基於輪速控制的防滑剎車控制方法與流程
2023-05-12 02:33:52 1
本發明涉及飛機剎車控制領域，具體涉及基於輪速控制的飛機防滑剎車控制方法和系統。
背景技術：
飛機的起飛和著陸是飛機事故的多發階段。防滑剎車系統是飛機重要的機載設備，對飛機起飛、著陸的安全性具有重要影響。要求在複雜的跑道環境條件下，飛機仍然能夠安全著陸並剎停，對提升飛機安全性和可靠性具有重要意義。
飛機防滑剎車系統是一個複雜的具有不確定性的非線性系統，系統中存在諸多非線性因素，直接影響防滑剎車的性能。飛機著陸滑跑過程時間較短，因此要求防滑剎車系統穩定、快速和準確地工作，確保飛機的安全。防滑剎車系統的性能受很多因素的影響，如跑道表面是否開槽、跑道表面的狀況(幹、溼或積雪等)、飛機速度的變化、輪胎的充氣壓力等。本質上，這些因素影響的是飛機受剎機輪的輪胎與跑道表面的結合力和滾動阻力。防滑剎車系統的主要目的是充分利用跑道提供的結合力，在儘可能短的距離內使飛機剎停。由於防滑剎車控制的主要任務通過控制剎車力矩，將滑移率維持在一個合適值，使得機輪與地面的結合力最大，並且不出現打滑甚至抱死的現象。
跑道表面狀況的變化對於飛機防滑剎車系統是較為嚴重的外部幹擾。例如當機輪所處跑道表面結合係數由高變低時，機輪由於結合力矩急劇減小而發生打滑甚至抱死現象，這就要求防滑剎車控制盒及時作出響應，通過迅速降低剎車壓力使得機輪速度得以恢復。因此剎車控制算法對不同跑道表面狀況的適應性以及在跑道表面狀況發生變化時的魯棒性直接影響防滑剎車效果。
在飛機慣性導航系統能夠給出飛機速度情況下可以很容易計算滑移率，從而根據結合力與滑移率曲線採取做出相應控制，但是實際中飛機速度是很難獲得甚至是未知的，這就給剎車控制方法研究帶來了困難，因此需要在無飛機速度情況下實現防滑剎車控制的方法。
技術實現要素：
鑑於以上問題，本發明提供了基於輪速控制的飛機防滑剎車控制方法和系統，其提高了剎車系統的剎車效率，並抑制了打滑現象的發生，保證了飛機的安全性，解決了在無飛機速度情況下飛機防滑控制的問題。
根據本發明的一方面，提供了一種基於輪速控制的飛機防滑剎車控制方法，包括：
目標機輪減速率生成步驟，用於基於估計的結合力和滑移率來生成飛機機輪的目標機輪減速率；
目標機輪速度生成步驟，用於基於所述目標減速率來生成飛機機輪的目標機輪速度；
控制信號生成步驟，用於基於所述目標機輪速度與測量的機輪速度之差來生成作用於飛機機輪的剎車控制信號；以及
結合力和滑移率估計步驟，用於基於所述剎車控制信號和所述測量的機輪速度，使用卡爾曼-布西濾波方法來估計飛機機輪與跑道表面的結合力和滑移率。
根據實施例，所述控制信號生成步驟包括將所述目標機輪速度與所述測量的機輪速度之差輸入到控制器以生成所述剎車控制信號，以及所述剎車控制信號被轉換為剎車閥電流信號，以使得剎車閥輸出作用於飛機機輪的剎車壓力。
根據實施例，所述測量的機輪速度在所述剎車壓力作用於飛機機輪之後通過輪速傳感器採集得到。
根據實施例，所述結合力和滑移率估計步驟包括：
設定包括機輪速度、結合力、結合力的一次導數、結合力的二次導數和飛機速度的系統狀態變量；
使用所述卡爾曼-布西濾波方法，獲得所述系統狀態變量的後驗估計值；
從所述後驗估計值中提取結合力的後驗估計值作為所述估計的結合力，並且提取飛機速度的後驗估計值以計算所述滑移率。
根據實施例，所述目標機輪減速率生成步驟包括：
在剎車使能時，設定初始最大機輪減速率上限和初始減速率指令比例，其中所述初始減速率指令比例等於初始最大機輪減速率上限除以剎車指令最大值；
在沒有更新最大機輪減速率和所述初始比例時，使得所述目標機輪減速率等於給定剎車指令乘以所述初始比例；
如果所述目標機輪減速率超過所述初始最大機輪減速率上限，則判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數是否大於預定閾值；
