民機(jī)防滑剎車特性分析

摘 要：文章將聯(lián)合仿真技術(shù)應(yīng)用于民機(jī)防滑剎車研究，在LMS Virtual.Lab Motion軟件建立機(jī)身、起落架模型的全機(jī)模型， 聯(lián)合MATLAB/Simulink 軟件建立防滑控制系統(tǒng)模型，采用起落架落震分析的結(jié)果校核模型，然后對大型民機(jī)剎車運(yùn)動進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。結(jié)果表明，該仿真模型能夠準(zhǔn)確模擬飛機(jī)的剎車運(yùn)動，飛機(jī)在干跑道上進(jìn)行仿真得到了理想的剎車效果。

關(guān)鍵詞：民機(jī)；防滑剎車；聯(lián)合仿真

引言

飛機(jī)的起飛和著陸是飛機(jī)事故的多發(fā)階段，大量的統(tǒng)計(jì)表明有50%以上的安全事故發(fā)生在飛機(jī)起飛和著陸階段[1]，剎車是飛機(jī)著陸階段中的一個重要過程。目前，飛機(jī)正向著大噸位、高速度、高可靠性的方向發(fā)展，并且著陸過程時間較短，其間會受到各種內(nèi)外因素的影響，為了保證飛機(jī)和機(jī)載人員的安全，對其剎車系統(tǒng)的剎車性能提出了更高的要求。大飛機(jī)工程是國家正在實(shí)施的一個戰(zhàn)略性大工程項(xiàng)目[2]，其中防滑剎車技術(shù)的難題亟需深入研究和解決。因此對大型民機(jī)剎車性能進(jìn)行分析研究，形成一套具體成熟的研究方法及分析理論，對我國今后各型飛機(jī)，尤其是大飛機(jī)設(shè)計(jì)研制方面具有重要意義。

目前的虛擬樣機(jī)軟件工具大都集中在解決特定領(lǐng)域問題或某幾個領(lǐng)域問題。針對復(fù)雜系統(tǒng)的研發(fā)，需要機(jī)械、動力學(xué)、電子、控制和仿真等多領(lǐng)域的協(xié)同工作，想通過某個虛擬樣機(jī)軟件解決所有問題是不現(xiàn)實(shí)的。因此針對虛擬樣機(jī)建立面向不同對象的模型和進(jìn)行不同領(lǐng)域的協(xié)同仿真，就成為虛擬樣機(jī)當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[3，4，5]。

本項(xiàng)目以某型民機(jī)為研究對象，利用LMS Virtual.Lab Motion軟件， 在三維空間內(nèi)建立帶有起落架的飛機(jī)模型，根據(jù)所建立飛機(jī)剎車系統(tǒng)和防滑控制算法數(shù)字仿真模型，通過數(shù)值分析軟件MATLAB/Simulink 建立了帶有PBM的PID飛機(jī)防滑剎車控制系統(tǒng)。進(jìn)行聯(lián)合仿真和分析。通過仿真結(jié)果，綜合分析和研究飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)性能，為防滑剎車系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和參考。

1 防滑剎車聯(lián)合仿真建模方法

飛機(jī)防滑剎車聯(lián)合仿真分析以LMS Virtual.LAB Motion軟件的多體動力學(xué)建模為核心，利用CATIA生成機(jī)身和起落架幾何模型，聯(lián)合MATLAB/Simulink 軟件建立防滑控制系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真分析，考察飛機(jī)防滑剎車特性。

1.1 建立全機(jī)運(yùn)動模型

LMS Virtual.Lab Motion是一個多學(xué)科功能品質(zhì)工程平臺，其優(yōu)異的性能、廣泛深入的行業(yè)解決方案、開放的平臺，不斷對最新技術(shù)進(jìn)行拓展，使其成為新一代多體動力學(xué)軟件的代表。

建立全機(jī)模型步驟如下：

（1）根據(jù)實(shí)際尺寸，在CATIA中生成機(jī)身和起落架幾何模型。由于起落架系統(tǒng)就夠較為復(fù)雜，在不影響起落架機(jī)構(gòu)原理和仿真精度的前提下對起落架進(jìn)行一定的簡化，簡化的起落架包含斜撐桿、扭力臂、支柱外筒、轉(zhuǎn)動套筒、左右機(jī)輪、活塞桿與輪軸等部件。

（2）將CATIA模型導(dǎo)入LMS Virtual.Lab Motion中，建立分析文件。根據(jù)飛機(jī)起落架各個部件之間的實(shí)際運(yùn)動情況添加相應(yīng)的運(yùn)動副。在模型添加載荷如緩沖器支柱軸力、輪胎力以及重力等，而緩沖器總軸向力包括空氣彈簧力、油液阻尼力和緩沖器結(jié)構(gòu)限制力等。

（3）通過起落架落震對模型進(jìn)行檢驗(yàn)。前起落架使用功落震仿真投放高度為0.474米，緩沖器最大壓縮行程為0.38米，輪胎的最大壓縮量為0.08m，小于輪胎的極限壓縮量0.13m。緩沖器正反行程的總時間為0.7s，滿足小于0.8s的要求。主起落架使用功落震仿真投放高度為0.474米，緩沖器最大壓縮行程為0.42米，輪胎的最大壓縮量為0.17m，小于輪胎的極限壓縮量0.23m。緩沖器正反行程的總時間為0.75s，滿足小于0.8s的要求。

