一种适用于起落架特征频率的防滑刹车控制方法技术领域
本发明涉及飞机刹车系统控制领域，具体时一种适用于起落架特征频率的防滑刹车控制方法。
背景技术
常规的飞机防滑刹车系统主要由刹车指令传感器、刹车控制器(综合完成刹车控制和防滑控制功能)、液压伺服阀、刹车装置、机轮、机轮速度传感器等组成，控制原理见图1。
刹车指令传感器安装在座舱内，一般由飞行员脚踩刹车踏板进行控制，把刹车指令送给刹车控制器，刹车控制器将信号调理放大后，控制液压伺服阀调节送到刹车装置的压力，以制动机轮；为了防止刹车压力太大，致使机轮打滑乃至抱死，刹车控制器会接收来自机轮速度传感器送来的速度信号，并根据机轮速度的变化情况来判断机轮有打滑和抱死的趋势，这时刹车系统就需要松刹车，由刹车控制器输出相应幅值的防滑指令，刹车控制器内的防滑指令产生的内部原理结构框图如图2所示，机轮出现打滑后产生的防滑指令要求降低刹车压力使机轮恢复转动，在实际刹车控制器的设计中，通常都是将刹车控制指令和防滑控制指令作减法运算来产生综合指令，由综合指令来驱动液压伺服阀，调节作用在刹车机轮上的刹车压力。防滑过程结束，机轮速度恢复后，防滑指令会有一个缓慢下降的输出，与飞行员控制的刹车指令一起发挥作用，控制刹车压力再慢慢上升，通过综合控制指令向机轮施加要求的刹车压力，直到下一次的打滑产生，因此飞机的刹车过程就是一个刹车-防滑-再刹-再防滑的往复循环过程。在防滑过程中，刹车控制器通过机轮速度级对输入信号进行一些基本的处理，通过基准速度级设定一个变动的用以判定机轮是否打滑的参考速度门限，刹车控制器在比较级把机轮速度与设定的基准速度作比较，得到一个误差信号，PBM级(PressureBiasModulation，即偏压调制级)根据机轮的打滑时间长短与打滑深度(机轮速度下降程度)，不断调节和修正刹车压力的平均水平，具有一定的随时辨识轮胎与跑道接合状态的自适应能力，因此PBM级的输出是防滑控制指令的稳态分量；误差信号送给瞬时级应会输出一个与机轮当前的打滑深度有关控制分量，类似于通常所说的PID控制的比例环节；误差信号送给微分级就会输出一个与打滑深度的变化率相关的控制分量，其作用相当于PID控制的微分环节；瞬时级、PBM级、微分级的输出按不同的权重在防滑级叠加后产生防滑指令，防滑指令与刹车指令在综合级进行减法运算，产生最终的综合指令，用来控制作用在机轮上的刹车压力。
机轮速度传感器产生的机轮速度信号一般都是与机轮的转速呈正比的频率信号，在刹车控制器中的机轮速度级进行整形放大处理，然后通过脉冲计数法或者频压转换电路得到代表机轮速度的数字信号或者模拟的电压信号，在刹车控制器中进行防滑控制运算。在飞机的防滑刹车过程中，受起落架刚度所限，往往存在起落架与刹车系统的谐振现象，致使防滑系统工作效率低下，伴随着起落架的抖动和啸叫。为了避免起落架抖动对防滑控制系统的影响，一般采用的是调整防滑系统的灵敏度的方法，即对机轮速度以后的各级控制参数进行调整，而这种方法具有明显的局限性。防滑控制参数调节，只能采取提高或者降低防滑系统的灵敏度的方法，这样做通常会出现不可折中的两种极端情况：灵敏度调高会在机轮还没有打滑时提前放压，因此会使飞机的刹车距离明显太长；灵敏度调底会在机轮已经打滑时还不能泄放压力，严重时甚至可能将轮胎刹爆，给飞机的着陆滑行带来安全隐患。这种起落架与刹车系统的谐振会对防滑系统的工作效率产生极端的恶劣影响。采用常规的方法无论从哪个方向均不能从根本上解决现实存在的防滑系统工作频率与起落架发生谐振的问题。
