飞机起落架缓冲器的主动控制技术的分析与研究
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摘要
在飞机起飞和着陆过程中，由着陆冲击和跑道不平引起的冲击载荷和振动，会造成飞机机体疲劳损伤、乘客不适及地面驾驶操纵能力的降低。因此，在设计飞机起落架缓冲器时，必须限制起落架传递给飞机的冲击载荷。传统的起落架缓冲器是一种被动控制系统，其参数一经选定，在飞机起降过程中就无法进行改变，因而缓冲效果不理想。本文主要研究了主动控制技术在起落架缓冲器控制系统中的应用，针对缓冲器系统变参数的特点，运用不同的方法来对主动控制器进行了设计，达到了改善系统性能的目的。
本文的主要工作有以下几个方面：
(1)建立了飞机起落架缓冲器主动控制系统的数学模型。本文首先给出了起落架缓冲器物理模型(包括质量-弹簧-阻尼器力学模型)，通过对力学模型的分析得出了系统的动力学方程。随后，通过公式推导，建立了整个系统的数学模型和传递函数表达式。
(2)分析了参数的变化对系统性能的影响。在飞机起降过程中，系统的一些参数(如飞机机体的质量、起落架缓冲器的阻尼系数与刚度系数，地面输入等)都会发生变化。本文分析了这些参数的变化对系统性能的影响，并给出了这些参数的变化范围。
(3)进行了主动控制器的设计。在确定控制系统的结构后，本文采用由简到繁的设计方法，依次使用PID控制、前馈控制、模糊控制、自适应控制进行了主动控制器的设计。
(4)比较了被动控制系统与主动控制系统的性能。本文对被动控制系统和加入不同控制器后的主动控制系统分别进行了仿真，并对仿真结果进行了分析比较。结果表明，添加主动控制器后，主动控制系统的性能与被动控制系统相比得到了明显的改善。
During aircraft take-off and landing phases, the dynamic loads and vibrations caused by landing impact and the unevenness of runway will result in airframe fatigue , discomfort of passenger and the reduction of the pilot's ability to control the aircraft. Therefore, the dynamic loads should be considered and limited in designing landing gear. The traditional landing gear is a passive system and the parameters changes may produce an unsatisfactory performance. This paper mainly researches the application of the active control technology to the landing gear system. The aim is using different control methods to design the active controller to improve the performance of the system, according to the characteristic of the parameters' variations. The main work of this thesis:
1 . The mathematical model describing the landing gear active control system is established. An available mechanical model with two degree of freedom that consists of a mass, a spring and two dampers is given. By the use of this model, motion equation and formulas are deduced. Then the mathematical model and the transport functions are established.
2. The influence of the parameters on the system performance is studied. Several
parameters will change during aircraft take-off and landing phases. This paper
gives the fields of the parameters' variations and analysis the influence of
parameters' variations on the system performance.
3. Active controller, such as PID type , feed-forward type , fuzzy type and adaptive
type are designed and used in the system.
4. Simulations are formed for the passive control system and active control system with different controller. Then the performance of the active and passive control system is compared. The results show that active control system has superior performance over the passive control system.
本文的主要工作有以下几个方面：
(1)建立了飞机起落架缓冲器主动控制系统的数学模型。本文首先给出了起落架缓冲器物理模型(包括质量-弹簧-阻尼器力学模型)，通过对力学模型的分析得出了系统的动力学方程。随后，通过公式推导，建立了整个系统的数学模型和传递函数表达式。
(2)分析了参数的变化对系统性能的影响。在飞机起降过程中，系统的一些参数(如飞机机体的质量、起落架缓冲器的阻尼系数与刚度系数，地面输入等)都会发生变化。本文分析了这些参数的变化对系统性能的影响，并给出了这些参数的变化范围。
(3)进行了主动控制器的设计。在确定控制系统的结构后，本文采用由简到繁的设计方法，依次使用PID控制、前馈控制、模糊控制、自适应控制进行了主动控制器的设计。
(4)比较了被动控制系统与主动控制系统的性能。本文对被动控制系统和加入不同控制器后的主动控制系统分别进行了仿真，并对仿真结果进行了分析比较。结果表明，添加主动控制器后，主动控制系统的性能与被动控制系统相比得到了明显的改善。
During aircraft take-off and landing phases, the dynamic loads and vibrations caused by landing impact and the unevenness of runway will result in airframe fatigue , discomfort of passenger and the reduction of the pilot's ability to control the aircraft. Therefore, the dynamic loads should be considered and limited in designing landing gear. The traditional landing gear is a passive system and the parameters changes may produce an unsatisfactory performance. This paper mainly researches the application of the active control technology to the landing gear system. The aim is using different control methods to design the active controller to improve the performance of the system, according to the characteristic of the parameters' variations. The main work of this thesis:
1 . The mathematical model describing the landing gear active control system is established. An available mechanical model with two degree of freedom that consists of a mass, a spring and two dampers is given. By the use of this model, motion equation and formulas are deduced. Then the mathematical model and the transport functions are established.
2. The influence of the parameters on the system performance is studied. Several
parameters will change during aircraft take-off and landing phases. This paper
gives the fields of the parameters' variations and analysis the influence of
parameters' variations on the system performance.
3. Active controller, such as PID type , feed-forward type , fuzzy type and adaptive
type are designed and used in the system.
