仿真技術(shù)在飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)地面檢測(cè)中的應(yīng)用

何學(xué)工

● （西安航空制動(dòng)科技有限公司，西安 710065）

仿真技術(shù)在飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)地面檢測(cè)中的應(yīng)用

何學(xué)工

● （西安航空制動(dòng)科技有限公司，西安 710065）

仿真技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)的防滑剎車系統(tǒng)的地面檢測(cè)以進(jìn)一步提高其防滑剎車的安全可靠性。結(jié)合某剎車系統(tǒng)，從信號(hào)的采集、信號(hào)的轉(zhuǎn)換以及信號(hào)的處理與控制等幾方面，講述了仿真技術(shù)模擬飛機(jī)在不同路況下的防滑剎車，最終實(shí)現(xiàn)其地面檢測(cè)工作。

防滑剎車系統(tǒng)；地面檢測(cè)；數(shù)據(jù)采集；仿真技術(shù)

0 引言

防滑剎車系統(tǒng)是瞬態(tài)的液壓剎車防滑自動(dòng)控制系統(tǒng)，是充分利用飛機(jī)剎車機(jī)輪與地面之間的摩擦系數(shù)同滑動(dòng)量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，控制飛機(jī)在各種跑道路面情況下，安全可靠地剎車的飛機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)。由于飛機(jī)防滑控制系統(tǒng)對(duì)于飛機(jī)安全著陸至關(guān)重要，故而對(duì)于防滑剎車系統(tǒng)的地面檢測(cè)尤為重要。傳統(tǒng)的檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)只能對(duì)單個(gè)附件（如防滑剎車控制盒、剎車指令傳感器等）性能進(jìn)行測(cè)試，無(wú)法完成整個(gè)防滑剎車系統(tǒng)的測(cè)試。基于以上情況，需要發(fā)展一種系統(tǒng)仿真技術(shù)以對(duì)整個(gè)防滑剎車系統(tǒng)進(jìn)行地面檢測(cè)。

仿真就是設(shè)計(jì)一種真實(shí)系統(tǒng)的模型的程序，并在一系列系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)則的約束中，對(duì)以了解系統(tǒng)行為或評(píng)價(jià)各種戰(zhàn)略為目的的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。起主要優(yōu)勢(shì)在于與大多數(shù)技術(shù)相比，它更簡(jiǎn)單，運(yùn)作起來(lái)不昂貴，而且更靈活。

1 防滑剎車系統(tǒng)仿真系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

該仿真系統(tǒng)由防滑剎車系統(tǒng)、信號(hào)采集及控制系統(tǒng)兩大模塊組成。具體防滑剎車系統(tǒng)要由剎車指令傳感器、防滑剎車控制盒、電液伺服閥和機(jī)輪速度傳感器、驅(qū)動(dòng)裝置、液壓臺(tái)等附件組成；信號(hào)采集和控制系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集卡和工業(yè)用計(jì)算機(jī)組成。如圖1所示。其中采集卡不但具有數(shù)據(jù)采集功能，還具有信號(hào)控制和輸出功能。可采用軟件觸發(fā)，內(nèi)置步進(jìn)器觸發(fā)，外部觸發(fā)等多種觸發(fā)方式。

圖1 防滑剎車仿真系統(tǒng)總體構(gòu)成

其工作原理為程序初始化時(shí)，先設(shè)置本次仿真試驗(yàn)的飛機(jī)初始速度、地面摩擦系數(shù)以及剎車位移等初始參數(shù)。試驗(yàn)開始后，軟件通過(guò)解算飛機(jī)初始速度，將其轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)的控制指令信號(hào)，并發(fā)送給伺服電機(jī)，使之達(dá)到預(yù)設(shè)速度。機(jī)輪速度傳感器轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，軟件解算剎車位移，將其轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)的控制指令信號(hào)，使之驅(qū)動(dòng)剎車指令傳感器到達(dá)預(yù)定位移，輸出預(yù)設(shè)的剎車指令信號(hào)。

防滑剎車控制盒接收到剎車指令傳感器輸出的剎車指令信號(hào)后，給電液伺服閥發(fā)出剎車電流信號(hào)，電液伺服閥隨之控制剎車壓力開始剎車。由于是仿真試驗(yàn)所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)真實(shí)的剎車，所以剎車過(guò)程必須由軟件來(lái)間接實(shí)現(xiàn)。