起落架的抖动问题的根本原因是起落架刚度不足。在飞机防滑刹车过程中，当机轮满足打滑条件时，由于防滑系统的工作，刹车系统会降低刹车压力，而刹车压力的突变会引发刹车力矩的改变；因为起落架刚度不足，刹车力矩的改变会让起落架支柱产生前后走步式的抖动。简单地讲就是：刹车产生的阻力让起落架支柱往后变形，防滑系统工作后，系统放压，刹车阻力降低，起落架支柱又往前回弹，如此产生抖动。
起落架的这种前后走步式的抖动还会进一步加大防滑控制的灵敏度，加剧刹车控制器不合时宜地输出不必要的防滑信号的固有缺陷所带来的恶劣影响。因为起落架的前后走步式的抖动，能够让速度传感器叠加产生一个假的速度突变信号，让刹车控制器产生虚假的防滑松刹车信号和打滑解除信号，使由起落架的结构刚度所决定的固有频率与防滑控制系统的工作频率发生谐振。这种谐振轻者会造成起落架的结构的振动、磨损和噪声，以及刹车系统的液压振动、损伤和轮胎磨损，飞机刹不住车，严重情况下会造成起落架和机轮结构的破坏、管路破裂、刹爆轮胎甚至引发飞机的不安全事故。
起落架的特征频率是由其结构所决定的，改变起来比较困难，因此刹车系统必须做出调整，以适应这个频率，确保在这个很不利的工作环境下能够正常工作。起落架在飞机航向的特征频率能够通过常规的仿真计算和测试验证方法来得到，往往能够得到多个特征频率点，但能对防滑刹车系统产生实质影响的基本落在3HZ到30HZ之间，这个频率区间也是防滑系统的工作频率。若起落架在飞机航向的特征频率低于3HZ时，对防滑系统的影响比较柔和，刹车系统还能够正常工作；若起落架在飞机航向的特征频率高于30HZ时，防滑系统对这个高频振动响应不过来，对刹车系统的影响很有限，刹车系统仍然能够正常工作，而且起落架系统在这个相对高频阶段的阻尼也比较大，不会造成多大的损害。而本发明为了解决防滑系统与起落架由于频率相近而产生的相互影响问题，提出要针对起落架的特性频率，在刹车控制器中对机轮速度级输出的机轮速度直流信号通过滤波调理级进行滤波处理，并给出了一个滤波调理级电路的原理图及所选用元器件参数确定方法，通过滤波调理级后再连接到后续的防滑控制电路进行刹车控制器的防滑运算，对采用现有技术的刹车控制器进行改进，改进后的刹车控制器内部工作原理如图3所示。这种简单且在工程上易于实现的解决办法，通过在某型机上的装机验证，表明它对起落架的频率的包容性强，适应范围较宽，是一种能够解决问题的行之有效的方法，具有很强的推广价值。
经检索，在2012年4月《航空精密制造技术》第48卷第2期有一篇中南大学吴华伟等人发表的《飞机刹车制动引起的谐振解决措施》，与本发明相关，也提到了轮速采集及滤波系统，专门还提到了要采取陷波器、迟滞电路等，给出了数字滤波逻辑图，但都是一些理论上的叙述；而本发明明确提出要针对起落架特征频率设计同样频率的带阻滤波器，为了工程上的便利，给出了一种RC有源带阻滤波器，并提供了这种带阻滤波器的设计参数计算方法和电路图，有明确的针对性和可操作性，结构简单，易于实现；在2003年4月《航空精密制造技术》第39卷第2期还有一篇华兴航空机轮刹车系统有限公司张谦发表的《起落架与防滑刹车系统的相互作用研究》对起落架与刹车系统的影响进行了仿真分析，但是并没有提出明确的处理方法；1996年《航空学报》第18卷第2期也有航空609所库玉鳌发表的《刹车与起落架抖动的相互影响》，同样是有分析，但没有明确的可操作设计的处理方法。
