失效速度时，输入电流上限为20mA，参考速度大于20m/s时，输入电流最大上限设定为12.5mA，其它速度设定为14.6mA；
当指令首次大于90％时，输入电流在1s内平滑上升；
步骤2.2，前向电流初始值计算：
通过分析上周期的工作状态，计算前向电流初始值，当软件判断系统由正常刹车状态到防滑状态时，记录当时输出的电流作为防滑调节电流使用，并作为防滑完毕后前向电流输出，同时根据当时防滑电流大小计算出目前控制的目标减速率并找到合适的不打滑的临界点；
当上周期正常，本周期出现打滑现象，且输入指令都大于90％时，本周期前向电流初始值等于上周输出值-1mA的调节量；
当上周期正常，本周期出现打滑现象，且输入指令任一小于90％时，本周期前向电流初始值等于上周期输出值，并计算出前向电流与输入电流之间的关系系数,在指令未满时，按照所述关系系数根据输入电流换算出前向电流的数值；
当本周期无打滑现象时，前向电流初始值等于指令输入电流乘以前向电流计算系数；
步骤2.3，前向电流增量控制计算：
当刹车指令为最大时，根据不断调节输出电流计算目标减速率和实际减速率之间的差值，进行PID控制，通过减速率调节前向电流的大小，寻找系统适应地面条件、载荷条件下调节点并在调节点附近进行调节，使系统处于不打滑的临界状态；
将目标减速率与实际测的减速率进行计算得出减速率控制误差，并将减速率误差与KP系数相乘得出增量调节电流；
当任一轮处于防滑状态或本周期输入指令电流未到最大值时，增量调节电流清零，直到不打滑及指令输入达到90％以上时再进行增量控制，实际减速率计算公式为下式(2)：
Rate_Speed_dec＝Rate_speed_dec_plane-Rate_Speed_dec……(2)，
上式(2)中：Rate_speed_dec_plane：目标减速率；
Rate_Speed_dec：实际减速率；
增量调节电流I_dec计算如下式(3)：
I_dec＝Rate_Speed_dec*Kp……(3)，
上式(3)中：I_dec：增量调节电流；Kp：Kp系数；
步骤2.4，前向电流计算：
当左右指令都大于90％时，则认为飞行员需要从初始电流开始增加；
当前向增量电流值大于零时，要往上增电流，计算出本控制周期的增量值，前向电流初始值加上减速率控制周期计算出的增量调节电流除以减速率周期10，即为本周期的前向输出电流，减速率计算周期为n周期，增量电流分n周期进行缓慢增加；
当前向增量电流值小于零时，表示减速已经偏大需要往下调节电流，则在第一个周期内就将输出值调节到位，其他n-1个减速率计算周期保持不变；
当左右指令的任一指令小于90％时，则前向电流等于输入指令电流乘以前向电流调节系数，跟随输入指令的变化而线性变化，调节系数在指令输入为最小值并保持1s后，恢复线性系数1.0，其它时间根据打滑和增量调节时计算的系数进行计算，以保证脚蹬变化能够线性跟随飞行员的脚蹬行程；周期增量调节电流计算如下式(4)：
I_delta＝I_dec/n……(4)，
上式(4)中：I_delta为周期增量调节电流；I_dec为增量调节电流；
本周期前向电流计算如下式(5):
I_brake＝I_brake_last+I_delta……(5),
上式(5)中：I_brake为本周期前向电流；I_brake_last为上周期前向电流；
步骤3，输出电流计算：
在自适应防滑控制中，自适应控制输出电流中，输入指令电流、防滑调节电流与减速率调节电流的和作为前向刹车电流使用，前向刹车电流与防滑电流的差值作为最终的伺服阀控制电流输出，输出电流值等于前向电流减去防滑电流值，计算公式为下式(6)：
Io＝I_brake-If……(6)，
上式(6)中：Io为输出电流；I_brake为前向电流；If为防滑电流。
本发明的优越效果是：