如果判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數是大於預定閾值，將所述最大機輪減速率作為所述目標機輪減速率輸出；
如果判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數不大於預定閾值，則確定所述最大機輪減速率等於此時記錄的機輪減速率減去減速率安全閾量，以及確定減速率指令比例等於所述最大機輪減速率除以此時給定的剎車指令，並且確定所述目標機輪減速率等於此時給定的剎車指令乘以所述減速率指令比例，並且更新所述最大機輪減速率和以所述減速率指令比例替代所述初始比例；
如果所述目標機輪減速率未超過所述初始最大機輪減速率上限，則判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數是否大於預定閾值；
如果判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數是大於預定閾值，將直接輸出所述目標機輪減速率；
如果判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數不大於預定閾值，則確定所述最大機輪減速率等於此時記錄的機輪減速率減去減速率安全閾量，以及確定減速率指令比例等於所述最大機輪減速率除以此時給定的剎車指令，並且確定所述目標機輪減速率等於此時給定的剎車指令乘以所述減速率指令比例，並且更新所述最大機輪減速率和以所述減速率指令比例替代所述初始比例。
根據實施例，所述目標機輪速度生成步驟包括通過將當前測量的機輪速度減去所述目標機輪減速率與控制周期之積來生成所述目標機輪速度。
根據本發明的另一方面，提供了一種基於輪速控制的飛機防滑剎車控制系統，包括：
目標機輪減速率生成裝置，用於基於估計的結合力和滑移率來生成飛機機輪的目標機輪減速率；
目標機輪速度生成裝置，用於基於所述目標減速率來生成飛機機輪的目標機輪速度；
控制信號生成裝置，用於基於所述目標機輪速度與測量的機輪速度之差來生成作用於飛機機輪的剎車控制信號；以及
結合力和滑移率估計裝置，用於基於所述剎車控制信號和所述測量的機輪速度，使用卡爾曼-布西濾波方法來估計飛機機輪與跑道表面的結合力和滑移率。
根據實施例，所述控制信號生成裝置用於將所述目標機輪速度與所述測量的機輪速度之差輸入到控制器以生成所述剎車控制信號，以及所述剎車控制信號被轉換為剎車閥電流信號，以使得剎車閥輸出作用於飛機機輪的剎車壓力。
根據實施例，所述測量的機輪速度在所述剎車壓力作用於飛機機輪之後通過輪速傳感器採集得到。
根據實施例，所述結合力和滑移率估計裝置用於：
設定包括機輪速度、結合力、結合力的一次導數、結合力的二次導數和飛機速度的系統狀態變量；
使用所述卡爾曼-布西濾波方法，獲得所述系統狀態變量的後驗估計值；
從所述後驗估計值中提取結合力的後驗估計值作為所述估計的結合力，並且提取飛機速度的後驗估計值以計算所述滑移率。
根據實施例，所述目標機輪減速率生成裝置用於：
在剎車使能時，設定初始最大機輪減速率上限和初始減速率指令比例，其中所述初始減速率指令比例等於初始最大機輪減速率上限除以剎車指令最大值；
在沒有更新最大機輪減速率和所述初始比例時，使得所述目標機輪減速率等於給定剎車指令乘以所述初始比例；
如果所述目標機輪減速率超過所述初始最大機輪減速率上限，則判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數是否大於預定閾值；
如果判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數是大於預定閾值，將所述最大機輪減速率作為所述目標機輪減速率輸出；