4. Simulations are formed for the passive control system and active control system with different controller. Then the performance of the active and passive control system is compared. The results show that active control system has superior performance over the passive control system.
引文
[1] Mc Gehee JR,Dreher R C.Experimental investigation of active loads control for aircraft landing gear [R].NASA-P-20 42,1982.
[2] Mc Gehee JR,Carden H D.Improved aircraft dynamic response and fatigue life during ground operations using an active control landing gear system[A]. AIAA Aircraft Systems and Technology conference [C],1978
[3] Mall G H,Improvements to the FATOL A computer program including added actively controlled landing gear subroutines [R]．NASA CR-166069,1983.
[4] Krasnicky E J，The experimental performance of an ON-OFF active damper [A]. Proceedings of the 51 th Shock and Vibration Symposium [C]. San Diego, 1980
[5] Vu KHAI TRAN, Advances in optimal active control techniques for aerospace system [D]. Los Angeles: University of California, 1989
[6] 黄再兴，舰载机前起落架的动力学分析，南京航空航天大学学报，1995
[7] 贾玉红，主动控制起落架滑行性能分析，航空学报，1999
[8] 张淑兰，优化设计减振器技术研究，飞机设计，1989
[9] 高泽迥，半准备机场及双气室减振器设计，航空学报，1987
[10] 王孙安，液压伺服控制系统的特点，机床与液压，1993
[11] 李洪人，液压控制系统，国防工业出版社，1981
[12] 王占林，液压伺服控制，北京航空学院出版社，1987
[13] 李名才，液压控制系统，国防工业出版社，1990
[14] 李福义，液压技术与液压伺服系统，哈尔滨船舶工程学院出版社，1992
[15] 王孙安，液压伺服控制的新发展，机床与液压，1991
[16] 章卫国、杨向忠，模糊控制理论与应用，西北工业大学出版社，1999
[17] 李人厚，智能控制理论和方法，西安电子科技大学出版社，1999
[18] 施鸿宝，神经网络及其应用，西安交通大学出版社，1993
[19] 陈桂明等，应用MATLAB建模与仿真，科学出版社，2001
[20] 何平等，模糊控制器的设计及应用，科学技术出版社，1991
[21] 李友善等，模糊控制理论及其在过程控制中的应用，国防工业出版社，1996
[22] 金以慧等，过程控制，清华大学出版社，1991
[23] 陶永华等，新型PID控制及其应用，机械工业出版社，1999
[24] 余强、陈荫三，在主动悬架系统中作用力产生装置模型的建立及性能分析，两安公路交通大学学报2001
[25] 陈志林、金达锋、赵六奇，主动汽车悬架系统的渐进稳定自适应控制，清华大学学报，1997
[26] 刘新亮等，主动汽车悬架的非线性控制，汽车工程，1997
[27] 颜泽飞等，FUZZY-PID串联控制减振系统的仿真研究，振动与冲击，1999
[28] 俞凡，车辆悬架的最优自适应与自校正控制，汽车工程，1998
[29] 祁建城，汽车主动悬架最优控制，汽车工程，1999
[30] 宋晓琳，用于汽车主动悬架的模糊控制器的研究，湖南大学学报，2000
[31] 邢向丰等，汽车液压丰动悬架的PID控制，太原理工大学学报，2000
[32] 王孙安，模糊控制理论在液压伺服控制系统中的应用机床与液压，1993
[33] 史维祥等，电液伺服系统自适应控制的新发展，机床与液压，1995
[34] 韩曾晋，自适应控制系统，机械工业出版社，1983
[35] 诸静，模糊控制原理与应用，机械工业出版社，1995
[36] 侯忠生，非参数模型及其自适应控制理论，科学出版社，1999
[37] 李清泉，自适应控制系统理论设计与应用，科学出版社，1990
[38] 夏小华，高为炳，非线性系统控制及解耦，科学出版社，1993
[39] 冯纯伯，自适应控制，电子工业出版社，1986
[40] 李清泉，自适应控制系统理论、设计与应用，科学出版社，1990
[41] 薛定宇，反馈控制系统设计与分析MATLAB语言应用，清华大学出版社，2000
[2] Mc Gehee JR,Carden H D.Improved aircraft dynamic response and fatigue life during ground operations using an active control landing gear system[A]. AIAA Aircraft Systems and Technology conference [C],1978
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[17] 李人厚，智能控制理论和方法，西安电子科技大学出版社，1999
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[23] 陶永华等，新型PID控制及其应用，机械工业出版社，1999
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[27] 颜泽飞等，FUZZY-PID串联控制减振系统的仿真研究，振动与冲击，1999
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[29] 祁建城，汽车主动悬架最优控制，汽车工程，1999
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[31] 邢向丰等，汽车液压丰动悬架的PID控制，太原理工大学学报，2000
[32] 王孙安，模糊控制理论在液压伺服控制系统中的应用机床与液压，1993
[33] 史维祥等，电液伺服系统自适应控制的新发展，机床与液压，1995
[34] 韩曾晋，自适应控制系统，机械工业出版社，1983
[35] 诸静，模糊控制原理与应用，机械工业出版社，1995
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[40] 李清泉，自适应控制系统理论、设计与应用，科学出版社，1990
[41] 薛定宇，反馈控制系统设计与分析MATLAB语言应用，清华大学出版社，2000