劉輝 劉沛

1 系統(tǒng)設(shè)計與原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

典型的飛機剎車系統(tǒng)大多是飛機的電傳防滑剎車，飛機防滑剎車系統(tǒng)一般主要由剎車指令傳感器、電磁開關(guān)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(gòu)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(jù)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(jù)機輪滑動的狀態(tài)和深淺計算出所對應(yīng)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(guān)閥使電磁開關(guān)閥開啟，電磁開關(guān)閥會輸出信號到電液壓力伺服閥進(jìn)行接通進(jìn)油通路的操作。防滑剎車控制盒在此基礎(chǔ)上還會將對比綜合后的電流信號輸入電液壓力伺服閥，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹苿恿?，調(diào)整輸出到剎車機輪的剎車壓力，從而實現(xiàn)飛機的剎車。在典型手動飛機剎車的基礎(chǔ)上增加自動剎車選擇開關(guān)，相應(yīng)的在自動剎車控制盒內(nèi)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(tǒng)，為實現(xiàn)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(dǎo)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(tǒng)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(guān)，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(jù)采集到得慣導(dǎo)飛機速度、油門桿信號等，計算出剎車所需達(dá)到的電流，并結(jié)合自動剎車的控制邏輯，在到達(dá)該電流時立即進(jìn)行剎車操作，并將電流輸出到防滑控制模塊，此后進(jìn)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(jìn)行，而自動剎車系統(tǒng)可隨時調(diào)整剎車機輪的剎車壓力，從而實現(xiàn)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(shè)計

自動剎車控制邏輯的設(shè)計主要體現(xiàn)在自動剎車的操作開關(guān)上，自動剎車的開關(guān)檔位通常包括 5 個不同的減速控制檔位、一個關(guān)閉檔位和一個中止起飛檔位。當(dāng)駕駛員在不同減速檔位內(nèi)選擇時，自動剎車控制系統(tǒng)均進(jìn)入著陸模式；當(dāng)駕駛員選擇中止起飛檔位，自動剎車控制系統(tǒng)進(jìn)入中止起飛模式；當(dāng)駕駛員選擇關(guān)閉檔時，自動剎車控制系統(tǒng)不進(jìn)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(jìn)行邏輯判斷。若飛機處于地面模式、剎車系統(tǒng)未出現(xiàn)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(chǎn)生相應(yīng)的剎車電流，送給電磁開關(guān)閥，最終實現(xiàn)飛機的恒定減速。在起飛模式下自動剎車控制模塊進(jìn)行的操作與在著陸模式下相同，不同之處則在于進(jìn)行的邏輯判斷。在起飛模式下，只進(jìn)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(fù)合剎車控制律設(shè)計

實際應(yīng)用中，飛機在實現(xiàn)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(yīng)采用復(fù)合剎車控制律。在系統(tǒng)中，一般將自動剎車控制系統(tǒng)作為前級、防滑控制作為后級設(shè)計。在滿足復(fù)合控制律的條件下，自動剎車系統(tǒng)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(fù)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(jìn)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(jìn)而調(diào)整剎車時的力矩 M，實現(xiàn)飛機在復(fù)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(tài)的系統(tǒng)稱為有限狀態(tài)機（Finite State Machine，F(xiàn)SM），有限狀態(tài)機系統(tǒng)采用事件動的機制，即當(dāng)特定的事件發(fā)生時，系統(tǒng)會將當(dāng)前的狀態(tài)切換到另一個狀態(tài)。Stateflow 用可視的狀態(tài)或轉(zhuǎn)移描述 FSM 系統(tǒng)，是有限狀態(tài)機的圖形實現(xiàn)。在 Stateflow中，用事件組合轉(zhuǎn)移條件控制整個流程，Stateflow 中的圖形界面允許有限狀態(tài)機的設(shè)計方法，即用戶建立起有限個狀態(tài)，并用圖形的形式表現(xiàn)出狀態(tài)遷移的條件，從而反映出有限狀態(tài)機系統(tǒng)。在系統(tǒng)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(jìn)行切換。

3.2 全數(shù)字仿真

在全數(shù)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(tǒng)半物理仿真平臺的軟件系統(tǒng)，然后建立半物理仿真的驗證平臺，圖 1 是自動剎車系統(tǒng)半物理仿真驗證平臺。

該仿真平臺能完成自動剎車系統(tǒng)的全數(shù)字和半物理仿真，也可通過系統(tǒng)的全數(shù)字仿真和半物理仿真對自動剎車系統(tǒng)進(jìn)行驗證與優(yōu)化。在全數(shù)字仿真下，給定系統(tǒng) 3 m/s 2 的恒定減速率，對自動剎車系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

3.3 半物理仿真

半物理仿真下仍用在全數(shù)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(xiàn)場調(diào)取參數(shù)，在 Labwindows 環(huán)境下設(shè)計上位機軟件，軟件主界面上

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

結(jié)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(tǒng)相比于傳統(tǒng)的剎車系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了自動剎車的優(yōu)點，介紹了自動剎車的原理和系統(tǒng)設(shè)計，分析了自動剎車的控制邏輯以及采用復(fù)合剎車方式下的控制率。并最終在 Stateflow 下對自動剎車進(jìn)行了全數(shù)字仿真和半物理仿真，仿真結(jié)果滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。綜上所述，自動剎車具有廣闊的應(yīng)用前景，研究自動剎車控制系統(tǒng)有利于提高我國飛機剎車技術(shù)水平。

（作者單位：西安航空制動科技有限公司）