一种飞机电静液刹车控制装置及动态控制方法

1.本发明涉及刹车控制系统技术领域，更具体的说是涉及一种飞机电静液刹车控制装置及动态控制方法。


背景技术：

2.刹车控制系统是飞机起降系统的重要组成部分，在飞机起飞、安全着陆中起着重要作用。它是保证飞机安全运营的重要系统，其工作性能的好坏直接危及飞行安全。目前，飞机上大多采用碳刹车材料，对于碳刹车材料的一个最大特性就是其静摩擦系数相对动摩擦系数小得多，对于军民用飞机为了减小起飞滑跑距离，通常采用发动机加力起飞，这就要求飞机在起飞前将机轮刹停，因此需要较大的静刹车压力，此压力相对飞机正常刹车压力要大得多，所以飞机上配置有静刹车系统，通常是在驾驶舱设置一个简易开关控制系统静刹车的通断，但这种静刹车容易出现误接通，特别是在飞机着陆状态，一旦出现误接通，会将静刹车压力直接引入到刹车机轮，会出现刹爆轮胎，严重影响飞机使用安全。
3.现有的无人机刹车控制系统多采用电静液作动器(eha)，这种泵式电液制动系统，以液压泵和高压蓄能器作为液压动力源对液压力进行调节存在结构复杂、油泵泄露、发热严重等问题。
4.因此，提出一种飞机电静液刹车控制装置及动态控制方法，在保证刹车控制装置稳定工作的前提下实现有效动态控制刹车，提高飞机使用安全是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种飞机电静液刹车控制装置及动态控制方法，降低电静液刹车的油泵泄露、发热严重问题，在飞机需要静刹车时将静刹车系统接通，在不需要静刹车时，保证静刹车不会误接通，消除了误操作的可能，有效提高飞机的安全性，为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种飞机电静液刹车控制装置，包括控制器、无刷直流电机、柱塞泵、储能器、电磁阀、安全阀和液压机构；
7.无刷直流电机输出轴与柱塞泵同轴相连并驱动柱塞泵运转，储能器向柱塞泵提供初始压力，柱塞泵通过安全阀和电磁阀连通液压机构；
8.控制器基于液压机构内部温压信息、无刷直流电机转速信息和液压机构的位移信息进行闭环控制，进而控制电磁阀和无刷直流电机配合驱动液压机构。
9.可选的，所述液压机构具有温度传感器、压力传感器和位移传感器，所述温度传感器和压力传感器均安装在液压机构内，采集温度和压力信息；所述位移传感器设置在液压机构上，采集液压机构的位移信息。
10.可选的，所述控制器通过速度传感器监控所述无刷直流电机转速，通过所述速度传感器获取实时无刷直流电机转速信息。
11.可选的，所述电磁阀在需要进行刹车时处于导通状态，液压机构内部的压力与柱塞泵出口压力相同；当需要实现压力保压功能时，电磁阀位于截止状态，液压机构内部的压力实现保持。
12.可选的，一种飞机电静液刹车控制装置的动态控制方法，包括如下步骤：
13.基于集总参数法构建柱塞泵系统模型和液压系统模型；
14.获取传感器采集的数据信息以及工作频率和负载信息；基于获取的信息以及系统模型构建动态控制系统；
15.设置非线性控制或智能控制策略，包括模糊控制、神经网络控制、自抗扰控制和迭代学习控制中的一种或多种；
16.所述动态控制系统基于控制策略实时调整飞机电静液刹车状态。
17.可选的，所述基于集总参数法构建柱塞泵系统模型的具体步骤为：
18.将液压系统划分为三个流量节点和一个质量节点，分别为入口节点、出口节点、泄露节点和泵外壳节点；
19.引起泄露生热的参数包括出口节点处的柱塞与柱塞孔壁、配流盘与缸体的库伦摩擦损失、黏性摩擦损失，泄露节点的滑靴与斜盘的库伦摩擦损失和黏性摩擦损失；泄露节点处的搅动损耗；
20.构建基于集总参数法构建柱塞泵系统各节点温度的微分方程组；
21.通过拉普拉斯变换求解方程组。
22.可选的，所述基于集总参数法构建液压系统模型的具体步骤为：
