基于路况识别的飞机防滑刹车自适应控制方法与流程

本公开属于飞机液压刹车系统控制领域，具体涉及一种基于路况识别的飞机防滑刹车自适应控制方法。

背景技术：

飞机刹车系统是保证飞机安全起降的关键子系统之一，飞机能否安全可靠起降，直接影响到飞机及机载人员的安全。随着飞机体积重量的不断增大，着陆环境日趋复杂，使得刹车系统受到诸多外部因素和内部不稳定因素的影响，令飞机起降的可靠性和安全性问题更加突出。

目前大多数飞机采用自动防滑液压刹车系统，它以调节作用在刹车机轮上的压力来改变刹车力矩以保证飞机机轮无抱死刹车(拖胎)，而刹车压力的调节应当与刹车时飞机滑行速度和路面情况相适应，从理论上要求，刹车控制装置应能自动地对轮胎和跑道摩擦系数的最大值进行寻优，使飞机的刹车滑跑距离最短，轮胎和刹车片磨损量最小，实现安全，高效，可靠，迅速地刹停飞机，然而在实际刹车控制器的设计中，实现起来面临诸多难以克服的困难。

在影响刹车效率的众多因素中，除了飞机自身在着陆前飞行速度受着陆环境的影响，以及着路场上风力，路况等自然因素影响，另一关键因素就是防滑刹车系统控制器的控制规律。飞机防滑刹车控制律的问题一直是国内外广泛关注的课题，国内如北航等知名高校，美国兰利中心，波音公司等均投入大量人力物力予以研究。

我国的防滑刹车系统从机械防滑发展到模拟电子防滑，目前已进入数字电子防滑的阶段，但国内常选用多门限pbm控制设计防滑刹车系统的控制律，这种方法通常存在低速打滑现象，所以应用新的控制理论进行防滑刹车系统的设计，也将成为今后防滑刹车的重要研究方向。

技术实现要素：

为了解决至少一个上述技术问题，一方面，本公开提供一种基于路况识别的飞机防滑刹车控制方法，包括：

(1)根据实时采集的刹车压力和实时采集的机轮轮速，获得初始的刹车系统关键参数；

(2)根据初始的刹车系统关键参数和所述刹车压力，获得刹车结合力的变化率和滑移率的变化率，根据刹车系统关键参数获得估计的机轮轮速；

(3)获得所述机轮轮速和所述估计的机轮轮速的差值，即实际轮速和估计轮速的差值；根据所述实际轮速和估计轮速的差值以及刹车压力，获得刹车系统关键参数的调节量；刹车系统关键参数等于所述初始的刹车系统关键参数与所述调节量之和；

(4)根据所述刹车结合力的变化率和所述滑移率的变化率生成目标机轮减速率；

(5)根据所述目标机轮减速率生成目标机轮轮速；

(6)根据所述目标机轮轮速和所述机轮轮速，生成防滑控制量并输出给飞机刹车系统。

根据本公开的至少一个实施方式，用所述调节量对所述初始的刹车系统关键参数进行调节后，生成的刹车系统关键参数替代所述步骤(2)中的初始的刹车系统关键参数。

根据本公开的至少一个实施方式，基于所述调节量对由于刹车系统关键参数改变而导致的刹车压力变化进行补偿。

根据本公开的至少一个实施方式，根据所述刹车结合力的变化率和所述滑移率的变化率生成目标机轮减速率的具体步骤为：

根据设定的机轮减速率上限值、初始的指令-减速率比例系数以及飞行员刹车压力指令，判断目标机轮减速率是否超出所述设定的机轮减速率上限值；

如果目标机轮减速率超出所述设定的机轮减速率上限值，则判断所述刹车结合力的变化率和所述滑移率的变化率的比值是否大于δ，如果大于，则输出目标机轮减速率，并令所述设定的机轮减速率上限值等于所述目标机轮减速率，如果不大于，则输出刹车压力与刹车系统关键参数的乘积作为目标机轮减速率；