发明内容
为克服现有技术中存在的当起落架设计刚度较低时，刹车频率与起落架频率易发生谐振，从而引发起落架系统的抖动、啸叫和防滑刹车效率低的不足，本发明提出了一种适用于起落架特征频率的防滑刹车控制方法。
本发明的具体过程是：
步骤1，确定滤波器的中心频率
通过测试得到飞机起落架在航向上的特征频率。所述的特征频率范围为5HZ～25HZ。
步骤2，滤波调理级电路的连接
所述滤波调理级由带阻滤波器和比例放大电路组成；所述比例放大电路包括运算放大器、电阻R4和R5。
所述运算放大器输入引角的负端引出两路，一路通过电阻R4接到输入信号的负端，另一路通过电阻R5接到所述运算放大器的输出端，所述运算放大器的输出端即带阻滤波器输出信号的正端，输出信号的负端与输入信号的负端相连接。
滤波调理级电路的输出分为两路，其中一路输入基准速度级，另一路输入至比较级，进行防滑运算。
所述带阻滤波器以速度级的输出信号作为输入。该输入信号的正极端通过电容C1和C2后进入运算放大器输入引角的正极端，该输入信号的正极端同时通过电阻R1和R2进入所述运算放大器输入引角的正极端。所述电容C1和C2之间通过电阻R2接到输入信号的负极端；所述电阻R1和R2之间再通过电容C3也接到输入信号的负极端。步骤3，确定滤波调理级电路的元件参数
所述确定的元件参数包括确定各电阻的阻值、各电容的容值，具体是：
Ⅰ确定电阻R2的阻值r2和电容C1的容值c1，使r2和c1满足公式：
r
2
c
1
=
1
4
π
f
-
-
-
(
1
)
]]>
其中：f为带阻滤波器的中心频率，单位为HZ；r2为电阻R2的阻值，单位：Ω；c1为电容C1的容值，单位：F；
Ⅱ确定电阻R1的阻值r1和电容C3的容值c3，使r1和c3满足公式：
r
1
c
3
=
1
π
f
-
-
-
(
2
)
]]>
其中：r1为电阻R1的阻值，单位：Ω；c3为电容C3的容值，单位：F；
Ⅲ确定电阻R3的阻值r3＝r1；电容C2的容值c2＝c1；
Ⅳ确定电阻R4的阻值r4和R5的阻值r5
电阻R4的阻值r4和R5的阻值r5通过公式(3)确定：
V
0
=
r
5
+
r
4
r
4
V
f
-
-
-
(
3
)
]]>
在确定电阻R4的阻值r4和R5的阻值r5时，首先输入直流电压信号Vi，通过滤波器后信号衰减为Vf；再通过电阻R4和R5与运算放大器构成的放大电路，补偿输入信号Vi通过带阻滤波器后的衰减，选择并确定电阻R4的阻值r4和R5的阻值r5，使通过滤波调理级后的最终输出信号V0与原输入的直流电压信号Vi幅值保持不变。
步骤4，刹车控制器的改制
防滑刹车系统中的刹车控制器采集机轮速度信号，并经过调理后转化为直流电压Vi；在机轮速度级的输出端串接步骤2得到的滤波调理级电路，通过该滤波调理级电路对起落架的特征频率进行滤波处理；将滤波调理级电路的输出信号Vo接入刹车控制器后续防滑控制电路。
步骤5，防滑刹车控制
刹车控制器接收来自机轮速度传感器的速度信号，通过机轮速度级采集机轮速度信号，并对采集的机轮速度信号进行调理，通过滤波调理级后使所述机轮速度信号中的起落架特征频率信号衰减，产生调理后的机轮速度信号。将得到的调理后的机轮速度信号输入至刹车控制器的后续防滑控制电路进行防滑刹车系统的控制。得到能够适应于起落架特征频率的防滑刹车控制信号，实现刹车频率与起落架频率匹配。