23.将液压系统划分8个节点，分别为入口节点、出口节点、储能器、泄露节点、储能器外壳、泵外壳、作动筒和作动筒外壳；
24.引起泄露生热的参数为出口节点处的柱塞与柱塞孔壁、配流盘与缸体的库伦摩擦损失、黏性摩擦损失、泄露节点的滑靴与斜盘的库伦摩擦损失和黏性摩擦损失；
25.构建基于集总参数法进行液压系统各节点温度的微分方程组；
26.通过拉普拉斯变换求解方程组。
27.可选的，包括基于matlab/simulink软件辅助计算，进行动态控制系统的建模、仿真与分析。
28.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种飞机电静液刹车控制装置及动态控制方法，具有如下有益效果：
29.本发明能保证飞机需要静刹车时将静刹车系统接通，在不需要静刹车时，保证静刹车不会误接通，消除了误操作的可能，有效提高飞机的安全性。本发明效率高，频响高，可长期实现起飞线刹车压力保持。
30.本发明无刷直流电机输出轴与柱塞泵同轴相连并驱动柱塞泵运转，储能器向柱塞泵提供初始压力，柱塞泵通过安全阀和电磁阀连通液压机构；控制器基于液压机构内部温压信息、无刷直流电机转速信息和液压机构的位移信息进行闭环控制，进而控制电磁阀和无刷直流电机配合驱动液压机构。实现了对刹车压力的快速、精确控制，具有缓刹、点刹以及大静刹车压力的功能；本发明可以长时间保压，功耗小、建压时间短，到位压力精度高。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
32.图1为本发明提供的装置示意图。
33.图2为本发明提供的柱塞泵框架模型。
34.图3为本发明提供的液压机构框架模型。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本发明实施例公开了一种飞机电静液刹车控制装置，包括控制器、无刷直流电机、柱塞泵、储能器、电磁阀、安全阀和液压机构；
37.无刷直流电机输出轴与柱塞泵同轴相连并驱动柱塞泵运转，储能器向柱塞泵提供初始压力，柱塞泵通过安全阀和电磁阀连通液压机构；
38.控制器基于液压机构内部温压信息、无刷直流电机转速信息和液压机构的位移信息进行闭环控制，进而控制电磁阀和无刷直流电机配合驱动液压机构。
39.进一步的，所述液压机构具有温度传感器、压力传感器和位移传感器，所述温度传感器和压力传感器均安装在液压机构内，采集温度和压力信息；所述位移传感器设置在液压机构上，采集液压机构的位移信息。所述控制器通过速度传感器监控所述无刷直流电机转速，通过所述速度传感器获取实时无刷直流电机转速信息。所述电磁阀在需要进行刹车时处于导通状态，液压机构内部的压力与柱塞泵出口压力相同；当需要实现压力保压功能时，电磁阀位于截止状态，液压机构内部的压力实现保持。
40.进一步的，通过温度传感器、压力传感器采集液压机构内部温压信息，经滤波处理后，控制器接收温压信息构成闭环控制；通过位移传感器采集液压机构的位移信息，经滤波处理后，控制器接收位移信息构成闭环控制；通过速度传感器采集液压机构的速度信息，经滤波处理后，控制器接收速度信息构成闭环控制。
41.控制器保证系统静态精度和动态跟踪的性能，产生速度控制指令并使无刷直流电机准备跟踪。通过设定的给定压力与实际压力相比较，利用其偏差通过控制器来产生无刷直流电机的速度指令，当无刷直流电机初始启动后(大偏差区域)，应产生最大速度指令，使无刷直流电机加速并以最大速度恒速运行，在小偏差区域，产生逐次递减的速度指令，使无刷直流电机减速运行直至最终目标压力与实际压力相等。通过速度控制提高系统的抗干扰性能和动态性能，抑制速度波动。
42.在实施例1中，一种飞机电静液刹车控制装置的动态控制方法，包括如下步骤：
43.基于集总参数法构建柱塞泵系统模型和液压系统模型；
44.获取传感器采集的数据信息以及工作频率和负载信息；基于获取的信息以及系统
