Размещено на http://www.allbest.ru/

Блок управления движением самолёта по земле

1. Послепосадочный пробег самолёта по ВПП

Одним из наиболее ответственных этапов полета самолета является этап его посадки и послепосадочного пробега. На пробеге скорость самолета должна быть погашена от скорости касания до скорости руления или до полной остановки самолета. Уменьшение скорости самолета осуществляется с помощью аэродинамических средств торможения, реверсирования авиадвигателей и колесных тормозов. В любых условиях посадки согласно требованиям норм летной годности НЛГС-3 торможение самолета должно быть обеспечено в пределах бетонной части ВПП. Рассмотрим процесс посадки самолета на примере среднемагистрального самолета Ту-134.

Алгоритм посадки его следующий: в момент касания основными опорами шасси ВПП ручка управления двигателем установлена в положение малого газа; непосредственно после опускания колес носовой опоры шасси и выпуска интерцепторов происходит переключение авиадвигателей в режим реверса тяги, после чего начинается торможение самолета с помощью колесных тормозов. Таким образом, посадочная дистанция состоит из следующих участков: пробег без реверсирования тяги до опускания колес носовой опоры шасси; пробег с реверсом тяги до скорости начала торможения; пробег с реверсированием тяги и торможением колес до скорости V=140 км/ч.

Пробег самолета начинается с момента касания ВПП колесами шасси. Движение самолета на этом участке рассмотрим, как пространственную модель. Уменьшение угла атаки крыла самолета на пробеге = 1^о и выпуск интерцепторов приводят к двукратному уменьшению аэродинамического коэффициента подъемной силы и, несмотря на высокую скорость планера, подъемная сила крыла резко уменьшается, что приводит к энергичному нагружению колес и шасси. Процесс пробега самолета замедляют: сила лобового сопротивления, силы трения качения и трения скольжения, а также сила реверса авиадвигателей.

Отметим инерционность перехода авиадвигателей в режим реверса и наличие коэффициента реверсирования реверсивного устройства авиадвигателя, уменьшающего тягу реверса в сравнении с режимом прямой тяги.

Особо следует выделить режим прерванного взлета, как наиболее тяжелый для задач торможения самолета. Это обусловлено как большим весом самолета, так и более короткой потребной тормозной дистанцией: часть ВПП самолет уже «использовал» для взлета.

2. Взлётно-посадочная полоса. Проблемы эффективного торможения

Коэффициенты сцепления при различных состояниях ВПП

В большинстве аэропортов России ВПП находится в мокром, заснеженном или обледенелом состоянии. В среднем одна посадка из двенадцати выполняется на полосу, покрытую осадками. Наличие на ВПП осадков в виде стоячей воды, снега, слякоти, льда оказывает отрицательное влияние на самолет и его взлетно-посадочные операции: появляется дополнительное существенное сопротивление от ударов слякоти, возникает опасность попадания жидкости в воздухозаборники двигателей, затрудняется управление самолетом и значительно увеличиваются потребные длины ВПП для взлета и посадки самолета.

Основное средство торможения самолета на пробеге - колесные тормоза. При посадке на сухую ВПП 80% энергии движения самолета гасится на пробеге тормозами, остальная энергия самолета гасится аэродинамическим сопротивлением. При посадке на мокрую ВПП тормозами гасится только 50% кинетической энергии движения самолета из-за уменьшения коэффициента сцепления пневматика с поверхностью ВПП.

Значения максимального коэффициента сцепления пневматика с поверхностью ВПП _max и коэффициента трения качения f_k зависят от ее состояния. Осредненные результаты измерений этих коэффициентов для различных состояний ВПП приводятся соответственно в таблицах 1.1 и 1.2.

Осреднённые результаты измерений коэффициентов сцепления при различных состояниях ВПП.

Таблица 1.1

Состояние ВПП	Коэффициент сцепления
Сухая, расчищенная, влажная	0,65
Мокрая	0,45
Иней или изморозь	0,35
Сухой снег	0,45
Сухой снег	0,40
Мокрый снег, слякоть	0,35
Лед	0,3
Лед	<0.3
Утрамбованный снег, мерзлый снег со льдом	0.4

Осреднённые результаты измерений коэффициентов трения качения при различных состояниях ВПП.

Таблица 1.2

Состояние ВПП	Коэффициент трения качения
Сухая	0,033
Влажная	0,045
Мокрая	0,07
Плотное снеговое покрытие	0,052
Рыхлое снеговое покрытие	0,07
Слой талого снега на твердом основании	0,06
Сплошная обледеневшая поверхность	0,11

Жесткое покрытие имеет микронеровности, обусловленные повреждениями плит, которые обладают периодичностью, соизмеримой с протяженностью отпечатка шины. Микронеровности частично сглаживаются пневматикам, но очень влияют на сцепление пневматика с поверхностью ВПП и износ протектора.