1.2 建立防滑控制模型

LMS VIrtul.Lab軟件提供的控制工具箱只能處理一般的控制環(huán)節(jié)，而MATLAB/Simulink是大型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，能夠處理各種復(fù)雜控制環(huán)節(jié)，將LMS VIrtul.Lab和MATLAB/Simulink結(jié)合使用進(jìn)行聯(lián)合仿真，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，這給那些復(fù)雜系統(tǒng)的研究提供一種新的途徑。

目前，國內(nèi)外已裝備的飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)的控制方式，從大的方面來講有三個大的分支滑移率控制、減速率控制和速度差加壓力偏調(diào)控制[6]。本文采用的是目前國內(nèi)常用的帶壓力偏調(diào)級的PID控制，分為基準(zhǔn)速度級、比較級、瞬時級、微分級、PBM級、綜合驅(qū)動級等部分，基本原理如圖1所示。

圖1 速度差加偏壓控制原理

基準(zhǔn)速度級是以一定規(guī)律的基準(zhǔn)速度來代替飛機(jī)速度，基準(zhǔn)速度級的輸出能響應(yīng)地面結(jié)合系數(shù)的變化。比較級是求得機(jī)輪速度與基準(zhǔn)速度之差，進(jìn)行比例放大，比例放大系數(shù)可調(diào)節(jié)系統(tǒng)靈敏度。瞬時級要求當(dāng)比較級輸出大于某一門限時，進(jìn)行比例放大，否則輸出為0。微分級的輸出與輸入的變化率成正比。綜合級的作用是把瞬時級、微分級和PBM級的輸出按一定比例疊加，并且限制一個最大輸出。驅(qū)動級的主要作用是把綜合級的電壓輸出經(jīng)功率放大并轉(zhuǎn)換成恒流源輸出。

PBM級是整個控制盒最為關(guān)鍵的一部分，剎車效率的提高主要是通過對這一級的放電特性進(jìn)行改善而取得的。PBM 級要求，當(dāng)比較級的輸出大于某一門限值時，PBM 級的輸出應(yīng)逐步增大，且誤差小時增長率小，誤差大時增長率大。如公式1所示，其中，Vl為PBM輸出，V′l0、V\"l0、V″′l0代表狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)出的值， ？駐VIT1、？駐VIT2為PBM級的，門限值，Kl1為升壓速度系數(shù)，Kl2為放電速度系數(shù)。

（1）

1.3 聯(lián)合仿真的實(shí)現(xiàn)方法

1.3.1 定義LMS Virtual.Lab Motion輸入和輸出。LMS Virtual.Lab Motion的輸入和輸出是與 MATLAB/Simulink 設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，LMS Virtual.Lab Motion的輸出就相當(dāng)于防滑控制系統(tǒng)的輸入值，LMS Virtual.Lab Motion的輸入就相當(dāng)于防滑控制系統(tǒng)的輸出。在LMS Virtual.Lab Motion中建立虛擬樣機(jī)后，定義與剎車控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的變量，定義的輸入變量為剎車力矩，輸出變量為輪胎的滾動速度。

1.3.2 生成用于聯(lián)合仿真的中間文件。LMS Virtual.Lab Motion中設(shè)定好輸入輸出變量后，在模型中添加初始速度，選擇MATLAB_sim 方式進(jìn)行仿真計(jì)算，生成的中間文件名為plantout.m。

1.3.3 建立控制系統(tǒng)。在MATLAB中打開防滑控制盒，將中間文件plantout.m添加到MATLAB中，連接中間文件和防滑控制盒，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)行仿真分析。

2 仿真分析結(jié)果

整個仿真過程從飛機(jī)以正常著落重量著陸，機(jī)輪著地剎車開始，最后飛機(jī)速度到達(dá)失效速度（1m/s），整個仿真過程中，防滑控制歷時18.58s，飛機(jī)滑跑距離565.1m。圖2，圖3分別是干跑道下主起落架輪胎的滑移率和每個機(jī)輪的剎車力矩。

從圖中可以看出，在飛機(jī)著落剎車的起始階段，飛機(jī)的剎車力矩很快上升到最高值；之后，剎車力矩上下變化，呈上升趨勢。在高速區(qū)剎車系統(tǒng)工作非常靈敏，輪胎滑移量較淺，解除打滑也比較快。而且經(jīng)過一段時間的調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)工作趨于平穩(wěn)，防滑動作不像起始剎車時那么頻繁，對結(jié)合系數(shù)的利用率較高，即使加上全部的剎車壓力機(jī)輪也不會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

3.1 在LMS Virtual.Lab Motion 中建立了全機(jī)動力學(xué)模型，對前、主起落架分別進(jìn)行了虛擬落震實(shí)驗(yàn)和停機(jī)靜力實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果符合要求，驗(yàn)證了所建立的模型的正確性。

3.2 通過 MATLAB/Simulink 模塊建立了基于速度差的帶有PBM的PID控制系統(tǒng)，建立防滑剎車系統(tǒng)的控制模塊。通過引入PBM來提高系統(tǒng)的剎車效率。

3.3 采用聯(lián)合仿真對飛機(jī)在干跑道的情況進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，所建立的防滑控制系統(tǒng)具有較高的效率，達(dá)到理想的剎車效果。

參考文獻(xiàn)

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