1、本发明所述方法突破了额定刹车压力的限制，能够在全压力范围内调整刹车压力，在高原和湿态条件下能够自动提高刹车压力，能够保证减速率达标，同时，在刹车力矩偏高时，能够降额输出以保证整个刹车过程的安全和稳定。
2、本发明所述方法针对目前防滑刹车控制系统设计特点，综合考虑产品设计的成熟度，系统采用在原有系统上升级的方法基础上并在尽量减少系统架构变化的情况下，进行系统设计。
3、由开环控制方式改为闭环控制方式，以飞机机轮减速率为控制目标，通过对输入速度信号的分析，计算飞机的减速率并找到飞机最适合的刹车控制条件。
4、通过不断调节输入刹车电流，使刹车系统对机轮的刹车控制接近防滑状态的点，以找到前向刹车最优状态。
5、根据判断出的最优减速率，对刹车电流进行控制，使系统处于最优控制状态。
附图说明
图1是本发明所述方法的自适应刹车控制原理图；
图2是本发明所述方法的平均减速率计算流程图；
图3是本发明所述方法的输入电流计算流程图；
图4是本发明所述方法的本周期前向电流初始值计算流程图；
图5是本发明所述方法的本周期前向电流增量值计算流程图；
图6是本发明所述方法的本周期前向电流值计算流程图；
图7是本发明所述方法的输出电流值计算流程图；
图8是本发明所述方法的刹车指令曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。本发明所述方法包括以下步骤：
步骤1，平均减速率计算：
自适应算法是在原有防滑刹车算法的基础上增加了自适应功能，增加了减速率的计算，通过机轮速度在不打滑的状态下及等周期下速度的变化值，计算出防滑刹车控制系统的减速率，作为控制输入，计算公式如下式(1)：
Rate_Speed_dec＝(Speed_dec_last-Speed_dec)/n……(1)，
上式(1)中：Rate_Speed_dec：减速率；Speed_dec_last：上周期平均速度；
Speed_dec：本周期平均速度；n：算平均速度的周期数；
采用n个周期计算平均速度的方法，每隔n个周期，用本周期平均速度与上周期平均速度，求出上周期的实际减速率；
图2是本发明所述方法的平均减速率计算流程图；
步骤2，前向电流计算：
通过自适应辨识，采用PID控制的方法控制刹车电流的变化，调节最大前向刹车压力，使飞机在刹车过程中在不同的工况下实现固定的减速率；具体包括以下步骤：
步骤2.1，输入电流计算：
当无防滑调节和减速率调节时，前向刹车电流等于输入指令电流，当有防滑调节或减速率调节时，防滑调节电流和减速率调节电流以输入指令电流为初始值进行调节；
根据输入指令与输出电流关系曲线，如图8所示，将输入指令转换成输入电流用于计算前向输入电流；
当飞机参考速度小于失效速度时，输入电流上限为20mA，参考速度大于20m/s时，输入电流最大上限设定为12.5mA，其它速度设定为14.6mA；
当指令首次大于90％时，输入电流在1s内平滑上升；
图3是本发明所述方法的输入电流计算流程图；
步骤2.2，前向电流初始值计算：
通过分析上周期的工作状态，计算前向电流初始值，当软件判断系统由正常刹车状态到防滑状态时，记录当时输出的电流作为防滑调节电流使用，并作为防滑完毕后前向电流输出，同时根据当时防滑电流大小计算出目前控制的目标减速率并找到合适的不打滑的临界点；
当上周期正常，本周期出现打滑现象，且输入指令都大于90％时，本周期前向电流初始值等于上周输出值-1mA的调节量；
当上周期正常，本周期出现打滑现象，且输入指令任一小于90％时，本周期前向电流初始值等于上周期输出值，并计算出前向电流与输入电流之间的关系系数,在指令未满时，按照所述关系系数根据输入电流换算出前向电流的数值；
当本周期无打滑现象时，前向电流初始值等于指令输入电流乘以前向电流计算系数；
图4是本发明所述方法的本周期前向电流初始值计算流程图；
步骤2.3，前向电流增量控制计算：