Влияние качества покрытия ВПП при разработке программы не учитываются.

1.3 Самолёт как объект управления САА

Планер рассматривается как жёсткая балка с сосредоточенной в центре тяжести массой, нагруженная системой аэродинамических сил, тягой авиадвигателей и реакциями обжатия эластичного пневматика.

Предполагается, что боковые уклоны полосы в зоне пятна контакта пневматиков меняются незначительно, а все из рассматриваемых колёс самолёта поочерёдно следуют один за другим.

Рассматривая в простейшем случае движение самолёта по ВПП как прямолинейное, можно записать уравнение равновесия сил вдоль оси абсцисс для этого случая:

-|Fд| cos - Xa - - jx mпл/g =0,

где |Fд| - модуль вектора тяги авиадвигателей, H; б - угол атаки крыла самолета на пробеге, рад.; цд - угол установки двигателей относительно продольной оси самолета, рад.; Xa - сила лобового сопротивления, Н; Xоош сила сопротивления качению колес основных опор шасси, Н; Xнош сила сопротивления качению колес носовой опоры шасси, Н; jx - ускорение самолета на пробеге, м/с²; mпл - масса самолета, кг; g - ускорение свободного падения, м/с².

Сила лобового сопротивления Xa в данном случае совпадает с Xg - проекцией аэродинамической силы R на ось абсцисс ОgХg.

При качении колес шасси по ВПП возникают силы сопротивления качению, которые зависят от состояния ВПП, вида покрытия и степени деформации пневматиков. При отсутствии торможения сила трения качения колес основных опор шасси определяется Xоош ⁼ f кYоош, гдеYоош - реакция поверхности ВПП на основные опоры шасси. При наличии тормозного момента коэффициент трения качения f к заменяется на коэффициент сцепления м.

Решение уравнения с учетом приведенных выше замечаний позволяет в простейшем случае рассчитать такие посадочные характеристики самолета, как длина пробега, среднее замедление планера.

Большей достоверностью обладает модель самолета, описывающая его плоское движение по ВПП.

Малый контур управления подробно рассматривается в главе 2.

1.4 Принцип управления САА

Функция САА состоит в том, чтобы путём регулирования тормозного усилия в тормозе поддерживать во время торможения определённое, близкое к оптимальному, скольжение, обеспечивая, таким образом, высокие значения продольного и поперечного коэффициентов сцепления и, следовательно, высокую устойчивость самолёта при сохранении тормозной эффективности.

В основном, все современные САА состоят из трёх основных структурных единиц:

- датчики первичной информации ДПИ, поставляют в электронный блок управления БУ необходимую рабочую информацию о параметрах движения объекта управления ОУ - тормозного колеса;

обычно это датчики угловой скорости ДУС, подающие в БУ электрический сигнал Uщk, пропорциональный угловой скорости тормозного колеса щк.

- электронный блок управления, который на основе текущей информации о динамике колеса в соответствии с принятым законом управления, вырабатывает электрический сигнал управления Uy=f, управляющий работой исполнительного устройства ИУ;

- исполнительное устройство, способное изменить тормозной момент Мт, прикладываемый к ОУ, в соответствии с электрическим сигналом Uy на его входе; ИУ обычно состоит из системы дистанционного управления давлением СДУД и фрикционного тормоза Т.

Наиболее важным элементом САА является БУ с алгоритмом управления.

1.5 Используемые технические взлётно-посадочные характеристики самолёта Ту-134

При моделировании использовались различные посадочные массы самолёта: 43, 47.6, 47.8, 49.2 тонн соответственно.

Площадь крыла без наплывов: 115 м.

Посадочные скорости: 70 м/с, 77 м/с, 83 м/с.

Коэффициент лобового сопротивления: 0.05.

Коэффициент подъёмной силы: 0.5.

Изменение коэффициент лобового сопротивления: 0.03.

Изменение подъёмной силы: -0.05.

Плотность воздуха p=1.225 кг/мі при геометрической высоте 0 м.

Ускорение свободного падения g=9.806 м/сІ.

Радиус свободного колеса: 0.5 м.

Усадка пневматика при покое колеса: 0.015 м.

При полностью обжатых тормозных педалях максимальный тормозной момент одного колеса 15000 Hм.