如果目标机轮减速率未超出所述设定的机轮减速率上限值，则判断所述刹车结合力的变化率和所述滑移率的变化率的比值是否大于δ，如果大于，则输出目标机轮减速率，如果不大于，如果不大于，则输出刹车压力与刹车系统关键参数的乘积作为目标机轮减速率；

其中，δ为刹车过程中用于判定是否找到路面最大摩擦力点的阈值。

根据本公开的至少一个实施方式，将所述防滑控制量连同刹车指令压力共同作为总输出，输出给所述飞机刹车系统。

另一方面，本公开提供一种基于路况识别的飞机防滑刹车控制系统，包括：

系统初始参数估计模块，根据实时采集的刹车压力和实时采集的机轮轮速，获得初始的刹车系统关键参数；

系统状态观测模块，根据初始的刹车系统关键参数和所述刹车压力，获得刹车结合力的变化率和滑移率的变化率，根据初始的刹车系统关键参数获得估计的机轮轮速；

系统参数自适应模块，获得所述机轮轮速和所述估计的机轮轮速的差值，即实际轮速和估计轮速的差值；根据所述实际轮速和估计轮速的差值以及刹车压力，获得刹车系统关键参数的调节量；刹车系统关键参数等于所述初始的刹车系统关键参数与所述调节量之和；

目标机轮减速率生成模块，根据所述刹车结合力的变化率和所述滑移率的变化率生成目标机轮减速率；

目标机轮轮速生成模块，根据所述目标机轮减速率生成目标机轮轮速；以及

机轮轮速控制模块，根据所述目标机轮轮速和所述机轮轮速，生成防滑控制量并输出给飞机刹车系统。

根据本公开的至少一个实施方式，用所述调节量对所述初始的刹车系统关键参数进行调节后，生成的刹车系统关键参数替代输入到所述系统状态观测模块中的初始的刹车系统关键参数。

根据本公开的至少一个实施方式，所述机轮轮速控制模块还基于所述调节量对由于刹车系统关键参数改变而导致的刹车压力变化进行补偿。

根据本公开的至少一个实施方式，所述目标机轮减速率生成模块根据所述刹车结合力的变化率和所述滑移率的变化率生成目标机轮减速率的具体步骤为：

根据设定的机轮减速率上限值、初始的指令-减速率比例系数以及飞行员刹车压力指令，判断目标机轮减速率是否超出所述设定的机轮减速率上限值；

如果目标机轮减速率超出所述设定的机轮减速率上限值，则判断所述刹车结合力的变化率和所述滑移率的变化率的比值是否大于δ，如果大于，则输出目标机轮减速率，并令所述设定的机轮减速率上限值等于所述目标机轮减速率，如果不大于，则输出刹车压力与刹车系统关键参数的乘积作为目标机轮减速率；

如果目标机轮减速率未超出所述设定的机轮减速率上限值，则判断所述刹车结合力的变化率和所述滑移率的变化率的比值是否大于δ，如果大于，则输出目标机轮减速率，如果不大于，如果不大于，则输出刹车压力与刹车系统关键参数的乘积作为目标机轮减速率；

其中，δ为刹车过程中用于判定是否找到路面最大摩擦力点的阈值。

根据本公开的至少一个实施方式，将所述防滑控制量连同刹车指令压力共同作为总输出，输出给所述飞机刹车系统。

本公开的上述方法和系统仅用有限实时采集的刹车压力信号及轮速信号，在系统参数估计和状态观测模块中通过合理的简化条件(忽略空气阻力与升力，初始刹车阶段刹车压力较小致使机轮减速率较小)，实现了对刹车过程关键参数k的初始化(k＝kb/m,其中kb为刹车盘力矩系数，m为飞机质量)。在前述条件下可得到机速减速率与轮速减速率近似相等，进而通过积分轮速减速率得到机速，利用观测得到的机速与采集到的轮速做计算得到滑移率，直接数值微分得到dλ；再利用机轮动力学方程结合初始阶段的kb并进行数值微分得到刹车结合力的变化率df，通过计算dλ与df比的绝对值作为识别路况，进而控制机轮得到跑道所能提供最大结合力刹车的依据。