如果判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數不大於預定閾值，則確定所述最大機輪減速率等於此時記錄的機輪減速率減去減速率安全閾量，以及確定減速率指令比例等於所述最大機輪減速率除以此時給定的剎車指令，並且確定所述目標機輪減速率等於此時給定的剎車指令乘以所述減速率指令比例，並且更新所述最大機輪減速率和以所述減速率指令比例替代所述初始比例；
如果所述目標機輪減速率未超過所述初始最大機輪減速率上限，則判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數是否大於預定閾值；
如果判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數是大於預定閾值，將直接輸出所述目標機輪減速率；
如果判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數不大於預定閾值，則確定所述最大機輪減速率等於此時記錄的機輪減速率減去減速率安全閾量，以及確定減速率指令比例等於所述最大機輪減速率除以此時給定的剎車指令，並且確定所述目標機輪減速率等於此時給定的剎車指令乘以所述減速率指令比例，並且更新所述最大機輪減速率和以所述減速率指令比例替代所述初始比例。
根據實施例，所述目標機輪速度生成裝置用於通過將當前測量的機輪速度減去所述目標機輪減速率與控制周期之積來生成所述目標機輪速度。
附圖說明
圖1為根據本發明實施例的基於輪速控制的飛機防滑剎車控制方法和系統的總體控制框圖。
圖2為說明單一跑道狀態下機輪與跑道的結合力相對於滑移率的關係曲線的示意圖。
圖3為根據本發明實施例的基於輪速控制的飛機防滑剎車控制方法和系統的目標機輪減速率生成步驟/裝置的流程圖。
具體實施方式
以下參照附圖具體描述本發明的基於輪速控制的飛機防滑剎車控制方法和系統。
圖1示出根據本發明實施例的基於輪速控制的飛機防滑剎車控制方法和系統的總體控制框圖。如圖1所示，根據本發明實施例的基於輪速控制的飛機防滑剎車控制方法/系統，包括：
目標機輪減速率生成步驟/裝置2，用於基於估計的結合力F和滑移率λ來生成飛機機輪的目標機輪減速率dωd；
目標機輪速度生成步驟/裝置3，用於基於所述目標減速率dωd來生成飛機機輪的目標機輪速度ωd；
控制信號生成步驟/裝置5，用於基於所述目標機輪速度ωd與測量的機輪速度ω之差來生成作用於飛機機輪的剎車控制信號bc，具體地，目標機輪速度ωd與測量的機輪速度ω經過比較器單元4做差以作為控制器5的輸入，控制器5輸出的剎車控制信號bc轉換為剎車閥電流信號，使得剎車閥輸出相應的作用於包括機輪的剎車系統6的剎車壓力，其中控制器可以例如是模糊PID控制器，然而本發明不限於此，任意合適的控制器均可用於本發明；以及
結合力和滑移率估計步驟/裝置1，用於基於所述剎車控制信號bc和所述測量的機輪速度ω，使用卡爾曼-布西濾波方法來估計飛機機輪與跑道表面的結合力F和滑移率λ。具體地，剎車系統6包括飛機機輪並且代表機輪與地面摩擦的實際過程，從剎車系統6中通過輪速傳感器採樣機輪速度ω。
以下具體說明結合力和滑移率估計步驟/裝置1的工作原理，其包括以下部分：
(1)輸入限幅及異常處理：
用於對輸入機輪速度ω和剎車指令bc進行處理，在輸入超出設定範圍即(系統故障導致信號超限)，則限制輸入幅度，異常處理如輪速非正常持續或跳變，進入容錯模式。這可由判斷結構或條件選擇結構構建。
(2)系統初值設定
初值設定包括兩部分：
1.更新濾波器初值：
