基于F28335的飛機防滑剎車控制系統(tǒng)設計

容晨峰，劉文勝，陳夢樵，馬運柱

(中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙 410083)

基于F28335的飛機防滑剎車控制系統(tǒng)設計

容晨峰，劉文勝，陳夢樵，馬運柱

(中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙 410083)

采用數(shù)字信號處理器(TMS320F28335)和高精度線性頻幅轉(zhuǎn)換芯片(LM131)等集成芯片搭建了飛機防滑剎車系統(tǒng)的硬件電路，并采用基于跑道識別技術的PD+PBM復合控制算法，結合MATLAB代碼自動生成技術進行軟件設計。系統(tǒng)實現(xiàn)了機輪速度信號的采集、跑道辨識以及防滑控制等功能。為了驗證系統(tǒng)設計方案的可行性，將防滑控制系統(tǒng)結合半物理仿真臺進行仿真實驗。實驗結果表明，系統(tǒng)能夠適應不同跑道狀態(tài)，具有良好的防滑剎車性能。

DSP;防滑剎車；復合控制；自動代碼生成

0 引言

飛機防滑剎車系統(tǒng)是飛機控制系統(tǒng)的關鍵組成部分，其主要作用是在飛機終止起飛和降落過程中確保飛機的安全制動[1]。隨著計算機技術和微電子技術的發(fā)展，飛機剎車系統(tǒng)的防滑控制技術已逐漸由模擬式向數(shù)字式發(fā)展，數(shù)字式剎車系統(tǒng)均采用微處理器作為控制核心，比傳統(tǒng)模擬式控制器的數(shù)據(jù)處理能力及實時響應能力更強，具有更高的集成度，且體積小、重量輕，給設計工作提供了便利的同時提高了剎車效率[2]。

模擬式電子防滑剎車控制系統(tǒng)主要由模擬器件構成，只能實現(xiàn)PID等簡單的控制率，這就限制了其在剎車性能上的進一步提高。針對此問題，本文以TMS320F28335DSP作為主控芯片，結合頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片LM131搭建了系統(tǒng)的數(shù)字式剎車系統(tǒng)的硬件控制電路；在此基礎上，利用模型設計方法完成了防滑控制系統(tǒng)的軟件設計，并采用自動代碼生成技術代替復雜的手工代碼編寫，與傳統(tǒng)編碼方法相比，該方法便于系統(tǒng)模塊的調(diào)試與優(yōu)化，提高了設計效率，加快了系統(tǒng)的開發(fā)速度。

1 系統(tǒng)的組成分析及硬件設計

飛機防滑剎車控制系統(tǒng)的組成與原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要控制電路由信號調(diào)理電路(F/V模塊)、DSP最小系統(tǒng)、V/I模塊、功率驅(qū)動電路等模塊組成。其工作機理是： F/V信號調(diào)理模塊將速度傳感器輸出的正弦速度信號轉(zhuǎn)換為0～3 V的直流電壓信號，進而由主控單元(TMS320F28335DSP)的A/D轉(zhuǎn)換單元進行采集處理，然后將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并通過內(nèi)部程序換算得到相應的機輪速度。若主控單元接到剎車指令，DSP對機輪速度進行綜合處理得到防滑電流，其內(nèi)部EPWM單元根據(jù)防滑電流值輸出相應的PWM電壓信號，PWM電壓信號經(jīng)過V/I模塊后得到電流信號，再經(jīng)過功率驅(qū)動電路得到伺服閥所需電流，最后通過驅(qū)動剎車裝置進行剎車動作。

1.1 信號調(diào)理電路

由于TMS320F28335模擬電壓輸入范圍為0～3 V，在其A/D端口對速度信號進行采樣前，需要對輸入的速度信號進行整形處理[3]。本文基于LM131設計了F/V信號調(diào)理電路，將正弦速度信號轉(zhuǎn)換為TMS320F28335可以采集的直流電壓信號，如圖2。LM131是高線性頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片，所需外圍分立器件較少，分布參數(shù)影響小，高頻特性好[4]。該電路的輸入輸出表達式為：

U0=2.09fiRLRtCt/Rs

(1)

式中，fi為速度信號頻率，U0為輸出電壓。由式(1)可知，該電路模塊的輸出電壓與輸入信號頻率呈線性關系，在外圍電阻、電容值一定的情況下，輸出電壓信號與速度信號的頻率成正比。相比傳統(tǒng)由純分立器件構成的信號轉(zhuǎn)換電路，該電路體積更小，高頻特性更好，簡化了設計和調(diào)試工作。

此外，為了防止DSP的輸入信號過高損壞內(nèi)部的A/D模塊，在LM131輸出端連接一個線性隔離模塊。該電路對DSP的輸入信號進行濾波和幅值調(diào)整，將其調(diào)整為0～3.3V范圍內(nèi)的信號，并減少其中摻雜的干擾信號，以便DSP的A/D口采集。線性隔離電路如圖3所示。