另外由于在初始阶段刹车压力小致使滑移率的变化也小，所以将滑移率中机速与轮速分别由机速的变化率和轮速的变化率代替，并结合机轮动力学方程解得机轮轮速变化率，再对其进行数值积分可得到模型观测出的轮速值。根据观测的轮速与实际轮速做差通过类似m.i.t类型的调参方法生成系统参数k的调节量δk即可实现k的自适应调节；系统初始化后结合上述计算参数通过设定判断初始化最大机轮计算率，初始指令-减速率系数，减速率安全阈量三个关键参数生成目标减速率；最后通过观测轮速与实际轮速的轮速差经过控制器结合δk产生防滑控制量，实现不同路况下的自适应防滑控制。

本公开的优点在于：

1)通过刹车压力信号及采集的轮速信号即可对刹车系统关键参数k完成初始化，并设计控制器实现自适应校正。

2)可通过计算所得的系统关键参数k结合刹车压力实现对系统状态量df,dλ，以及轮速的观测。

3)通过系统观测参数实现刹车系统在不同路况最佳滑移率下最优减速率的轮速防滑控制。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开至少一个实施方式的单一跑道状态下机轮与跑道结合力与滑移率的关系曲线(图1中纵坐标f为结合力，横坐标λ为滑移率)。

图2是本公开至少一个实施方式的基于路况识别的飞机防滑刹车控制方法和控制系统的控制框图。

图3是本公开至少一个实施方式的目标机轮减速率生成模块流程图。

图4是本公开至少一个实施方式的轮速控制模块流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

如图3-4所示，本实施方式的基于路况识别的飞机防滑刹车控制方法，包括：

(1)根据实时采集的刹车压力bc和实时采集的机轮轮速ω，获得初始的刹车系统关键参数initk；

(2)根据初始的刹车系统关键参数initk和刹车压力bc，获得刹车结合力的变化率df和滑移率的变化率dλ，根据初始的刹车系统关键参数initk获得估计的机轮轮速

(3)获得机轮轮速ω和估计的机轮轮速的差值δω，即实际轮速和估计轮速的差值；根据实际轮速和估计轮速的差值以及刹车压力bc，获得刹车系统关键参数k的调节量δk；刹车系统关键参数k等于初始的刹车系统关键参数initk与调节量δk之和；

(4)根据刹车结合力的变化率df和滑移率的变化率dλ生成目标机轮减速率

(5)根据目标机轮减速率生成目标机轮轮速ωd；

(6)根据目标机轮轮速ωd和机轮轮速ω，生成防滑控制量abc并输出给飞机刹车系统。

在本实施方式中，用调节量δk对初始的刹车系统关键参数initk进行调节后，生成的刹车系统关键参数k替代步骤(2)中的初始的刹车系统关键参数initk。

在本实施方式中，基于调节量δk对由于刹车系统关键参数k改变而导致的刹车压力bc变化进行补偿。

在本实施方式中，根据刹车结合力的变化率df和滑移率的变化率dλ生成目标机轮减速率的具体步骤为：

根据设定的机轮减速率上限值、初始的指令-减速率比例系数以及飞行员刹车压力指令，判断目标机轮减速率是否超出设定的机轮减速率上限值；

如果目标机轮减速率超出设定的机轮减速率上限值，则判断刹车结合力的变化率df和滑移率的变化率dλ的比值是否大于δ，如果大于，则输出目标机轮减速率并令设定的机轮减速率上限值等于目标机轮减速率如果不大于，则输出刹车压力bc与刹车系统关键参数k的乘积作为目标机轮减速率

如果目标机轮减速率未超出设定的机轮减速率上限值，则判断刹车结合力的变化率df和滑移率的变化率dλ的比值是否大于δ，如果大于，则输出目标机轮减速率如果不大于，如果不大于，则输出刹车压力bc与刹车系统关键参数k的乘积作为目标机轮减速率

