， 　， 　(中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院， 天津　300300)

引言

飛機(jī)在著陸和滑跑時(shí)會(huì)與地面劇烈碰撞引起顛簸，這對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)和飛機(jī)安全都極為不利。傳統(tǒng)油-氣減震器只能被動(dòng)地對(duì)受到地面的沖擊做出反應(yīng)，因此需要一種可調(diào)節(jié)、適應(yīng)能力強(qiáng)的新型減震器來吸收和耗散沖擊產(chǎn)生的能量。磁流變減震器能夠根據(jù)飛機(jī)著陸和滑跑時(shí)來自跑道的激勵(lì)，通過調(diào)節(jié)作用在磁流變減震器上的電流，即磁場(chǎng)強(qiáng)度來改變輸出的阻尼力。目前，磁流變減震器在建筑、橋梁和高端汽車上已有廣泛應(yīng)用[1-3]，但在我國航空運(yùn)輸方面的應(yīng)用研究還比較少。由于外加磁場(chǎng)的非線性、回滯性和飽和性，磁流變減震器是一個(gè)非線性系統(tǒng)，常規(guī)控制方法如PID控制，難以滿足控制要求。模糊控制不依賴于被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)非線性、時(shí)變性系統(tǒng)具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性和魯棒性，控制方法簡單。參數(shù)自整定模糊控制有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，在被控對(duì)象特性變化或擾動(dòng)的情況下進(jìn)行自動(dòng)校正，仍能保持較好地控制性能。

1　LabVIEW模糊工具包簡介

LabVIEW是美國某公司推出的一種基于數(shù)據(jù)流的圖形化編程語言——G語言、具有編譯能力的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，基于該平臺(tái)的模糊邏輯工具包具有友好的人機(jī)交互界面，直觀方便地進(jìn)行模糊控制器設(shè)計(jì)，并與完善的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析和其他外部擴(kuò)展設(shè)備緊密結(jié)合，快速搭建交互式控制系統(tǒng)圖形用戶界面，進(jìn)行模糊控制器仿真與應(yīng)用。

LabVIEW的模糊邏輯工具包為基于規(guī)則的模糊控制器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)高效方便的開發(fā)環(huán)境，子程序主要包括以下部分[4,5]：

1) 模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)VI(Fuzzy System Designer)

由模糊集合編輯器、模糊規(guī)則庫編輯器和輸入輸出性能測(cè)試三部分組成。通過友好的人機(jī)圖形交互界面，用戶可以直觀方便地設(shè)計(jì)模糊控制器的隸屬函數(shù)、控制規(guī)則、解模糊化方法等參數(shù)，并對(duì)模糊控制器的輸入、輸出性能進(jìn)行測(cè)試。設(shè)計(jì)好的模糊控制器，以*.fc 形式保存于數(shù)據(jù)文件中。

2) 模糊控制器VI(FL Fuzzy Controller.vi)

將設(shè)計(jì)好的模糊控制器作為一個(gè)圖形功能模塊應(yīng)用于后臺(tái)的框圖程序中，多個(gè)控制器并聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)模糊系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

3) 模糊系統(tǒng)載入VI(FL Load Fuzzy System.vi)

同模糊控制器VI連接的后臺(tái)框圖程序，用于將保存在*.fc數(shù)據(jù)文件中的所有模糊控制器參數(shù)加載到模糊控制器VI中。

4) 模糊系統(tǒng)保存VI(FL Save Fuzzy System.vi)

將設(shè)計(jì)好模糊控制器數(shù)據(jù)保存為*.fc形式文件。

2　起落架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立

以飛機(jī)起落架系統(tǒng)為模型進(jìn)行簡化，考慮到系統(tǒng)非線性對(duì)震動(dòng)性能的影響及研究問題的需要，作如下假設(shè)：機(jī)身部分荷載質(zhì)量具有相當(dāng)大的慣性，且彈性相對(duì)較小，可以把機(jī)身部分視作剛體，減震彈簧彈性大而慣性比機(jī)身的小得多，可以簡化成只有彈性而無質(zhì)量的彈性元件，機(jī)輪簡化為單自由度的阻尼元件，因此，簡化的起落架系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1　起落架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