利用本发明进行刹车系统的防滑控制，能够让防滑刹车系统很好地适应起落架的频率特性，解决防滑系统工作频率与起落架发生谐振的问题，得到能够适应于起落架特征频率的防滑刹车控制信号，实现刹车频率与起落架频率匹配，从而消除刹车频率与起落架频率的谐振及引发的起落架系统抖动、啸叫和防滑刹车效率低的现象。
由于飞机起落架与刹车系统发生谐振，刹车时伴随严重的抖动和啸叫，刹车效率低，刹车距离长，又因为该型飞机没有前轮转弯控制系统，只能通过差动刹车来控制飞机转弯，因此还有转弯困难等问题，对飞机的地面机动能力影响很大。针对某型飞机存在的刹车效率低，差动刹车转弯困难，小速率瞬时刹车失效的问题，运用本发明对其电子防滑刹车控制盒进行改造后，成功解决了十多年来长期困扰用户的难题。
图5～图7是扫描出来的某型飞机在刹车控制器改进前和改进后，刹车系统实物在惯性动力试验台上进行各种工况下的试验时的刹车过程仿真曲线。两次试验采用的均是同样的机轮、刹车装置和刹车系统附件，只有刹车控制器在前两次试验中按本发明进行了滤波调理级的改动。试验过程中均记录的鼓轮速度曲线11用于模拟飞机速度，记录的机轮载荷曲线12模拟地面提供给刹车机轮的支撑力，采取不同的载荷还可以用来模拟机轮与跑道间不同的摩擦系数和飞机升力对地面支撑力的影响，刹车压力曲线13为刹车系统输入给刹车装置的刹车压力，刹车力矩曲线14为测试到的刹车装置产生的刹车阻力矩。
根据试验记录，两次试验相隔3年时间，但刹车装置在正常载荷状态下的刹车距离均为810m左右，说明刹车性能没有明显变化，改进前后的试验结果有很强的可比性。
由改进前后试验曲线可知，改进前，受起落架抖动的影响，刹车系统为了防止机轮抱死，不得已将防滑系统调整得很灵敏，刹车压力曲线13和刹车力矩曲线14在各种工况下均为大幅度变化，工作频率很高，载荷越小，工作频率越高，防滑工作效率下降越严重，造成整体刹车距离很长。而采用本发明对刹车控制器改进后，由于滤波调理级的作用，刹车控制器装在飞机上以后，起落架抖动消除了，刹车效率高了，在厂内的惯性动力试验台上，由试验曲线可见，防滑工作的频次降低了，刹车压力曲线和刹车力矩曲线的波动减小了，但刹车距离明显缩短了，改进前后在各种工况下的刹车距离对照表见表1
表1改进前后不同工况下的刹车距离单位:m
1/1额定载荷 3/4额定载荷 1/2额定载荷 1/4额定载荷 |
改进前 817 1345.49 1711.66 3758.92
改进后 814 952.57 1055.21 2030.76
对刹车控制器的改进和刹车系统的试验结果表明：改进后刹车系统的防滑次数明显减少，工作正常，刹车距离大幅度缩短，防滑效率有明显提高，系统控制水平有大幅度的提升，可以很好地适应于起落架的特征频率，并且满足客户对飞机防滑刹车控制系统的防滑工作品质要求，确保飞机的使用安全。
综上所述，飞机刹车系统在着陆刹车时，为适应于起落架的特征频率，采用本发明所述控制方法对刹车控制器进行改进，能够大幅减轻刹车过程中的起落架抖动，并且对提高防滑工作效率，缩短刹车距离有非常显著的作用，是一种有较大应用价值的刹车控制方法。
附图说明
图1是防滑刹车系统原理图
图2是典型飞机刹车控制器内部原理框图
图3是本发明的刹车控制器内部原理框图
图4是滤波调理级的电路原理图；
图5a是原刹车系统在惯性试验台上进行3/4额定载荷的动力刹车过程曲线；
图5b是刹车系统改进后在惯性试验台上进行3/4额定载荷的动力刹车过程曲线；
图6a是原刹车系统在惯性试验台上进行1/2额定载荷的动力刹车过程曲线；