模型构建动态控制系统；
45.设置非线性控制或智能控制策略，包括模糊控制、神经网络控制、自抗扰控制和迭代学习控制中的一种或多种；
46.所述动态控制系统基于控制策略实时调整飞机电静液刹车状态。
47.在实施例2中，所述基于集总参数法进行柱塞泵系统模型构建的具体步骤为：
48.将液压系统划分为三个流量节点和一个质量节点，分别为入口节点、出口节点、泄露节点和泵外壳节点；
49.引起泄露生热的参数包括出口节点处的柱塞与柱塞孔壁、配流盘与缸体的库伦摩擦损失和黏性摩擦损失，泄露节点的滑靴与斜盘的库伦摩擦损失和黏性摩擦损失；泄露节点处的搅动损耗；
50.构建基于集总参数法构建柱塞泵系统各节点温度的微分方程组；
51.通过拉普拉斯变换求解方程组。
52.进一步的，设定进油口油温恒定为环境温度，故对液压系统划分为三个流量节点，一个质量节点，分别为入口节点、出口节点、泄露节点和泵外壳节点。考虑液压油泄露引起的泄露生热；出口节点处的柱塞与柱塞孔壁、配流盘与缸体的库伦摩擦损失和黏性摩擦损失，泄露节点的滑靴与斜盘的库伦摩擦损失和黏性摩擦损失；泄露节点处的搅动损耗。构建液压系统集总参数法建模架构如图2所示，其中q
il
为内部泄露，q
el
为外部泄露，t
in
输入温度，t为温度，t
p
、t
wp
、t
t
、t
l
为各节点温度，ta为输出温度，建立集总参数法偏微分方程组：
[0053][0054][0055][0056][0057]cwp
为柱塞泵壳体的比热容；a
fwp
为泄露节点与泵壳体之间的接触面积；a
wpa
为泵壳体与外部环境的接触面积，α
p
为液压油定压膨胀系数，v为液压油速度，m分别为各节点的质量，q、w分别为系统通过边界交换的热量与功量；e为系统总能量，黏性摩擦生热pn与转动部分的库伦摩擦生热pc；泄露等原因引起的容积损失，主要为泄露生热pv；泵体内部高速搅动液压油引起的流体动力损失，即搅动损失pa,d为柱塞泵排量，p为电机功率，ω为柱塞泵转速，c
p
为液压油比热容，ρ为液压油密度，k
fwp
，k
wpa
为对流换热系数，式中，t
acc
，t
wa
，tc，t
wc
分别为各节点的温度；c
wa
为储能罐壳体的比热容。
[0058]
构建基于集总参数法构建柱塞泵系统各节点温度的微分方程组，通过拉普拉斯变换求解方程组。基于集总参数法的柱塞泵液压系统各节点温度的微分方程组已经建立，一般而言，微分方程的求解可通过拉普拉斯变换后求解，也可使用matlab/simulink软件辅助计算。simulink基于matlab强大的计算功能，使用工具箱中的框图可视化仿真模块，能够通过直观的操作，绕过大量的程序语句，实现动态系统的建模、仿真与分析。
[0059]
在实施例3中，所述基于集总参数法构建液压系统模型的具体步骤为：
[0060]
将液压系统划分8个节点，分别为入口节点、出口节点、储能器、泄露节点、储能器外壳、泵外壳、作动筒和作动筒外壳；
[0061]
引起泄露生热的参数为出口节点处的柱塞与柱塞孔壁、配流盘与缸体的库伦摩擦损失、黏性摩擦损失、泄露节点的滑靴与斜盘的库伦摩擦损失和黏性摩擦损失；
[0062]
构建基于集总参数法进行液压系统各节点温度的微分方程组；
[0063]
通过拉普拉斯变换求解方程组。
[0064]
进一步的，对eha液压系统的传热分析，将eha液压系统划分8个节点，分别为入口节点、出口节点、储能器、泄露节点、储能器外壳、泵外壳、作动筒和作动筒外壳，如图3所示。同样考虑了液压油泄露引起的泄露生热；出口节点处的柱塞与柱塞孔壁、配流盘与缸体的库伦摩擦损失、黏性摩擦损失，泄露节点的滑靴与斜盘的库伦摩擦损失、黏性摩擦损失，建立集总参数法偏微分方程组：
[0065][0066][0067][0068][0069][0070][0071][0072][0073]
其中，c
wp
为柱塞泵壳体的比热容；a