其中，δ为刹车过程中用于判定是否找到路面最大摩擦力点的阈值。

在本实施方式中，将防滑控制量abc连同刹车指令压力pbc共同作为总输出bc，输出给飞机刹车系统。

本实施方式的基于路况识别的飞机防滑刹车控制系统，包括：

系统初始参数估计模块，根据实时采集的刹车压力bc和实时采集的机轮轮速ω，获得初始的刹车系统关键参数initk；

系统状态观测模块，根据初始的刹车系统关键参数initk和刹车压力bc，获得刹车结合力的变化率df和滑移率的变化率dλ，根据刹车系统关键参数initk获得估计的机轮轮速

系统参数自适应模块，获得机轮轮速ω和估计的机轮轮速的差值δω，即实际轮速和估计轮速的差值；根据实际轮速和估计轮速的差值以及刹车压力bc，获得刹车系统关键参数k的调节量δk；刹车系统关键参数k等于初始的刹车系统关键参数initk与调节量δk之和；

目标机轮减速率生成模块，根据刹车结合力的变化率df和滑移率的变化率dλ生成目标机轮减速率

目标机轮轮速生成模块，根据目标机轮减速率生成目标机轮轮速ωd；以及

机轮轮速控制模块，根据目标机轮轮速ωd和机轮轮速ω，生成防滑控制量abc并输出给飞机刹车系统。

在本实施方式中，用调节量δk对初始的刹车系统关键参数initk进行调节后，生成的刹车系统关键参数k替代输入到系统状态观测模块中的初始的刹车系统关键参数initk。

在本实施方式中，机轮轮速控制模块还基于调节量δk对由于刹车系统关键参数k改变而导致的刹车压力bc变化进行补偿。

在本实施方式中，目标机轮减速率生成模块根据刹车结合力的变化率df和滑移率的变化率dλ生成目标机轮减速率的具体步骤为：

根据设定的机轮减速率上限值、初始的指令-减速率比例系数以及飞行员刹车压力指令，判断目标机轮减速率是否超出设定的机轮减速率上限值；

如果目标机轮减速率超出设定的机轮减速率上限值，则判断刹车结合力的变化率df和滑移率的变化率dλ的比值是否大于δ，如果大于，则输出目标机轮减速率并令设定的机轮减速率上限值等于目标机轮减速率如果不大于，则输出刹车压力bc与刹车系统关键参数k的乘积作为目标机轮减速率

如果目标机轮减速率未超出设定的机轮减速率上限值，则判断刹车结合力的变化率df和滑移率的变化率dλ的比值是否大于δ，如果大于，则输出目标机轮减速率如果不大于，则输出刹车压力bc与刹车系统关键参数k的乘积作为目标机轮减速率

其中，δ为刹车过程中用于判定是否找到路面最大摩擦力点的阈值。

在本实施方式中，将防滑控制量abc连同刹车指令压力pbc共同作为总输出bc，输出给飞机刹车系统。

更详细的，结合图1对刹车问题进行描述：

由跑道与机轮结合系数影响因素，在单一跑道状态下结合力与滑移率的趋势关系如图1所示，在单一跑道状态下利用跑道所提供的最大结合力进行刹车，也即找曲线最高点所对应的滑移率，并控制刹车压力使得滑移率达到这一最大滑移率。路况发生改变或轮载发生变化，则曲线会发生跳变，需动态的平稳的追踪当前结合状态下的最大结合力，在这一过程中，机轮应尽可能不出现打滑状态。

另外，在此状态下，观察曲线形状可以得到下面的结论。当跑道状态不发生改变时，机轮工作点在曲线上来回运动。

在最高点的左侧运动时，无论工作点向上运动还是向下运动(1或4)，df/dλ>0恒成立。反之，工作点在最高点右侧运动时，不论是向上运动还是向下运动(2或3)，df/dλ<0恒成立。并且越接近最高点，df/dλ的绝对值越小。根据这一特征，可以进行控制律设计，使得机轮与地面的结合力接近跑道所能提供的最大结合力，从而提高刹车系统效率。