圖1中，mb為機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等組成的簧載質(zhì)量；mt為緩沖器支柱、機(jī)輪及輪胎等構(gòu)成的非簧載質(zhì)量；Wb為簧載質(zhì)量重力；Wt為非簧載質(zhì)量重力；FL為機(jī)體所受升力；kb為等效緩沖器支柱剛度；cη為磁流變減震器的粘滯阻尼系數(shù)；xb為飛機(jī)機(jī)體的位移；xt為輪胎中心的垂直位移；kt為輪胎等效剛度；q為路面輸入激勵(lì)。

根據(jù)牛頓第二定律，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

(1)

式中，參照文獻(xiàn)[6]、[7]：

FL=[1.2-0.9tanh(3t)](Wb+Wt)

(2)

F=Fη+Fc+Fa

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，pge和Vge分別為磁流變減震器氣室的初始?jí)簭?qiáng)和初始體積；Ap為缸筒內(nèi)腔截面積；Ar為活塞有效直徑。

3　LabVIEW模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1　模糊控制器設(shè)計(jì)[8,9]

控制器采用參數(shù)自調(diào)整模糊控制，控制原理如圖2所示，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和控制精度。取機(jī)身垂直加速度a和機(jī)身位移xb作為模糊控制系統(tǒng)的輸入量，輸出量為大小變化的電流值I。

圖2　模糊控制原理圖

(1) 輸入、輸出量模糊化與隸屬度函數(shù)確定。對(duì)于模糊控制器的輸入量機(jī)身垂直加速度a和機(jī)身位移xb，選擇適當(dāng)?shù)牧炕蜃舆M(jìn)行歸一化處理，輸入量模糊論域均為[-1,1]，對(duì)應(yīng)模糊子集劃分為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，輸出量電流i模糊論域?yàn)閇0,1]，對(duì)應(yīng)模糊子集劃分為{ZO,S,SM,M,SB,MB,B}，輸出量論域調(diào)節(jié)因子ks、ka的模糊論域均為[0,1]，對(duì)應(yīng)的模糊子集為{ZO,S,M,B}，輸入、輸出變量均采用三角形隸屬度函數(shù)。在LabVIEW的Tools菜單下選中Fuzzy System Designer項(xiàng)就會(huì)進(jìn)入模糊系統(tǒng)的編輯界面，選項(xiàng)卡Variables可以對(duì)輸入、輸出量的論域范圍及隸屬度函數(shù)參數(shù)設(shè)置，如圖3a所示。

(2) 模糊規(guī)則建立及解模糊化。模糊規(guī)則庫是由一系列“if-then”型式的語句構(gòu)成，選項(xiàng)卡Rules可以對(duì)模糊規(guī)則進(jìn)行建立和編輯，選擇需要的推理算法和解模糊化方法，并可以為每條控制規(guī)則設(shè)置相應(yīng)的加權(quán)值，對(duì)模糊規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化。本研究采用最大中心法(CoM)解模糊化，如圖3b所示。

(3) 模糊系統(tǒng)測(cè)試。選項(xiàng)卡Test System可對(duì)設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)輸入、輸出特性進(jìn)行測(cè)試，如圖3c所示。三維的模糊控制規(guī)則顯示圖可以直觀地表達(dá)輸入輸出的關(guān)系及控制規(guī)則是否完備，以利于模糊系統(tǒng)的改進(jìn)優(yōu)化，調(diào)試好后，以*.fc形式保存于數(shù)據(jù)文件fuzzycontrol1.fc及fuzzycontrol2.fc中。