Скоростные характеристики тяги двигателя аппроксимированы квадратичной зависимостью, коэффициенты аппроксимации представлены в таблице 1.6.1.

Fдв=а0+ а1+ а2VІ,

где V скорость планера; а0, а1, а2 - коэффициенты аппроксимации.

Таблица 1.6.1

Режимы переключения двигателя	Коэффициенты аппроксимации
	а0, кГ	а1, кГч/км	а2, кГчІ/кмІ
МГ	420	- 1.29	0.0012
МР	- 50	- 0.5	- 0.0099
Р	- 1500	- 4.5	- 0.0105

В момент касания основных стоек шасси, скорость планера задана в 250 км/ч. Далее, при скорости 220 км/ч переключается на МР, а на скорости 100 км/ч - Р. Fдв измеряется в кГ.

1.6 Современные САА с применением нечёткой логики

Наиболее широко развивается применение нечёткой логики в Японии. Япония является мировым лидером в этом направлении.

ОАО «Авиационная корпорация «Рубин» до недавнего времени была засекреченным предприятием. На нём создавались и создаются, испытывались и изготавливались современные, опытные образцы колесных шасси, гидросистем и тормозных агрегатов к ним для воздушно-космической системы «Буран» и военных самолетов Су-27, МиГ-29 и МиГ-31 и т.д.

В России «Рубин» является лидером в разработке систем торможения для летательных аппаратов и комплектующих их агрегатов. «Рубин» выполнял заказ на партию комплектов авиационных колес и агрегатов тормозных систем с антиюзовой автоматикой новейшей разработки, сделанных специально для перспективных многофункциональных истребителей Су-30МКК по заказу Комсомольского-на-Амуре авиационного производственного объединения.

Управление по скольжению в САА используются, например, на аэробусе А-320. К сожалению на данной САА не учитывается замедление колеса, и алгоритмы, работающие только по скорости колеса, плохо приспосабливаются к изменению условий сцепления, особенно на ВПП с переменным коэффициентом сцепления. На данный момент наибольшее распространение получают комбинированные алгоритмы, работающие по замедлению и по скорости колеса. Например, авиационные САА разрабатываются такой фирмой, как Dunlop.

Широкое применение САА с использованием нечёткой логики нашли и в автомобилестроении. Целый ряд фирм всё чаще внедряют нечёткие контроллеры в системы антиюзовой автоматики на своих современных серийных автомобилях и автомобилях будущего.

2. Математическая модель объекта управления

2.1 Динамика колеса. Малый контур управления

Динамика качения тормозного колеса, описывается выражением, а модель ее представлена на рис. 2.1.1.

, где

- Jk - момент инерции колеса;

- щk - угловая скорость колеса;

- Msc - момент сцепления колеса с ВПП;

- Mт - тормозной момент.

Модель динамики качения тормозного колеса

В модели угловая скорость колеса, формируется интегрированием разницы моментов, действующих на колесо, деленных на момент инерции колеса. Момент сцепления колеса с ВПП, смоделирован произведением силы сцепления на динамический радиус колеса. Сила сцепления эквивалентна силе сопротивления колес основной опоры шасси при движении по поверхности ВПП.

Малый контур управления, представляет собой собственно замкнутую систему управления торможением колёс «регулятор - исполнительное устройство - колесо» и состоит из регулятора, исполнительного устройства, включающего в себя систему дистанционного

2.2 Эластичное колесо как объект управления

Эластичность колеса объясняется тем, что радиус пневматика колеса шасси самолета во время его движения по ВПП не постоянен во времени, а зависит от изменения подъемной силы. Такой радиус, равный расстоянию от центра колеса до поверхности ВПП при движении колеса, будем называть динамическим. Этот радиус выражение моделируется, как разница свободного радиуса от усадки пневматика дnH, которая увеличивается при уменьшении подъемной силы планера.

2.3 Регулятор

Перед входом в нечёткий регулятор сигналы входных переменных скольжения и углового ускорения тормозного колеса с помощью блока Mux преобразуются в векторный сигнал. Блок Mux мультиплексирует скалярные, векторные и матричные сигналы в шину.

2.4 Исполнительное устройство

Исполнительное устройство в модели малого контура управления торможения колеса состоит из системы дистанционного управления давлением и многодискового фрикционного тормоза

Рассмотрим динамику перемещения золотника в зависимости от входной величины, работу каждой подсистемы, расход тормозной жидкости в электрогидроусилителе, формирование давления в первом и втором участке трубопровода, расхода тормозной жидкости в датчике обратной связи, тормозного момента, поведение угловой скорости тормозного колеса и момента сцепления в зависимости от Mт.