若要进行滑移状态的判定，需要知道df/dλ的值的大小。对于整个刹车系统来说，输入参数只有刹车指令和机轮转速两个参数，要得到结合力的变化率df和滑移率的变化率dλ必须对输入的数据进行处理，利用算法估计出所需要的量进行检测和控制。

本公开的基于路况识别的飞机防滑刹车自适应控制方法和控制系统总体控制框图2所示，整个防滑刹车自适应控制系统有一个根据路况判定目标机轮减速率的生成器，目标机轮减速率生成器在机轮处于防滑状态时，输出目标的减速率该减速率输入到下一单元目标轮速生成模块中去，该模块的作用是将输入的目标机轮减速率结合初始速度生成目标轮速，将目标轮速与实际轮速作差得到的误差值输入下一级的轮速控制器中去，由轮速控制器产生防滑量abc，连同飞行员给出的刹车指令压力pbc一起，共同作为总输出bc输出给刹车系统。再将总输出bc结合机轮轮速进行系统初始参数估计、系统参数自适应、系统状态观测，用于初始系统参数initk与参数模型观测轮速以及df与dλ的估计。

总体而言，整个控制系统分为3个部分，系统参数估计模块和系统状态观测模块，目标轮速生成部分，目标机轮减速率生成模块与轮速控制模块，下面分别对3个部分进行详细介绍。

一、系统参数估计模块和系统状态观测模块，功能是通过输入轮速和刹车指令，观测并自适应得到刹车系统关键参数k以及估计df与dλ两个量的大小。主要包括如下几个部分：

(1)系统初始状态估计：

利用在初始刹车状态下系统参数如刹车盘结合系数等变化不大的情况下，进行系统参数的初步近似估计，用于路况检测。

由于机轮方程：

式中j为机轮转动惯量，ω为机轮转动角速度，ff为结合力，r为机轮半径，tb为刹车力矩，μ为轮胎与跑道表面结合系数，fn为作用在机轮上的垂直载荷。便于分析简单，现将空气阻力与升力忽略(加上空气阻力和升力计算方式不变)：

式中vp为飞机速度，现将式1，2联立得：

式中bc·kb为1式中刹车力矩tb，kb为刹车盘力矩系数，bc为刹车压力。在初始开始刹车时，由于刹车压力很小，即bc很小，所以导致很小，又由于机轮转动惯量很小，和bckb两项差别可达到上百倍，故忽略此时有：

即：

令系统参数

则：

此时，由于刹车压力小，滑移率也较小，此时可得则代入反求系统参数k，在初始状态下，可得：

到此可得到初始参数initk。

(2)系统状态观测：

该部分主要目的是利用框图中输入的系统参数k，计算估计得到df与dλ，以及系统根据系统参数k反算出的轮速

根据上面描述，在初始阶段，在打滑未发生时，由于系统压力较小，满足两个条件，即：和bc·kb两项差别可达到上百倍，且知:

则可直接利用积分积出飞机速度vp，在计算得到vp后，由于轮速可以采集，可以由公式：

可计算滑移率λ，直接微分即可得到滑移率微分dλ。又由于：

根据实验结果，可观察出在初始阶段的kb，则给定一个初始值kb，即可进行df的计算，在此可以指出，kb的初值对df的变化影响不大。到此即求出df的值，此处及上处微分的处理均采用微分跟踪器(td)，在此不再赘述。

由于：

在初始阶段，压力小，所以滑移率的变化也很小，此时有：

将式13带入式3进行整理有：

则，上下同时除以m得：

由于j/m非常小，所以将之忽略，得到

此处的滑移率λ可由上面求dλ时产生的λ代替，将上述值进行积分，即可得到由模型观测出的轮速

(3)系统参数自适应：

该部分的输入为即估计轮速和实际轮速的差值，此处导致估计轮速和实际轮速有差的原因在很大程度上可归结为系统参数k的变化(在没有打滑的情况下)。故可设计自适应律，根据轮速的差值δω，生成系统参数调节量δk，并同初始系统参数initk一起生成系统参数。