在剎車系統開始工作時(此時還未進行剎車控制)，記錄此時輪速V0作為全局變量，用於下面濾波部分中的初值設定。此過程只在剎車剛開始時進行，如果已經記錄初值，則不需要再次進入這部分進行判斷。
2.計算估計誤差協方差矩陣及系統矩陣
整個系統所用到的剎車系統模型如下：
由於缺少飛機速度，無法直接利用滑移率計算公式精確獲得滑移率，因此利用輪速傳感器採集到的輪速信號輸入到卡爾曼濾波器來估計滑移率及結合力。
具體過程如下：
首先定義剎車系統狀態變量，在寫程序時，定義為一個具有5個變量的數組：
程序運行前，應首先設定5個狀態變量的估計誤差q1，q2，q3，q4，q5，定義採樣誤差(採樣的不準確度的衡量，可以直接用傳感器精度代替)r1,定義系統估計誤差協方差陣Q及測量誤差協方差陣R，如下：
(3)計算狀態變量先驗估計值
根據剎車系統模型，將上述5個狀態變量寫成狀態空間標準形式：
測量方程為：
h(x)＝h1(x)
其中：
f(x)＝[f1(x) f2(x) f3(x) f4(x) f5(x)]T
展開表達式：
f1(x)＝r·x2/J
f2(x)＝x3
f3(x)＝x4
f4(x)＝0
f5(x)＝2x2+T0+x5Kv-1/2ρCdSx52
B＝[-Kpt/J 0 0 0 0]T
h1(x)＝x1
u＝bc
其中：J為單個機輪轉動慣量，Kpt為剎車壓力-力矩轉換係數，μ可由跑道模型和滑移率計算得到，T0為發動機剩餘推力，Kv為發動機的推力速度係數，M為飛機質量，ρ為空氣密度，Cd為飛機滑跑阻力係數，S為機翼面積，r為機輪滾動半徑，Ts為系統周期。Fx為飛機所受空氣阻力，Cx為飛機阻力係數，Fs為減速傘所受空氣阻力，Cxs為減速傘所受阻力係數。V為飛機速度，Ss為減速傘面積，Ff1與Ff2分別為兩主輪所受摩擦力，μ1，μ2為兩主輪結合係數，FN1，FN2為兩主輪所提供支持力。
根據上述系統狀態方程，將其寫成差分方程的形式如下：
xpre1＝x(1)+(r*x(2)-bc*Kpt)/J*Ts；
xpre2＝x(2)+x(3)*Ts；
xpre3＝x(3)+x(4)*Ts；
xpre4＝0；
xpre5＝x(5)–[(2*x(2)+T0-Kv*x(5)-1/2*ρ*Cd*S*x(5)^2)/M]*Ts；
得到的xpre1-xpre5即為所得到的狀態變量先驗估計值。
(4)計算卡爾曼增益
將上述方程離散化，得：
計算線性化後模型系統矩陣：
計算系統協方差矩陣和系統狀態變量先驗估計值
輸出即為5*5矩陣Pk-。
(5)根據測量更新狀態變量後驗估計值
計算線性化後模型觀測方程矩陣：
更新系統狀態變量後驗估計值及協方差矩陣：
所得到的中即包含了所需要的飛機速度Vp、結合力F及結合力變化率dF。滑移率λ利用以下公式計算：
以下參照圖2和圖3說明機輪目標減速率生成方法/裝置的工作原理。根據跑道與機輪結合係數影響因素，圖2示出了單一跑道狀態下機輪與跑道的結合力F相對於滑移率λ的關係曲線。在單一跑道狀態下利用跑道所提供的最大結合力進行剎車，也即找曲線最高點所對應的滑移率，並控制剎車壓力使得滑移率達到這一最大滑移率。路況發生改變或輪載發生變化，則曲線會發生跳變，如何動態地平穩地追蹤當前結合狀態下的最大結合力，是所關注的主要問題，在這一過程中，機輪應儘可能不出現打滑狀態。
在整個過程中，可以根據滑移曲線關係進行控制律設計，當dF/dλ大於0，飛機剎車系統處於滑移曲線的上升階段，沒有打滑的發生，當dF/dλ小於0時，處於曲線右邊部分，處於打滑狀態，在工程上，利用dF/dλ大於δ即可進行防滑判定，δ是一個正數，代表了工程上進行判定的閾值，這個閾值使得判斷點處於圖2中最高點左側，保證了系統的穩定性和安全性。閾值選取的越小，則檢測點越靠近曲線的最高點，整個過程剎車效率越高，但越容易發生越過最高點打滑的現象，所以需要在安全性和高效性之間綜合考慮，得到一個合適的判斷閾值進行控制。