2.5 Система дистанционного управления давлением

Рассмотрим, как осуществляется преобразование тока электрогидроусилителя в тормозное давление, в модели СДУД.

Перемещение золотника изменяет расход тормозной жидкости в электрогидроусилителе по закону:

К Хzv210 - Р1, если Хz ? 0

QEGU =К ХzvР1 - 5, если Хz < 0, где

К = 3,3 смі/vкГс - коэффициент передачи на подачу;

К = 6.6 смі/vкГс - коэффициент передачи на слив;

Р1 - давление в первом участке трубопровода.

Это давление смоделировано интегрированием произведения коэффициента на разницу расходов жидкости. Давление ограничено до 210 - подаваемое давление в трубопроводе тормозной системы.

Расход тормозной жидкости в датчике обратной связи смоделирован интегрированием разницы двух произведений: коэффициента S/р/ L2 с разницей давлений и расхода тормозной жидкости в датчике обратной связи на коэффициент 32nV/4/ S.

Модель расхода тормозной жидкости в датчике обратной связи



График расхода тормозной жидкости в датчике обратной связи со второй по третью секунды

Это давление смоделировано интегрированием произведения коэффициента на разницу расходов жидкости.

Модель формирования давления во втором участке трубопровода

График давления во втором участке трубопровода со второй по третью секунды

Расход тормозной жидкости в нагрузке, моделируется по выражению

QН = Zп Sп, где

Zп - скорость перемещения поршня;

Sп = 50 смІ - площадь поршня.

Первоначально моделируются силы: - создающая перемещение поршня в цилиндре; и силы и - препятствующие этому. При суммировании этих сил, получим результирующую силу, поделив ее на массу, получим ускорение перемещения поршня. Проинтегрировав это ускорение первый раз, получим скорость, проинтегрировав второй раз, получим расстояние, на которое переместился поршень. Значения скорости и расстояния используются для формирования сил обжатия и трения. Моделирование расхода тормозной жидкости в нагрузке завершается путем перемножения значений, скорости перемещения поршня на площадь поршня.

Фрагмент графика расхода тормозной жидкости в нагрузке

Модель расхода тормозной жидкости в нагрузке



Модель силы обжатия колеса

Фрагмент графика силы обжатия тормозных дисков

Зная расход тормозной жидкости в нагрузке, мы узнаём давление во втором участке трубопровода. Эта величина является входной для тормоза.

2.6 Фрикционный тормоз

Фрикционный дисковый тормоз создает тормозной момент, зависящий от тормозного давления. Тормозной момент описывается нелинейным уравнением:

Мт= КтКщ Рт, где

Кт - коэффициент передачи тормоза;

Кщ - безразмерный коэффициент, учитывающий изменение коэффициента передачи тормоза от угловой скорости колеса;

mт - нормированная статистическая характеристика тормоза, учитывающая его гистерезис.

Нормированная зависимость тормозного момента от давления

Модель фрикционного дискового тормоза

Сигнал на выходе фрикционного тормоза при работе нечёткого регулятора со второй по третью секунды

Тормозной момент Мт, создаваемый тормозом, действует на тормозное колесо, изменяя его угловую скорость щтк, информация о которой в свою очередь подаётся на регулятор. Максимальное тормозное давление составляет 210, а тормозной момент 15000 Нм. Сформированный момент замыкает модель малого контура управления торможением колеса самолёта.

3. Нечёткий регулятор САА. Нечёткое управление

3.1 Системы нечёткого вывода

самолет посадка торможение движение

Нечеткий вывод занимает центральное место в нечёткой логике и системах нечеткого управления. Процесс нечеткого вывода представляет собой некоторую процедуру или алгоритм получения нечетких заключений на основе нечетких условий или предпосылок с использованием рассмотренных выше понятий нечеткой логики. Этот процесс соединяет в себе все основные концепции теории нечетких множеств: функции принадлежности, лингвистические переменные, нечеткие логические операции, методы нечеткой импликации и нечеткой композиции.

Системы нечеткого вывода предназначены для реализации процесса нечеткого вывода и служат концептуальным базисом всей современной нечеткой логики. Достигнутые успехи в применении этих систем для решения широкого класса задач управления послужили основой становления нечеткой логики как прикладной науки с богатым спектром приложений. Системы нечеткого вывода позволяют решать задачи автоматического управления, классификации данных, распознавания образов, принятия решений, машинного обучения и многие другие.

