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飞机地面运动方向控制的仿真研究
王纪森,赵 俊,梁海毅
(西北工业大学 自动化学院,陕西 西安 710072)
飞机地面运动的方向通常采用方向舵、刹车装置或前轮
转弯控制。本文主要研究飞机沿跑道低速运动时利用主轮刹
车控制运动方向的控制问题。飞机防滑刹车系统是飞机上相
对独立的一个子系统,其主要作用是在飞机着陆、滑跑阶段
使飞机速度快速降低,达到缩短滑跑距离的目的,同时在起飞、
着陆及滑行过程中确保飞机运动方向是可控的。刹车系统性
能直接影响到飞机的快速反应、安全返航和升空以及持续作
战能力,进而影响飞机的整体性能。
合理建立飞机地面运动数学模型也是相当重要的。在以
往三自由度飞机模型中,通常假定左右机轮受力相同。本文
在建立飞机地面运动模型时,考虑左右机轮受力不同的一般
情况,模拟由于环境和跑道因素等影响左右机轮载荷不平衡
的场景。通过对左右机轮采用经典的 PID 控制算法,改变左
右机轮的输出刹车力矩,进而解决侧滑、冲出跑道等问题。
1.1
假设条件
1) 将飞机等效为理想刚体,不考虑弹性形变,机体简化
为一集中质量;
2) 飞机滑跑时 6 个自由度简化为纵向、垂直、俯仰 3 个
自由度;
3) 飞机沿 XOZ 平面对称,转动惯量 Ixy 和 Iyz 等效为 0。
1.2
动力学方程
根据牛顿第二定律得出以下各式:
1
飞机机体模型建立
收稿日期:2013
–
07
–
03 稿件编号:201307033
作者简介:王纪森 (1966—),男,陕西大荔人,教授。研究方向:非线性控制、机动车防抱制动控制、电液控制系统及工业过程控制。
考虑左右机轮受力不同,在 simulink 仿真平台下,建立了飞机地面运动的三自由度仿真模型。利用提出的控
制算法,解决了由于左右机轮载荷不平衡而导致飞机侧滑、冲出跑道的问题。仿真结果表明模型、算法是合理有效的。
关键词:simulink;三自由度模型;机轮载荷;飞机侧滑
中图分类号:
TP
319.9
文献标识码:A
文章编号:1674-6236(2014)05-0023-03
摘要
:
Simulation of aircraft direction control on ground motion
WANG Ji-sen, ZHAO Jun, LIANG Hai-yi
(
School of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China
)
Abstract:
Considering that left and right wheels bearing are different, a three degrees of freedom simulation model
of aircraft ground movement is established at Simulink platform in this paper. The proposed control algorithm solves
sideslip and runway problems due to load imbalance left and right wheels. The simulation results show that the model
and the algorithm is reasonable and effective.
Key words:
simulink; three degrees of freedom model; wheels load; aircraft sideslip
式中,飞机着陆时的重力
G
;
升力
L
,
L
=0.5
ρv
2
c
y
s
y
;
前起落架支撑力
N
n
;
左起落架支撑力
N
l
;
右起落架支撑力
N
r
;
发动机推力
T
;
伞阻力
F
s
,
F
s
=0.5
ρv
2
c
s
s
s
;
空气阻力
f
s
,
f
s
=0.5
ρv
2
c
x
s
x
;
前机轮摩擦力
f
n
,
f
n
=
µN
n
;
左机轮摩擦力
f
l
,
f
l
=
µN
l
;
右机轮摩擦力
f
r
,
f
r
=
µN
r
;
发动机推力到飞机重心的距离
h
t
;
伞阻力到飞机中心轴线的距离
h
s
;
前轮中心到飞机重心的水平距离
b
;
主轮中心到飞机重心的水平距离
a
;
俯仰角
θ
。
1.3
仿真模型
飞机地面滑跑时滚转、偏航假设为 0,将飞机六自由度
地面运动方程变为纵向、垂直、俯仰三自由度方程
[1]
,根据
数学方程搭建飞机动力学地面仿真模型。具体如图 1 所示。
(1)
GLNNNma
TF ffffma
Fh Th fffh
N
nl
ssnl
ss tnlr
−− −− =
−−−−−=
−−++ +
nnlr
bNNa Icos( )cos
θ
−+ =
电子设计工程
第
5
期第
22
卷
Vol.
22
No.
5
Electronic Design Engineering
Mar.
2014
2014 年3月