軟件通過(guò)采集到的各項(xiàng)參數(shù)（包括機(jī)輪速度和剎車電流等信號(hào)），通過(guò)預(yù)設(shè)的摩擦系數(shù)，分析解算出機(jī)輪在下一控制時(shí)刻飛機(jī)的機(jī)輪速度，再將機(jī)輪速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成伺服電機(jī)的控制信號(hào)傳給伺服電機(jī)，帶動(dòng)機(jī)輪速度傳感器變速（模擬剎車）。為實(shí)現(xiàn)模擬防滑過(guò)程，軟件解算出的機(jī)輪速度會(huì)較原來(lái)的速度減小很多，從而模擬機(jī)輪在剛開始剎車時(shí)機(jī)輪速度急速下降的過(guò)程。控制盒在接收到減速后的機(jī)輪速度信號(hào)后，根據(jù)設(shè)定的程序給出松剎信號(hào)，減小剎車電流，降低剎車壓力。軟件檢測(cè)到剎車電流減小后，解算出下一控制時(shí)刻的機(jī)輪速度，模擬真實(shí)剎車的松剎過(guò)程，逐漸提高機(jī)輪速度（以不高于計(jì)算出的勻減速的飛機(jī)速度為準(zhǔn)），完成一次剎車、松剎的過(guò)程（圖2）。如此循環(huán)交替，直至把機(jī)輪速度傳感器的速度值遞減至不防滑時(shí)，軟件控制步進(jìn)電機(jī)回撤，撤掉剎車指令信號(hào)，同時(shí)中斷輸出給伺服電機(jī)的控制信號(hào)，使得機(jī)輪速度傳感器停止運(yùn)動(dòng)，完成整個(gè)仿真試驗(yàn)過(guò)程。

以上一套附件在軟件的作用下形成了閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了防滑剎車系統(tǒng)模擬不同跑道路面下的仿真試驗(yàn)。

圖2 防滑剎車與松剎圖示

2 軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)防滑剎車系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)，軟件設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵。實(shí)際上，驅(qū)動(dòng)采集卡硬件的軟件程序設(shè)計(jì)可以通過(guò)3種方式編制：1）硬件級(jí)別的編程，即直接對(duì)硬件端口的操作；2）驅(qū)動(dòng)程序級(jí)別的編程，即通過(guò)采集卡附帶的驅(qū)動(dòng)程序（通常是DLL編程）；3）使用程序包（已封裝過(guò)的一系列控件和函數(shù)）編程。本文種使用的是采集卡生產(chǎn)商提供的控件，并調(diào)用其中的高級(jí)函數(shù)，開發(fā)工具為Visual Basic。

2.1 信號(hào)采集

本系統(tǒng)信號(hào)采集使用兩種方式：程序控制方式和中斷方式。在進(jìn)行防滑剎車系統(tǒng)聯(lián)試試驗(yàn)時(shí)主要使用中斷觸發(fā)方式。程序使用研華提供的控件DAQAI的中斷觸發(fā)方式，每隔10ms中斷觸發(fā)一次，傳出從起始通道到終了通道采集的90個(gè)信號(hào)值。

控件的具體設(shè)置如下：

以上設(shè)置解釋如下：設(shè)置采樣率為 9000，采樣數(shù)為90（即每隔 90個(gè)數(shù)觸發(fā)一次，亦即觸發(fā)的時(shí)鐘周期為0.01s），起始通道為6通道，終了通道為14通道，每次觸發(fā)每個(gè)通道掃描10次獲得10個(gè)信號(hào)值，為中斷觸發(fā)方式，采集方式為循環(huán)采集（所謂循環(huán)采集工作方式，就是指設(shè)置好采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)后，采集卡將持續(xù)循環(huán)采集數(shù)據(jù)，直至發(fā)生硬件錯(cuò)誤或者用戶發(fā)出中止指令）。

2.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換

通常通過(guò)信號(hào)采集卡獲得的信號(hào)是模擬電壓值，實(shí)際的軟件不能夠直接對(duì)其進(jìn)行分析，必須通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換將其設(shè)置成為與實(shí)際相符的參量。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就對(duì)各個(gè)信號(hào)通道進(jìn)行了信號(hào)校驗(yàn)，通過(guò)采集的信號(hào)值與實(shí)際參量值進(jìn)行比較計(jì)算，獲得各信道的比例因子和零位值。試驗(yàn)過(guò)程中，軟件通過(guò)比例因子和零位值將采集的信號(hào)值轉(zhuǎn)換為實(shí)際參量值。具體公式為：