在進行剎車控制前，需要設定3個參數，也即，初始最大機輪減速率上限dωmax0，初始減速率指令比例K0，減速率安全閾量dωs。
另外，最大機輪減速率dωmax：設定的機輪最大減速率。
減速率指令比例：減速率與剎車指令之間的線性對應係數，K＝dωmax/bcmax。
減速率安全閾量dωs：即將出現打滑時機輪減速率指令的減量。
在開始剎車時，即啟動判定dF/dλ>δ？,若飛行員指令給到最大時，此判定仍然為真，那麼防滑控制不再輸出控制，直到該判定條件為假。
在開始剎車後，如果滿足該條件為假，那麼記錄此時的dω採樣為dωmax0。並記錄此時的bc。此時K＝dωmax0/bc。dωs＝1/10*dωmax0。
進行完上述判定及賦值之後，開始如下流程：
在剎車使能時，設定初始最大機輪減速率上限dωmax0和初始減速率指令比例K0，其中所述初始減速率指令比例K0等於初始最大機輪減速率上限dωmax0除以剎車指令最大值bcmax；
在沒有更新最大機輪減速率和所述初始比例時，使得所述目標機輪減速率dωd等於給定剎車指令dc乘以所述初始比例K0；
如果所述目標機輪減速率dωd超過所述初始最大機輪減速率上限dωmax0，則判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數dF/dλ是否大於預定閾值δ；
如果判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數dF/dλ是大於預定閾值δ，將所述最大機輪減速率dωmax作為所述目標機輪減速率dωd輸出；
如果判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數dF/dλ不大於預定閾值δ，則確定所述最大機輪減速率dωmax等於此時記錄的機輪減速率dω減去減速率安全閾量dωs，以及確定減速率指令比例K等於所述最大機輪減速率dωmax除以此時給定的剎車指令bc，並且確定所述目標機輪減速率dωd等於此時給定的剎車指令bc乘以所述減速率指令比例K，並且更新所述最大機輪減速率dωmax和以所述減速率指令比例K替代所述初始比例K0；
如果所述目標機輪減速率dωd未超過所述初始最大機輪減速率上限dωmax0，則判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數dF/dλ是否大於預定閾值δ；
如果判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數dF/dλ是大於預定閾值δ，將直接輸出所述目標機輪減速率dωd；
如果判定所述估計的結合力相對於所述滑移率的導數dF/dλ不大於預定閾值δ，則確定所述最大機輪減速率dωmax等於此時記錄的機輪減速率dω減去減速率安全閾量dωs，以及確定減速率指令比例K等於所述最大機輪減速率dωmax除以所述剎車指令最大值bcmax，並且確定所述目標機輪減速率dωd等於給定剎車指令dc乘以所述減速率指令比例K，並且更新所述最大機輪減速率dωmax和以所述減速率指令比例K替代所述初始比例K0。
綜上所述，本發明提供了一種基於輪速控制的飛機防滑剎車控制方法和系統，其針對實際中飛機速度未知的情況，提出了利用卡爾曼濾波器對滑移率及結合力進行估計，並根據機輪與路面的摩擦特性提出了利用基於摩擦黑箱特性的自適應控制率得到目標機輪減速率，作為以後的控制目標進行飛機防滑剎車，解決了無飛機速度情況下防滑剎車控制的難題。
顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬於本發明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之中。