1.2 功率驅(qū)動電路

剎車系統(tǒng)中采用的伺服閥是反向電流型伺服閥，閥門的開度與閥電流的大小成反比，以此來控制剎車裝置的剎車壓力。由于DSP經(jīng)防滑運算后輸出的控制信號是電壓信號，這里需要通過一個V/I轉(zhuǎn)換電路將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，并增大驅(qū)動電流以驅(qū)動伺服閥。電路設計如圖4所示。

2 系統(tǒng)的控制算法設計

飛機剎車主要依靠剎車時輪胎與地面之間產(chǎn)生的結合力進行制動[5]。在飛機重量一定的情況下，影響結合力的主要因素是結合系數(shù)，而結合系數(shù)是由跑道路面狀態(tài)決定的[6]。本文利用非線性跑道辨識觀測器來估計跑道狀態(tài)[7]，該觀測器能夠在機輪速度ω已知的條件下快速準確地獲得跑道狀態(tài)值θ(分別對應干、濕、冰狀態(tài))。根據(jù)所得的跑道狀態(tài)值計算得到最佳滑移率s以及PD+PBM控制器參數(shù)，從而使機輪與

跑道路面的結合系數(shù)維持在最佳值，提高剎車效率，縮短剎車距離。已知輪胎/路面的LuGre模型和系統(tǒng)動力學模型分別如式(2)和式(3)：

(3)

引入式(4)形式的變形可得到飛機縱向動態(tài)模型如式(5)：

(4)

(5)

輸出選為：

(6)

ζ=[η,χ,z]T

(7)

綜上，得到跑道狀態(tài)觀測器模型如下式：

(8)

其中:

(9)

式中,FX是輪胎/路面結合力，F(xiàn)n是地面支持力，J是機輪轉(zhuǎn)動慣量，m是飛機質(zhì)量，μ是結合系數(shù)，ω是機輪速度，vr是相對速度，r是機輪半徑，u是剎車力矩，σ0是剛度系數(shù)，σ1是衰減系數(shù)，σ2是與相對速度成正比的系數(shù)。

由式(6)及式(8)可知，只需測量機輪速度ω就可以正確估計出對應干、濕、冰三種情況的跑道狀態(tài)值θ。

為了減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，縮短系統(tǒng)調(diào)整時間，防止系統(tǒng)長時間處于淺打滑狀態(tài)或頻繁解打滑，本文在PD算法基礎上進行改進設計，通過引入偏壓調(diào)節(jié)模塊構成PBM+PD復合控制算法。根據(jù)跑道狀態(tài)觀測器得到的跑道狀態(tài)值θ可以實時調(diào)整最佳滑移率s和機輪角速度目標值ωr，同時PBM+PD復合控制器能夠根據(jù)不同的跑道狀態(tài)值θ來改變控制參數(shù)，使飛機機輪速度ω能夠迅速跟蹤目標角速度ωr，以提高系統(tǒng)的剎車效率。系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

PBM級的主要設計思想是：當比較級輸出大于某一門限時，PBM的輸出應逐步增大，且誤差小時增長率小，誤差大時增長率大，有利于快速消除誤差；當比較級輸出小于某一門限時，PBM的輸出按某一速率減小，防止系統(tǒng)長時間處于淺打滑狀態(tài)，提高系統(tǒng)剎車效率。PBM級公式如下：

(10)

3 基于自動代碼生成的軟件設計

通常情況下，在防滑控制算法應用于飛機剎車系統(tǒng)前，先用MATLAB進行模擬驗證，再把算法修改成C語言或者匯編語言寫入DSP。隨著對飛機剎車系統(tǒng)控制要求的逐漸提高，控制代碼的復雜程度也不斷提高，為了提高工作效率以及代碼的可靠性，本文采用自動生成代碼的方法完成飛機剎車系統(tǒng)的程序設計，避免了手工編程容易出現(xiàn)錯誤的問題。其具體實現(xiàn)流程如圖6所示。

首先根據(jù)系統(tǒng)需求進行模型搭建，然后對系統(tǒng)各個模塊和系統(tǒng)整體進行仿真調(diào)試，并調(diào)整控制參數(shù)及優(yōu)化算法。系統(tǒng)仿真模型包含控制器模型和被控對象模型。系統(tǒng)模型經(jīng)仿真驗證滿足設計需求后，使用MATLAB/Simulink中的Target Support Package工具包將控制器模型轉(zhuǎn)換成基于F28335的嵌入式模型(如圖7)。嵌入式模型包括以下幾個功能模塊：F28335 eZdsp模塊、A/D采集模塊、防滑控制模塊以及伺服閥驅(qū)動模塊，其中防滑控制模塊為控制算法模塊。該模型經(jīng)過MATLAB/Simulink編譯后，可生成面向TMS320F28335 DSP的C代碼，將其寫入控制芯片。被控對象模型在環(huán)測試時被實際硬件系統(tǒng)代替，最后進行軟硬件聯(lián)合實驗。