fwp
为泄露节点与泵壳体之间的接触面积；a
wpa
为泵壳体与外部环境的接触面积，α
p
为液压油定压膨胀系数，v为液压油速度，m为各节点的质
量，q、w分别为系统通过边界交换的热量与功量；e为系统总能量，黏性摩擦生热pn与转动部分的库伦摩擦生热pc；泄露等原因引起的容积损失，主要为泄露生热pv；泵体内部高速搅动液压油引起的流体动力损失，即搅动损失pa,d为柱塞泵排量，p为电机功率，ω为柱塞泵转速，c
p
为液压油比热容，ρ为液压油密度，k
fwp
，k
wpa
为对流换热系数，式中，t
acc
，t
wa
，tc，t
wc
分别为各节点的温度；c
wa
为储能罐壳体的比热容；a
fwa
为储能罐流体与壳体之间的接触面积；a
waa
为储能罐壳体与外部环境的接触面积；a
fwc
为作动筒流体与壳体之间的接触面积；a
wca
为作动筒壳体与外部环境的接触面积。
[0074]
构建基于集总参数法构建柱塞泵系统各节点温度的微分方程组，通过拉普拉斯变换求解方程组。
[0075]
在实施例4中，设置非线性控制或智能控制策略，包括模糊控制、神经网络控制、自抗扰控制和迭代学习控制中的一种或多种，具体步骤如下：
[0076]
基于集总参数法进行柱塞泵系统模型、液压系统模型构建；
[0077]
获取传感器采集的数据信息以及工作频率和负载信息；基于获取的信息以及系统模型构建动态控制系统，对信息进行预处理；
[0078]
设置基于q学习算法的对角递归神经网络控制策略；
[0079]
s1：建立对角递归神经网络，包括输入层、隐含层和输出层，不同之处在于其隐含层的各神经元有自带递归环，各层间初始权重h
ij
(0)、h
jk
(0)，确定学习率η及权动量项因子ξ(0)；初始化q学习的(s,a)所有参数，观察当前状态s(0)，并令k＝0；
[0080]
s2：计算基于q学习算法优化的drnn控制误差e(k)，q学习的动作a(k)由动作概率分布从动作集合中选择，观察下一个状态s(k+1)；
[0081]
s3：计算对角递归神经网络输出层的输出uk(k)，计算此时q-drnn控制输出u(k)，即为动态控制系统的控制输入；
[0082]
s4：获得奖惩信号r(k)，计算此状态下q学习的q值，计算贪婪动作；修正q-drnn的关键权重h
ij
(k)、h
jj
(k)和h
jk
(k)；
[0083]
s5：更新动作概率分布，令k＝k+1，返回s2，直到qk收敛于最优值函数q
*
为止；
[0084]
将最终控制输出输入到动态控制系统中实现最优控制。
[0085]
在实施例4中，上述系统工作方式可以实现加压刹车、松刹防滑和压力保持三种状态。加压刹车状态，无刷直流电机正转，压力上升；松刹防滑状态，无刷直流电机反转，压力下降；压力保持状态，电磁阀切换到阻断状态，无刷直流电机停转，液压缸保压，随着液压油泄漏，压力降低，当控制器检测到压力低于某一阈值时，无刷直流电机重新启动加压，至压力高于某一阈值时，电磁阀重新切换到阻断状态，无刷直流电机停转。
[0086]
进一步的，包括基于matlab/simulink软件辅助计算，进行动态控制系统的建模、仿真与分析。
[0087]
进一步的，还包括一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行一种飞机电静液刹车控制装置的动态控制方法的步骤。
[0088]
进一步的，还包括一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行一种飞机电静液刹车控制装置的动态控制方法的步骤。