当刹车指令为最大时，根据不断调节输出电流计算目标减速率和实际减速率之间的差值，进行PID控制，通过减速率调节前向电流的大小，寻找系统适应地面条件、载荷条件下调节点并在调节点附近进行调节，使系统处于不打滑的临界状态；
将目标减速率与实际测的减速率进行计算得出减速率控制误差，并将减速率误差与KP系数相乘得出增量调节电流；
当任一轮处于防滑状态或本周期输入指令电流未到最大值时，增量调节电流清零，直到不打滑及指令输入达到90％以上时再进行增量控制，实际减速率计算公式为下式(2)：
Rate_Speed_dec＝Rate_speed_dec_plane-Rate_Speed_dec……(2)，
上式(2)中：Rate_speed_dec_plane：目标减速率；
Rate_Speed_dec：实际减速率；
增量调节电流I_dec计算如下式(3)：
I_dec＝Rate_Speed_dec*Kp……(3)，
上式(3)中：I_dec：增量调节电流；Kp：Kp系数；
图5是本发明所述方法的本周期前向电流增量值计算流程图；
步骤2.4，前向电流计算：
当左右指令都大于90％时，则认为飞行员需要从初始电流开始增加；
当前向增量电流值大于零时，要往上增电流，计算出本控制周期的增量值，前向电流初始值加上减速率控制周期计算出的增量调节电流除以减速率周期10，即为本周期的前向输出电流，减速率计算周期为n周期，增量电流分n周期进行缓慢增加；
当前向增量电流值小于零时，表示减速已经偏大需要往下调节电流，则在第一个周期内就将输出值调节到位，其他n-1个减速率计算周期保持不变；
当左右指令的任一指令小于90％时，则前向电流等于输入指令电流乘以前向电流调节系数，跟随输入指令的变化而线性变化，调节系数在指令输入为最小值并保持1s后，恢复线性系数1.0，其它时间根据打滑和增量调节时计算的系数进行计算，以保证脚蹬变化能够线性跟随飞行员的脚蹬行程；周期增量调节电流计算如下式(4)：
I_delta＝I_dec/n……(4)，
上式(4)中：I_delta为周期增量调节电流；I_dec为增量调节电流；
本周期前向电流计算如下式(5):
I_brake＝I_brake_last+I_delta……(5),
上式(5)中：I_brake为本周期前向电流；I_brake_last为上周期前向电流；
图6是本发明所述方法的本周期前向电流值计算流程图；
步骤3，输出电流计算：
在自适应防滑控制中，自适应控制输出电流中，输入指令电流、防滑调节电流与减速率调节电流的和作为前向刹车电流使用，前向刹车电流与防滑电流的差值作为最终的伺服阀控制电流输出，输出电流值等于前向电流减去防滑电流值，计算公式为下式(6)：
Io＝I_brake-If……(6)，
上式(6)中：Io为输出电流；I_brake为前向电流；If为防滑电流。
本发明所述方法就是控制机轮的减速率，找到机轮刹车系统在各种条件下的最优减速率控制，通过输入信号的辨识，调节伺服阀控制电流，使机轮刹车处于最合适的控制点,本发明所述方法采用如图1所示的自适应控制方法来进行主刹车压力的调节，包括：控制器、被控对象、自适应器及反馈控制回路、自适应回路。其中，参考输入为驾驶员制动意图即目标减速度，控制量为电液伺服阀电流，被控对象为飞机，输出量为飞机状态，如指令、轮速、参考速度、减速度，自适应控制器根据参考输入、反馈回路信息和控制量，进行系统参数辨识、干扰参数辨识，在此基础上，进行系统动态性能的实时控制。自适应防滑控制的实现原理就是通过在输入指令电流的基础上，调节控制电流，寻找系统不打滑的临界点，并在临界点附近控制系统进入稳定状态，达到系统最优控制的原理，减少系统打滑，使刹车更加平稳。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。
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