基于模型的民用飛機(jī)自動(dòng)剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

陳國(guó)慧 張 娟 張博強(qiáng) 陸 峰

（西安航空制動(dòng)科技有限公司，西安 710075）

0 引言

民用飛機(jī)自動(dòng)剎車系統(tǒng)是機(jī)輪剎車系統(tǒng)的一部分，能夠減輕飛行員的工作負(fù)擔(dān)，提升乘客的舒適性，提高飛機(jī)起飛和著陸階段的安全性，國(guó)外民用飛機(jī)剎車控制系統(tǒng)均具備自動(dòng)剎車功能[1-2]。本文將基于模型的系統(tǒng)工程應(yīng)用在自動(dòng)剎車系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中[3]，從需求捕獲到確定自動(dòng)剎車系統(tǒng)的需求，建立需求對(duì)應(yīng)的行為模型，將需求更加直觀且無(wú)歧義的表達(dá)、傳遞、確認(rèn)，根據(jù)自動(dòng)剎車系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行模型集成，確認(rèn)其性能能夠達(dá)到利益相關(guān)方的需要，并且能夠在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用模型確認(rèn)、驗(yàn)證需求的合理性、可用性，在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，避免系統(tǒng)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤引起的反復(fù)[4]。

1 自動(dòng)剎車系統(tǒng)原理

自動(dòng)剎車系統(tǒng)是由飛行員控制自動(dòng)剎車選擇開(kāi)關(guān)在需要實(shí)施制動(dòng)前預(yù)先設(shè)定想要的減速率，飛機(jī)需要制動(dòng)時(shí)，自動(dòng)激活其制動(dòng)功能使飛機(jī)停止。自動(dòng)剎車系統(tǒng)提供飛機(jī)起飛階段的終止起飛功能(rejected takeoff，簡(jiǎn)稱RTO)以及著陸階段的自動(dòng)剎車功能。在起飛階段，如果飛行員選擇終止起飛，RTO將輸出最大剎車壓力或者固定減速率使飛機(jī)制動(dòng)。在著陸階段，自動(dòng)剎車提供高、中、低三個(gè)檔位的減速率制動(dòng)飛機(jī)[5]。自動(dòng)剎車系統(tǒng)在工作時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)其相關(guān)產(chǎn)品的性能。自動(dòng)剎車的功能分解如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)剎車功能分解圖

2 基于模型的自動(dòng)剎車設(shè)計(jì)

2.1 基于自動(dòng)剎車系統(tǒng)需求的行為模型

本文采用基于模型的自動(dòng)剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段首先對(duì)需求進(jìn)行定義，根據(jù)用自然語(yǔ)言描述的需求建立基于Library的行為模型，用行為模型確認(rèn)單個(gè)需求的正確性，集成模型完善需求，在確認(rèn)過(guò)程中將模型與需求反復(fù)迭代，最終形成可發(fā)布的需求及模型。將所有需求的行為模型均在Library中建立，并與需求建立連接，實(shí)現(xiàn)需求與模型的一一對(duì)應(yīng)，形成可追溯的鏈條，如圖2 所示。

圖2 基于需求的行為模型

2.2 自動(dòng)剎車系統(tǒng)行為模型庫(kù)

自動(dòng)剎車功能提供的兩種剎車模式均包含：可用、待命、解除待命、激活、快速解除激活以及柔和解除自動(dòng)剎車這六個(gè)狀態(tài)?？捎脿顟B(tài)：主要是通過(guò)判斷剎車系統(tǒng)、減速率、油門桿位置等信號(hào)判斷自動(dòng)剎車是否可用，如果可用則可進(jìn)入下一狀態(tài)，否則自動(dòng)剎車系統(tǒng)將按照故障處理。待命狀態(tài)：通過(guò)輪載信號(hào)判斷自動(dòng)剎車是否可用，腳蹬位置等信號(hào)判斷飛機(jī)是否進(jìn)入自動(dòng)剎車待命狀態(tài)，如進(jìn)入待命狀態(tài)則自動(dòng)剎車開(kāi)關(guān)將鎖定在對(duì)應(yīng)檔位，如飛機(jī)未進(jìn)入自動(dòng)剎車待命狀態(tài)則自動(dòng)剎車選擇開(kāi)關(guān)將回復(fù)到OFF檔位。解除待命：通過(guò)判斷腳蹬位置是否超控等信號(hào)判斷是否解除待命狀態(tài)。激活：在自動(dòng)剎車系統(tǒng)處于待命狀態(tài)后，通過(guò)輪載信號(hào)、油門桿位置、機(jī)輪速度等信號(hào)判斷是否激活自動(dòng)剎車。解除激活：解除激活分為快速解除和柔和解除，當(dāng)自動(dòng)剎車系統(tǒng)故障時(shí)則快速解除，通過(guò)腳蹬位置、飛機(jī)速度判斷飛機(jī)是否退出自動(dòng)剎車。其中柔和解除需要將自動(dòng)剎車輸出的壓力調(diào)整到腳蹬輸出的壓力，其公式如下所示：