图6b是刹车系统改进后在惯性试验台上进行1/2额定载荷的动力刹车过程曲线；
图7a是原刹车系统在惯性试验台上进行1/4额定载荷的动力刹车过程曲线；
图7b是刹车系统改进后在惯性试验台上进行1/4额定载荷的动力刹车过程曲线；
图8是本发明的流程图。图中：
1.电容C2；2.电容C1；3.电阻R1；4.电容C3；5.电阻R2；6.电阻R3；7.电阻R4；8.运算放大器；9.电阻R5；10.鼓轮速度曲线；11.机轮垂直载荷曲线；12.刹车压力曲线；13.刹车力矩曲线。
具体实施方式
本实施例是一种适用于起落架特征频率的防滑刹车控制方法，具体过程是：
步骤1，确定滤波器的中心频率
通过现有的加速度计及测试设备，对飞机起落架在航向上的振动频率进行测试，得到该飞机起落架在航向上的特征频率为8HZ，处于5HZ到25HZ范围内，因此将8HZ为本实施例中带阻滤波器的中心频率f。所述5HZ～25HZ的特征频率范围为飞机防滑系统的工作频率。
步骤2，滤波调理级电路的连接
所述滤波调理级由带阻滤波器和比例放大电路组成；所述比例放大电路包括运算放大器8、电阻R47和R59。
根据得到的带阻滤波器的中心频率f确定带阻滤波器。所述的带阻滤波器是对现有技术进行改进得到的。该带阻滤波器以速度级的输出信号作为输入。该输入信号的正极端通过电容C12和C21后进入运算放大器输入引角的正极端，该输入信号的正极端同时通过电阻R1和R2进入所述运算放大器输入引角的正极端。所述电容C1和C2之间通过电阻R2接到输入信号的负极端；所述电阻R1和R2之间再通过电容C3也接到输入信号的负极端。
所述运算放大器输入引角的负端引出两路，一路通过电阻R4接到输入信号的负端，另一路通过电阻R5接到所述运算放大器的输出端，所述运算放大器的输出端即带阻滤波器输出信号的正端，输出信号的负端与输入信号的负端相连接。
滤波调理级电路的输出分为两路，其中一路输入基准速度级，另一路输入至比较级，进行防滑运算。
步骤3，确定滤波调理级电路的元件参数
所述确定的元件参数包括确定各电阻的阻值、各电容的容值，具体是：
1)确定电阻R2的阻值r2和电容C1的容值c1，使r2和c1满足公式：
r
2
c
1
=
1
4
π
f
-
-
-
(
1
)
]]>
其中：f为带阻滤波器的中心频率，单位为HZ；r2为电阻R2的阻值，单位：Ω；c1为电容C1的容值，单位：F；
本实施例选c1＝0.1uF，由公式(1)得到r2＝99.47KΩ，实取r2＝100KΩ。
2)确定电阻R1的阻值r1和电容C3的容值c3，使r1和c3满足公式：
r
1
c
3
=
1
π
f
-
-
-
(
2
)
]]>
其中：r1为电阻R1的阻值，单位：Ω；c3为电容C3的容值，单位：F；
本实施例选c3＝0.22uF，由公式(2)得到r1＝180.86KΩ，实取r1＝180KΩ。
3)确定电阻R3的阻值r3＝r1；确定电容C2的容值c2＝c1；
本实施例电阻R3的阻值选r3＝180KΩ，电容C2的容值c2＝0.22uF；
4)输入直流电压信号Vi，通过滤波器后信号衰减为Vf，再通过电阻R4和R5与运算放大器8构成的放大电路，能够补偿输入信号Vi通过带阻滤波器后的衰减，选择并确定电阻R4的阻值r4和R5的阻值r5，使通过滤波调理级后的最终输出信号V0与原输入的直流电压信号Vi幅值保持不变。电阻R4的阻值r4和R5的阻值r5通过公式(3)确定：
V