[0089]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0090]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种飞机电静液刹车控制装置，其特征在于，包括控制器、无刷直流电机、柱塞泵、储能器、电磁阀、安全阀和液压机构；无刷直流电机输出轴与柱塞泵同轴相连并驱动柱塞泵运转，储能器向柱塞泵提供初始压力，柱塞泵通过安全阀和电磁阀连通液压机构；控制器基于液压机构内部温压信息、无刷直流电机转速信息和液压机构的位移信息进行闭环控制，进而控制电磁阀和无刷直流电机配合驱动液压机构。2.根据权利要求1所述的一种飞机电静液刹车控制装置，其特征在于，所述液压机构具有温度传感器、压力传感器和位移传感器，所述温度传感器和压力传感器均安装在液压机构内，采集温度和压力信息；所述位移传感器设置在液压机构上，采集液压机构的位移信息。3.根据权利要求1所述的一种飞机电静液刹车控制装置，其特征在于，所述控制器通过速度传感器监控所述无刷直流电机转速，通过所述速度传感器获取实时无刷直流电机转速信息。4.根据权利要求1所述的一种飞机电静液刹车控制装置，其特征在于，所述电磁阀在需要进行刹车时处于导通状态，液压机构内部的压力与柱塞泵出口压力相同；当需要实现压力保压功能时，电磁阀位于截止状态，液压机构内部的压力实现保持。5.一种飞机电静液刹车控制装置的动态控制方法，其特征在于，包括如下步骤：基于集总参数法构建柱塞泵系统模型和液压系统模型；获取传感器采集的数据信息以及工作频率和负载信息；基于获取的信息以及系统模型构建动态控制系统；设置非线性控制或智能控制策略，包括模糊控制、神经网络控制、自抗扰控制和迭代学习控制中的一种或多种；所述动态控制系统基于控制策略实时调整飞机电静液刹车状态。6.根据权利要求5所述的一种飞机电静液刹车控制装置的动态控制方法，其特征在于，所述基于集总参数法构建柱塞泵系统模型的具体步骤为：将液压系统划分为三个流量节点和一个质量节点，分别为入口节点、出口节点、泄露节点和泵外壳节点；引起泄露生热的参数包括出口节点处的柱塞与柱塞孔壁、配流盘与缸体的库伦摩擦损失、黏性摩擦损失，泄露节点的滑靴与斜盘的库伦摩擦损失和黏性摩擦损失；泄露节点处的搅动损耗；构建基于集总参数法构建柱塞泵系统各节点温度的微分方程组；通过拉普拉斯变换求解方程组。7.根据权利要求5所述的一种飞机电静液刹车控制装置的动态控制方法，其特征在于，所述基于集总参数法构建液压系统模型的具体步骤为：将液压系统划分8个节点，分别为入口节点、出口节点、储能器、泄露节点、储能器外壳、泵外壳、作动筒和作动筒外壳；引起泄露生热的参数为出口节点处的柱塞与柱塞孔壁、配流盘与缸体的库伦摩擦损失、黏性摩擦损失、泄露节点的滑靴与斜盘的库伦摩擦损失和黏性摩擦损失；构建基于集总参数法进行液压系统各节点温度的微分方程组；
通过拉普拉斯变换求解方程组。8.根据权利要求1所述的一种飞机电静液刹车控制装置的动态控制方法，其特征在于，包括基于matlab/simulink软件辅助计算，进行动态控制系统的建模、仿真与分析。

技术总结
本发明公开了一种飞机电静液刹车控制装置及动态控制方法，涉及刹车控制系统技术领域，包括控制器、无刷直流电机、柱塞泵、储能器、电磁阀、安全阀和液压机构；无刷直流电机输出轴与柱塞泵同轴相连并驱动柱塞泵运转，储能器向柱塞泵提供初始压力，柱塞泵通过安全阀和电磁阀连通液压机构；控制器基于液压机构内部温压信息、无刷直流电机转速信息和液压机构的位移信息进行闭环控制，进而控制电磁阀和无刷直流电机配合驱动液压机构。本发明保证飞机需要静刹车时将静刹车系统接通，在不需要静刹车时，保证静刹车不会误接通，有效提高飞机的安全性。本发明效率高，频响高，可实现起飞线刹车压力保持。实现了对刹车压力的快速、精确控制。精确控制。精确控制。


技术研发人员：逯九利 卿绿军
受保护的技术使用者：西安航空学院
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/6/27