其中Pb為實(shí)時(shí)剎車壓力，Pa為自動(dòng)剎車輸出壓力，Pp為腳蹬剎車壓力，Cs為常數(shù)，是壓力上升的斜率。

基于上述的邏輯建立基于Library的自動(dòng)剎車系統(tǒng)的行為模型庫(kù)，模型庫(kù)中包含自動(dòng)剎車系統(tǒng)的所有需求，并實(shí)現(xiàn)了一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 自動(dòng)剎車系統(tǒng)行為模型庫(kù)

2.3 基于Stateflow平臺(tái)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型

根據(jù)需求建立自動(dòng)剎車系統(tǒng)的行為模型庫(kù)后，考慮該系統(tǒng)存在多個(gè)狀態(tài)，且狀態(tài)之間需要互相轉(zhuǎn)換，本文采用有限狀態(tài)機(jī)的圖形實(shí)現(xiàn)工具Sateflow解決這一問(wèn)題，形成著陸階段自動(dòng)剎車以及RTO的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型[6-8]，其形式如圖4 所示。

圖4 基于Stateflow的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

3 基于模型的自動(dòng)剎車系統(tǒng)集成測(cè)試

3.1 基于架構(gòu)的自動(dòng)剎車系統(tǒng)集成模型

自動(dòng)剎車功能主要是由各狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及在自動(dòng)剎車控制律實(shí)現(xiàn)的。對(duì)自動(dòng)剎車系統(tǒng)需求以及行為模型定義后，需確定自動(dòng)剎車系統(tǒng)的功能架構(gòu)，本文確定了著陸階段自動(dòng)剎車以及RTO的架構(gòu)，如圖5 所示，圖中分別對(duì)各狀態(tài)的定義、觸發(fā)條件、功能以及下一步工作進(jìn)行了說(shuō)明。

圖5 自動(dòng)剎車架構(gòu)

根據(jù)著陸自動(dòng)剎車以及RTO的架構(gòu)對(duì)自動(dòng)剎車系統(tǒng)的行為模型進(jìn)行集成，集成自動(dòng)剎車功能模型。該集成模型是在Simulink 中進(jìn)行，將Library中的行為模型以及Stateflow的狀態(tài)模型嵌在Simulink中運(yùn)行，Stateflow是由Library中的事件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在這一過(guò)程中，可對(duì)各需求的接口，完整性以及架構(gòu)的合理性進(jìn)行確認(rèn)，完善需求及架構(gòu)。自動(dòng)剎車功能的集成模型如圖6 所示。其中AutoBrakeLogic模塊為自動(dòng)剎車系統(tǒng)各狀態(tài)判斷、轉(zhuǎn)換的集成模型，LandingAutobrakeBraking以及RTOAutoBrakeBraking為自動(dòng)剎車的控制律，其輸出為飛行員選定的減速率對(duì)應(yīng)的剎車壓力。其中自動(dòng)剎車控制律采用固定減速率控制，飛行員選擇預(yù)定減速率的擋位，實(shí)時(shí)接收飛機(jī)的減速率，經(jīng)過(guò)PID控制算法進(jìn)行計(jì)算，得到其剎車電流，而輸出的剎車電流經(jīng)過(guò)限幅設(shè)置輸出最終的自動(dòng)剎車控制電流，其中限幅設(shè)置主要是根據(jù)不同擋位設(shè)置不同的剎車電流上限，以此解決當(dāng)前跑道能夠提供的最大結(jié)合力與選擇擋位不匹配的問(wèn)題，減少其頻繁打滑的情況。自動(dòng)剎車輸出剎車電流后，將其剎車電流與腳蹬生成的剎車電流以及基于滑移率控制的剎車電流對(duì)比輸出最小的剎車電流，以防止輪胎爆破或者機(jī)輪鎖死的情況。Blending模塊則為公式(1)表達(dá)的模型，即壓力調(diào)整模塊。