模糊控制規(guī)則如表1。

圖3　LabVIEW模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2　模糊控制仿真

通過LabVIEW的模糊邏輯工具箱和其他控件在框圖程序中構(gòu)建完整的模糊控制系統(tǒng)， 起落架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型通過數(shù)學(xué)模塊菜單下選擇腳本與公式中的MathScript節(jié)點(diǎn)完成?？刂葡到y(tǒng)的前面板用戶界面和程序框圖如圖4所示。設(shè)置仿真參數(shù)，加載.fc文件，運(yùn)行模糊控制系統(tǒng)VI，就可以直觀方便地對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，在前面板用戶界面以曲線和數(shù)值的形式動(dòng)態(tài)顯示。

表1　模糊控制規(guī)則表

圖4　LabVIEW模糊控制系統(tǒng)軟件

表2　模型仿真參數(shù)

在LabVIEW環(huán)境下，起落架磁流變減震系統(tǒng)模型在不同時(shí)刻的機(jī)身垂直加速度(a)、機(jī)身相對(duì)位移(s)和機(jī)輪動(dòng)載荷(ft)的仿真曲線如圖5所示。

圖5　不同控制方式下的仿真結(jié)果比較

仿真結(jié)果表明，機(jī)身垂直加速度、機(jī)身位移和機(jī)輪動(dòng)載荷的峰值明顯減小，峰值個(gè)數(shù)減少，相比于被動(dòng)控制，模糊控制具有較好的控制效果。

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)系統(tǒng)以飛機(jī)起落架系統(tǒng)為模型進(jìn)行簡化，模糊控制器作為反饋調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁流變減震器阻尼力的模糊控制。實(shí)驗(yàn)震動(dòng)平臺(tái)(如圖6所示)主要有以下幾個(gè)部分組成：

(1) 液壓源為系統(tǒng)提供動(dòng)力，供油壓力21 MPa；

(2) 震動(dòng)臺(tái)部分主要由減震器、減震器臺(tái)面、垂直油缸、伺服閥、位移傳感器、加速度傳感器等組成的垂直震動(dòng)系統(tǒng)。伺服閥選用美國某公司SE60-SIISBNA60，位移傳感器選用廣州某公司YCM-LPM和NS-WY02型回彈式位移傳感器，加速度傳感器選用上海某公司SCA320-CC5V1G；

(3) 硬件控制電路中各路傳感器數(shù)據(jù)通過信號(hào)放大、調(diào)理，控制器為DSP28335控制板；

(4) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由上、下位機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡組成，完成整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)字閉環(huán)控制。上、下位機(jī)為臺(tái)灣某公司的IPC610，A/D、D/A由PCI1716板卡實(shí)現(xiàn)。

圖6　磁流變減震器試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)

LabVIEW平臺(tái)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和外部擴(kuò)展功能，上位機(jī)中基于LabVIEW模糊控制系統(tǒng)軟件可以通過擴(kuò)展接口讀取傳感器采集的位移、加速度信號(hào)，并作為模糊控制系統(tǒng)輸入量，得出相應(yīng)電流值，數(shù)據(jù)傳給DSP控制板，驅(qū)動(dòng)輸出適當(dāng)電流，圖7是模糊控制和被動(dòng)控制下實(shí)驗(yàn)效果數(shù)據(jù)對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模糊控制下的加速度(a)、位移(s)峰值有所減小，低于被動(dòng)控制，本研究的模糊控制系統(tǒng)在磁流變減振器震動(dòng)實(shí)驗(yàn)中起到了一定的控制作用。

圖7　不同控制方式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

5　結(jié)論

利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)和模糊邏輯工具包實(shí)現(xiàn)了起落架磁流變減震器的模糊控制，體現(xiàn)了模糊控制的魯棒性和動(dòng)態(tài)特性，通過參數(shù)自整定和量化等級(jí)調(diào)整提高了模糊控制精度，控制效果較好。

LabVIEW圖形化的人機(jī)交互界面、強(qiáng)大的信號(hào)處理模塊及外部設(shè)備擴(kuò)展功能可以方便、直觀地對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤處理，提高了模糊控制系統(tǒng)的開發(fā)效率，具有較大的工程實(shí)用價(jià)值。

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