2.3 信號(hào)處理與控制

采集到信號(hào)后，必須通過(guò)軟件的解算，轉(zhuǎn)換為實(shí)際的各種參數(shù)值。軟件通過(guò)設(shè)定好的飛機(jī)初始速度、摩擦系數(shù)以及剎車位移，根據(jù)一系列的公式計(jì)算出下一控制時(shí)刻的飛機(jī)的速度（即速度傳感器的轉(zhuǎn)速），通過(guò)給伺服電機(jī)發(fā)送指令信號(hào)，以使速度傳感器的信號(hào)不斷得以調(diào)整剎車電流，從而控制電液伺服閥。這樣，控制軟件就和防滑剎車系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)不斷調(diào)整直至把速度傳感器剎停。

控制程序的主體概要如下：

下面就各模塊功能進(jìn)行介紹：

DataDeal（數(shù)據(jù)處理模塊）：1）信號(hào)過(guò)濾：本系統(tǒng)每隔10ms輸出一次采集的信號(hào)，每個(gè)信道各有10個(gè)信號(hào)值，為剔除掉畸變點(diǎn)，軟件采用了剔除最大和最小點(diǎn)后將剩余的8個(gè)點(diǎn)去平均值的方法，獲得一次信號(hào)值；2）參量轉(zhuǎn)換：通過(guò)不同通道的比例因子和零位值，將不同通道的信號(hào)值轉(zhuǎn)換為實(shí)際的參量值；3）分析計(jì)算：根據(jù)不同的參量，根據(jù)初始設(shè)定的摩擦系數(shù)，計(jì)算出下一控制時(shí)刻的機(jī)輪速度值。

DataDisplay（圖形顯示模塊）：1）圖形濾波：通常采集的信號(hào)是連續(xù)的，如果某一個(gè)參量在某一時(shí)刻異常的話就可能導(dǎo)致曲線異常，圖形濾波的功能就是要剔除這些不規(guī)則點(diǎn)；2）圖形顯示：由于防滑剎車仿真試驗(yàn)中，不僅需要監(jiān)控防滑過(guò)程，還需要對(duì)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，故而程序中加入了各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)圖形顯示，將不同的參量按不同的比例在圖線坐標(biāo)系中實(shí)時(shí)繪制出來(lái)，以使試驗(yàn)過(guò)程更為直觀化、形象化，為做完試驗(yàn)后對(duì)整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行分析處理做好準(zhǔn)備。

DataControl（數(shù)據(jù)控制模塊）：根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算出來(lái)的下一時(shí)刻的機(jī)輪速度值，向伺服電機(jī)發(fā)送控制指令信號(hào)。

3 試驗(yàn)

根據(jù)以上原理，搭建了某型飛機(jī)的剎車系統(tǒng)并進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，試驗(yàn)臺(tái)實(shí)測(cè)曲線與較真實(shí)的防滑剎車曲線十分貼近，滿足系統(tǒng)的測(cè)試要求。

圖3 防滑仿真系統(tǒng)模擬防滑剎車曲線（左側(cè)）

4 結(jié)論

防滑剎車仿真系統(tǒng)模擬了飛機(jī)在不同跑道路面上的防滑剎車過(guò)程，便于整個(gè)防滑剎車系統(tǒng)在地面可以進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)試試驗(yàn)，可以對(duì)整個(gè)防滑剎車系統(tǒng)進(jìn)行地面檢測(cè)，有效地降低了防滑剎車系統(tǒng)的裝機(jī)故障率。

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The Application of Simulation Technology in Aircraft Anti-skid Brake System in Ground Examination

HE Xue-gong
(Xi'an Aviation Brake Technology Limited Company, Xi'an 710065, China)

The application of simulation technology in aircraft anti-skid brake system in ground examination is to improve the antiskid braking safety and reliability further. Combined with a brake system, the paper introduces aircraft anti-skid brake system simulation analysis under different road conditions from signal acquisition, signal conversion, signal processing and control, and finally realizes ground examination.

simulation, anti-skid brake system, data acquisition

V226

A

何學(xué)工（1968-），男，高級(jí)工程師。研究方向：機(jī)輪剎車系統(tǒng)。