0
=
r
5
+
r
4
r
4
V
f
-
-
-
(
3
)
]]>
本实施例选定电阻R4的阻值R4＝100KΩ和R5的阻值R5＝1KΩ；
对以上设计的带阻滤波器电路按如下方法进行特性测试：
在滤波器输入端施加幅值为2V，频率可调的直流电压，测量带阻滤波器的输出信号，其输出特性结果见表1：
表1带阻滤波器特性测试结果(输入电压幅值为2V)
输入频率(Hz) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
输出幅值(V) 1.96 1.6 1.3 1.16 0.92 0.78 0.72 0.7 0.7 0.74
输入频率(Hz) 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
输出幅值(V) 0.84 0.86 0.94 1 1.08 1.14 1.22 1.24 1.26 1.32
输入频率(Hz) 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
输出幅值(V) 1.34 1.4 1.44 1.48 1.48 1.52 1.58 1.6 1.62 1.64
由表1得到，带阻滤波器的阻带为2.6HZ～22HZ(衰减3dB),在中心频率8HZ附近衰减幅度最大，只有原输入幅值的35％。因此设计的带阻滤波器从理论上讲，能够对起落架与刹车系统在8HZ附近的谐振频率幅值有很大的衰减作用，能够很好地抑制这个频率的振动，并且削弱这种频率信号对防滑控制系统的影响。
步骤4，刹车控制器的改制
防滑刹车系统中的刹车控制器都要采集机轮速度信号，并经过调理后转化为直流电压Vi，本实施例要求在机轮速度级的输出端串接步骤2得到的滤波调理级电路，通过该滤波调理级电路对起落架的特征频率进行滤波处理，将滤波调理级电路的输出信号Vo接入刹车控制器后续防滑控制电路。
当刹车控制器接收来自机轮的速度信号时，能够大幅衰减带阻滤波器的中心频率附近的起落架特征频率信号幅值，对其它频率信号则不产生很大的影响，因此不会改变原刹车控制器的防滑控制律。
本实施例所述飞机刹车系统的控制盒为模拟式电子防滑刹车控制盒，通过对机轮速度信号进行调理，输出直流电压信号Vi，其幅值的大小代表机轮速度，将Vi接入步骤3所设计的配有放大功能的带阻滤波器后，再重新所述控制盒的后续防滑控制电路，不会影响所述控制盒所采用的常规的滑移率的防滑控制规律。
步骤5，防滑刹车控制
刹车控制器接收来自机轮速度传感器送来的速度信号，通过机轮速度级采集机轮速度信号，并对采集的机轮速度信号进行调理，通过滤波调理级后使所述机轮速度信号中的起落架特征频率信号大幅衰减，产生调理后的机轮速度信号。将得到的调理后的机轮速度信号输入至刹车控制器的后续防滑控制电路进行防滑刹车系统的控制。得到能够适应于起落架特征频率的防滑刹车控制信号，实现刹车频率与起落架频率匹配，从而消除刹车频率与起落架频率的谐振及引发的起落架系统抖动、啸叫和防滑刹车效率低的现象。
利用本实施例进行刹车系统的防滑控制，能够让防滑刹车系统很好地适应起落架的频率特性，解决防滑系统工作频率与起落架发生谐振的问题。
将改进后的防滑刹车控制盒用于所述飞机的刹车系统中，经外场客户试飞和全面使用验证，该型飞机防滑系统工作频率与起落架发生抖动的幅度明显减弱，客户完全能够接受，而且刹车效率显著提高，彻底解决了差动刹车转弯困难问题。