在这里，系统参数调节量δk的调节方式采样类似m.i.t类型的调参方法，将轮速的差值直接作为系统参数的输入，该误差越大，则说明k参数应当向误差变化相反的方向发展，误差越大，则k的调整量应当越多。为了防止参数最终出现抖动的现象，在此采用pid控制器，将轮速误差δω作为控制器的输入，pid的控制器输出作为k参数的调整量δk。有：

δk＝kp[δω+1/ki∫δωdt+kddδω/dt](17)

此时：

k＝initk+δk(18)

如此即达到了可以利用轮速自适应系统参数的目的。

二、目标机轮减速率生成模块，功能：通过输入的由输入结合力变化率和滑移率变化率，生成目标机轮减速率。

(1)在进行刹车控制前，需要设定3个参数，dωmax0，k0，dωs，含义分别为初始最大机轮减速率，初始指令-减速率比例系数，减速率安全阈量。

最大机轮减速率：设定的机轮最大减速率。

指令-减速率比例系数：刹车指令与减速率之间的线性对应系数，k0＝dωmax/bcmax。

减速率安全阈量：即将出现打滑时机轮减速率指令的减量。

在开始刹车时，即启动判定df/dλ>δ若飞行员指令给到最大时，此判定仍然为真，那么防滑控制不再输出控制，输出使能信号为0，直到该判定条件为假。

δ为大于0但接近0的数，当条件df/dλ<δ满足时，判定达到了路面最大摩擦力点，并进行目标减速率设定等一系列步骤，当条件不满足时，判定还未找到最大摩擦力点，压力仍需增加。

在开始刹车后，如果满足了该条件为假，那么记录此时得刹车压力指令为bcmax，即压力最大值。在整个轮速控制期间，bc必须都保证小于bcmax以保证机轮不出现打滑现象。此时，由于未发生打滑，则可以根据：

两式联立得到的：

并带入bcmax得到dωmax:

作为dωmax0。并记录此时的dc。此时k＝dωmax0/dc。dωs＝k*dωmax0。式中k为一安全系数，取值小于1一般取0.1。

进行完上述判定及赋值之后，开始如图3流程。

根据输入的指令，根据初始比例分配目标机轮减速率，判定目标机轮减速率是否超过最大值，若判定为真：

则继续判定df/dλ>δ是否为真。按照图3中所述更新变量值，并输出机轮减速率作为模块输出。

若判定为假，则按照图3更新变量，输出机轮减速率同上。二者的最大区别在于在判定df/dλ>δ为真的情况下是否要进行最大机轮减速率更新。

三、轮速控制模块，功能：输入机轮减速率，控制机轮转速，输出防滑量。结构框图如图4。

该模块输入为上个模块产生的目标机轮减速率与轮速采样，输出为防滑控制量，同时防滑控制量也是该系统的总输出。

该模块的作用是控制轮速ω到预期轮速ωd。当前轮速减去机轮减速率乘以控制周期可以得到所需的目标轮速，将这一轮速作为控制目标进行控制即可。

e(k)＝ωd-ω(24)

此处采用pid控制器：

u(t)＝kp[e(t)+1/ti∫e(t)dt+tdde(t)/dt](25)

此处未避免系统发散不设置d参数。

打滑检测的部分也在此部分进行。在此通过上述步骤产生的滑移率和机轮减速率进行处理，调节参数kp以调节机轮打滑状态下松压程度的大小，在检测到λ＞kλ·λmax且dω＜kω·dωmax时，输出δdc＝kp(df/dλ)与dc做和运算即：dc＝dc+δdc，δdc＝kp(df/dλ)。

除此之外，此模块输入还有δk，用于做由于系统参数改变导致的压力补偿，由于：

在刹车过程中k的改变其实也反应出了kb的变化，因为整个刹车过程中，飞机质量基本是不发生改变的，改变的只是刹车盘结合系数kb。根据k的改变的大小，乘以相应的系数kp，即可进行压力补偿。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。