圖6 基于Simulink 的自動(dòng)剎車功能集成

3.2 基于模型的測(cè)試用例

完成自動(dòng)剎車系統(tǒng)的需求定義、架構(gòu)設(shè)計(jì)、模型集成后，綜合考慮自動(dòng)剎車系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，包括著陸階段的高、中、低檔位，RTO的最大剎車壓力或固定減速率，以及系統(tǒng)的各需求，利用Variant Model建立自動(dòng)剎車系統(tǒng)的測(cè)試用例，如圖7 所示。測(cè)試用例分別為著陸階段自動(dòng)剎車、著陸階段自動(dòng)剎車超控、RTO以及RTO超控四種場(chǎng)景，在這四個(gè)測(cè)試用例中分別定義了自動(dòng)剎車功能模型的輸入，應(yīng)用.m文件定義測(cè)試用例執(zhí)行的先后順序，分別執(zhí)行這4 個(gè)測(cè)試用例，對(duì)自動(dòng)剎車功能模型進(jìn)行測(cè)試。且對(duì)輸入的參數(shù)值進(jìn)行自動(dòng)化的設(shè)置對(duì)不同工況的被測(cè)模型進(jìn)行測(cè)試[9]。完成自動(dòng)剎車功能模塊的自動(dòng)化測(cè)試。

圖7 自動(dòng)剎車系統(tǒng)測(cè)試用例

4 自動(dòng)剎車系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

自動(dòng)剎車功能集成后，應(yīng)建立自動(dòng)剎車系統(tǒng)的閉環(huán)控制模型，包括自動(dòng)剎車系統(tǒng)的測(cè)試用例、飛機(jī)模型、控制閥模型、機(jī)輪模型、跑道模型，對(duì)各模塊進(jìn)行集成，建立自動(dòng)剎車系統(tǒng)的集成仿真模型。對(duì)其性能進(jìn)行仿真分析，調(diào)試自動(dòng)剎車系統(tǒng)的控制律，使其能夠在不同跑道條件下自動(dòng)調(diào)試，從而使飛機(jī)在整個(gè)剎車過(guò)程中能夠維持在預(yù)設(shè)的減速率。自動(dòng)剎車系統(tǒng)仿真模型能夠在設(shè)計(jì)前期確認(rèn)其邏輯以及性能的正確性，發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，能夠縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，規(guī)避設(shè)計(jì)—生產(chǎn)反復(fù)迭代問(wèn)題，有效提高設(shè)計(jì)效率[10]。

本文以著陸階段自動(dòng)剎車系統(tǒng)的3.0 m/s2的固定減速率，干跑道條件為例進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖8 所示。從仿真結(jié)果可以看出，自動(dòng)剎車系統(tǒng)使飛機(jī)減速率維持在3.0 m/s2附近反復(fù)調(diào)整。

圖8 自動(dòng)剎車系統(tǒng)仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文所應(yīng)用的方法已經(jīng)在民用飛機(jī)自動(dòng)剎車系統(tǒng)研制項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。實(shí)踐表明，基于模型的自動(dòng)剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以快速、有效的對(duì)系統(tǒng)需求、架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行確認(rèn)，具有唯一性、復(fù)用性等特點(diǎn)。建模工具以及需求與模型管理工具的應(yīng)用，可有效減輕研發(fā)人員的重復(fù)工作，更直觀的顯示了需求，輔助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)設(shè)計(jì)思路不斷完善，提高工作效率。此外，基于需求的行為模型能夠避免需求的模糊描述，保證設(shè)計(jì)語(yǔ)言一致性，避免自然語(yǔ)言帶來(lái)的理解歧義，而且系統(tǒng)數(shù)字化模型可以支撐系統(tǒng)級(jí)仿真分析，精確評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理性。