4 實驗設計及結果分析

為了驗證算法的可靠性及優(yōu)越性，本文對飛機防滑剎車系統(tǒng)在具有干、濕、冰三種狀態(tài)的混合跑道上進行仿真實驗，分別對采用傳統(tǒng)PID控制算法的控制系統(tǒng)，以及采用基于跑道識別觀測器的PD+PBM復合算法的控制系統(tǒng)得到的結果進行對比分析。

混合跑道設置為飛機著陸剎車開始的前8 s為干跑道，8～15 s飛機由干跑道進入濕跑道，后段則為冰跑道。數(shù)字仿真結果如圖8所示，由圖可見，在切換跑道的瞬間，兩種控制方式都會出現(xiàn)不同程度的打滑現(xiàn)象，這主要是由于輪胎與地面的結合系數(shù)驟變影響了結合力矩而產(chǎn)生的。可以看出，采用傳統(tǒng)PID控制算法的控制系統(tǒng)的打滑程度更為嚴重，且調(diào)節(jié)時間更長，剎車時間為35 s；而采用基于跑道識別觀測器的PD+PBM復合算法的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度更快，在經(jīng)過跑道辨識計算后防滑控制算法能夠迅速調(diào)節(jié)剎車壓力的大小，減小機輪打滑程度，輪速能迅速跟蹤預定速度，剎車23.3 s后達到失效速度。

通過分析兩種控制算法在混合跑道上的仿真結果可知，本文所設計的控制算法具有響應更快和效率更高的優(yōu)點，能滿足各種跑道下的防滑剎車控制要求。

為了進一步驗證控制系統(tǒng)性能以及自動生成代碼的有效性，本文結合半物理仿真臺對所設計的防滑剎車系統(tǒng)進行半物理仿真試驗。由于受到實驗條件和環(huán)境的限制，僅將液壓模擬系統(tǒng)和控制單元部分用實物系統(tǒng)來代替模型接入仿真回路，而飛機機體、起落架、機輪、剎車裝置等用物理實現(xiàn)比較困難的部分采用數(shù)學模型，通過仿真計算機接入仿真回路[8]。實驗設置飛機初始速度為70 m/s，半物理仿真結果圖如圖9所示。

實驗結果顯示，剎車時間為23.484 s，與MATLAB全數(shù)字仿真結果基本一致，驗證了自動生成代碼的有效性，且該防滑剎車控制系統(tǒng)可有效快速地完成防滑剎車工作。

5 結論

本文基于F28335 DSP與LM131完成了飛機防滑剎車系統(tǒng)的設計，給出了剎車控制器的具體硬件電路，實現(xiàn)了信號調(diào)理、速度采集及驅(qū)動控制等功能。文中采用PD+PBM控制算法，在跑道識別技術的基礎上，結合MATLAB自動生成代碼技術進行軟件設計，極大地簡化了代碼設計工作，提高了設計效率，在縮短系統(tǒng)開發(fā)周期的同時保證了系統(tǒng)的高效和穩(wěn)定。

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Design of brake control system for aircraft based on F28335

Rong Chenfeng, Liu Wensheng, Chen Mengqiao, Ma Yunzhu

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University ,Changsha 410083,China)

The hardware design circuit of the aircraft anti-skid braking system, which is based on the digital signal processor (TMS320F28335) and high precision linear F/V converter chip(LM131), is built in this paper. Also，PD+PBM hybrid algorithm based on runway state observer is adopted to design the software by using automatic code generation technology of MATLAB. The system realizes the functions of wheel speed signal acquisition, runway identification and anti-skid control. In order to verify the feasibility of this solution, simulation experiment combining the system with the hardware-in-loop test-bed is carried out. The simulation results demonstrate that this system can adapt different runway states and has good anti-skid braking performance.

Digital Signal Processer (DSP); anti-skid braking; hybrid control; automatic code generation

TP399;V227

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.028

容晨峰，劉文勝，陳夢樵，等.基于F28335的飛機防滑剎車控制系統(tǒng)設計[J].微型機與應用，2017,36(5)：95-98，104.

2016-10-10)

容晨峰(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向：飛機防滑剎車系統(tǒng)。

劉文勝(1967-)，男，博士，教授，主要研究方向：航空制動材料與飛機防滑剎車系統(tǒng)。

陳夢樵(1988-)，男，博士研究生，主要研究方向：飛機防滑剎車系統(tǒng)。