Поскольку разработка и применение систем нечеткого вывода имеет междисциплинарный характер, данная проблематика исследований тесно взаимосвязана с целым рядом других научно-прикладных направлений, таких как: нечеткое моделирование, нечеткие экспертные системы, нечеткая ассоциативная память, нечеткие логические контроллеры, нечеткие регуляторы и просто нечеткие системы.

3.2 Базовая архитектура систем нечеткого вывода

Рассматриваемые системы нечеткого вывода являются частным случаем продукционных нечетких систем или систем нечетких правил продукций, в которых условия и заключения отдельных правил формулируются форме нечетких высказываний относительно значений тех или иных лингвистических переменных. Поскольку нечеткие лингвистические высказывания имеют фундаментальное значение в контексте современной нечеткой логики.

3.3 Нечеткие лингвистические высказывания

Нечеткое лингвистическое высказывание. Нечетким лингвистическим высказыванием будем называть высказывания следующих видов.

1. Высказывание «в есть б», где в - наименование лингвистической переменной, б - ее значение, которому соответствует отдельный лингвистический терм из базового терм-множества Т лингвистической переменной в.

2. Высказывание «в есть ?б», где ? - модификатор, соответствующий таким словам, как: «ОЧЕНЬ», «БОЛЕЕ ИЛИ МЕНЕЕ», «МНОГО БОЛЬШЕ» и другим, которые могут быть получены с использованием процедур G и М данной лингвистической переменной.

3. Составные высказывания, образованные из высказываний видов 1 и 2 и нечетких логических операций в форме связок: «И», «ИЛИ», «ЕСЛИ-ТО», «НЕ».

Поскольку в системах нечеткого вывода нечеткие лингвистические высказывания занимают центральное место, будем их и далее называть просто нечеткими высказываниями.

Пример. Рассмотрим некоторые примеры нечетких высказываний. Первое из них - «Скольжение тормозного колеса маленькое» представляет собой нечеткое высказывание первого вида, в рамках которого лингвистической переменной «скольжение тормозного колеса» присваивается значение «маленькое». При этом предполагается, что на универсальном множестве X переменной «скольжение тормозного колеса» определен соответствующий лингвистический терм «маленькое», который задается в форме функции принадлежности некоторого нечеткого множества.

Нечеткое высказывание второго вида «скольжение тормозного колеса очень маленькое» означает, что лингвистической переменной «скольжение тормозного колеса» присваивается значение «маленькое» с модификатором «ОЧЕНЬ», который изменяет значение соответствующего лингвистического терма «маленькое» на основе использования некоторой расчетной формулы, например = мА І,) для операции концентрации CON нечеткого множества A для терма «маленькое».

3.4 Механизм или алгоритм вывода в системах нечеткого вывода

Механизм или алгоритм вывода является следующей важной частью базовой архитектуры систем нечеткого вывода. Применительно к системам нечеткого вывода механизм вывода представляет собой конкретизацию методов прямого и обратного вывода заключений в системах нечетких продукций. В данном случае алгоритм вывода оперирует правилами нечетких продукций, в которых условия и заключения записаны в форме нечетких лингвистических переменных.

Для получения заключений в системах нечеткого вывода существует несколько алгоритмов. Описание этих алгоритмов базируется на разделении процесса вывода на ряд последовательных этапов.

3.5 Основные этапы нечеткого вывода

Говоря о нечеткой логике, чаще всего имеют в виду системы нечеткого вывода, которые широко используются для управления техническими устройствами и процессами. Разработка и применение систем нечеткого вывода включают в себя ряд этапов, реализация которых выполняется с помощью основных положений нечеткой логики.

Информацией, которая поступает на вход системы нечеткого вывода, являются измеренные некоторым образом входные переменные. Эти переменные соответствуют реальным переменным процесса управления.

Информация, которая формируется на выходе системы нечеткого вывода, соответствует выходным переменным, которыми являются управляющие переменные процесса управления.

Системы нечеткого вывода предназначены для преобразования значений входных переменных процесса управления в выходные переменные на основе использования нечетких правил продукций. Для этого системы нечеткого вывод должны содержать базу правил нечетких продукций и реализовывать нечеткий вывод заключений на основе посылок или условий, представленных в форме нечетких лингвистических высказываний. Таким образом, основными этапами нечеткого вывода являются.

- Формирование базы правил систем нечеткого вывода.

- Фазификация входных переменных.

- Агрегирование подусловий в нечетких правилах продукций.

- Активизация или композиция подзаключений в нечетких правилах продукций.

- Аккумулирование заключений нечетких правил продукций.

Размещено на Allbest.ru

...