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桂卫华院士团队提出平衡补偿滑模策略：攻克飞机防滑制动与纠偏协同控制难题

已有 632 次阅读 2025-5-19 16:07 |个人分类:论文推荐|系统分类:博客资讯

论文简介

【编辑荐语】

本文将给大家分享《控制理论与应用》第42卷第3期的论文"基于平衡补偿滑模策略的飞机防滑制动与纠偏协同控制(Cooperative control of aircraft anti-skid braking and deflection correction based on balance-compensated sliding mode strategy)". 如您对本文相关内容有好的理解与建议, 欢迎评论区留言.

飞机着陆滑跑阶段的安全控制是航空领域的关键难题, 跑道环境多变、侧风干扰及非对称制动等因素显著威胁飞行安全. 本文针对这一挑战, 提出了一种融合自适应神经网络与平衡补偿滑模策略的飞机防滑制动与纠偏协同控制方法, 具有重要的理论意义与工程价值. 本文研究创新点鲜明: 其一, 构建了考虑横纵力矩耦合及侧风干扰的六自由度非对称动力学模型, 精准刻画飞机滑跑过程中多维度动态特性, 突破了传统单轮模型忽略负载不均衡的局限; 其二, 开发了基于轮胎—跑道结合系数波动范围特征的跑道在线辨识方法, 相较传统传感器测量或复杂数据驱动模型, 该方法兼具低成本、易实现与高效性优势, 为制动效率提升奠定关键基础; 其三, 设计自适应RBF神经网络估计未知侧风干扰, 并创新性引入平衡补偿滑模策略, 实现前轮纠偏与双侧主轮制动的协同控制, 有效解决了非对称条件下机轮打滑、偏航失控等问题. 仿真结果表明, 该策略显著提升了制动效率与抗干扰能力, 为复杂环境下飞机地面滑跑安全提供了可靠解决方案. 研究成果对推动航空防滑刹车系统智能化、高可靠性设计具有重要参考价值, 值得相关领域学者与工程技术人员关注.

【论文介绍】

基于平衡补偿滑模策略的飞机防滑制动与纠偏协同控制

Cooperative control of aircraft anti-skid braking and deflection correction based on balance-compensated sliding mode strategy

王远飞, 杜城龙, 彭浩(通讯作者), 李繁飙, 桂卫华

单位机构: 中南大学自动化学院

引用: 王远飞, 杜城龙, 彭浩, 等. 基于平衡补偿滑模策略的飞机防滑制动与纠偏协同控制. 控制理论与应用, 2025, 42(3): 442 – 454

DOI编号: 10.7641/CTA.2023.30241

全文链接: https://jcta.ijournals.cn/cta_cn/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=CCTA230241&flag=1

摘要

本文针对飞机地面滑跑制动过程中跑道环境未知、机轮打滑、侧风干扰、非对称制动等影响飞机安全可靠滑跑的问题, 提出一种基于自适应神经网络和平衡补偿滑模策略的飞机防滑制动与跑道纠偏协同控制方法. 首先, 考虑实际刹车过程中横纵力矩耦合及侧风干扰等因素, 建立飞机地面滑跑非对称动力学模型. 在此基础上, 提出基于轮胎–跑道结合系数波动范围特征的跑道在线辨识方法, 解决变跑道环境下结合系数的在线辨识问题. 此外, 通过设计自适应径向基(RBF)神经网络实现对未知侧风干扰的有效估计, 并提出基于平衡补偿滑模策略的前轮纠偏与双侧主轮协同制动控制方法, 实现飞机在侧风干扰条件下的防滑制动与跑道纠偏协同控制. 实验仿真表明, 本文提出的控制策略可有效避免机轮打滑、抑制飞机偏航, 同时提高飞机制动效率, 增强飞机地面滑跑的可靠性与安全性.

引言

根据国内外相关数据统计, 飞机各种安全事故发生在着陆滑跑阶段的占比已超过其飞行阶段, 是飞机事故的多发阶段. 随着航空技术的迅速发展, 现代飞机逐渐往轻量化、绿色化、高可靠性方向发展, 对飞机防滑刹车系统的稳定性、环保性、安全性提出了更高的要求. 然而, 飞机地面滑跑过程中跑道环境复杂多变, 为保证制动过程机轮不抱死并达到较高的制动效率, 飞机防滑刹车系统需要最大程度的利用轮胎与跑道之间的结合系数, 而结合系数与跑道特性密切相关, 因此制动过程中必须对跑道环境进行在线精确辨识. 文献[3]通过在轮胎上安装扭矩传感器实现对跑道环境的预测和辨识. 文献[4]使用卷积神经网络在线辨识跑道环境. 文献[5]利用滑移率–结合系数曲线的斜率特性, 使用广义卡尔曼滤波器实现跑道环境在线辨识. 然而以上跑道辨识方法存在成本高、所需样本数据多、计算量大等问题, 因此本文将基于轮胎–跑道结合系数波动范围特征提出一种跑道在线辨识方法,该方法具有成本低、计算简单、容易实现等优点.

值得注意的是, 当前大多数飞机防滑制动控制的研究都是以单轮模型为基础. 文献[6]提出一种基于滑移率约束的自适应控制方法, 对传统速度差加压力偏调控制律(proportional derivative plus pressure bias modulation, PD+PBM)控制方法的目标轮减速率进行了优化, 避免了传统控制方法存在的低速打滑等问题,有效提高了刹车效率. 文献[7]提出一种基于混合减速度的非线性模型预测控制方法, 实验仿真表明该方法能准确地将滑移率控制在最优值内, 有效解决了在切换跑道条件下的机轮抱死问题. 然而, 上述工作的前提是认为制动过程中飞机左右主轮处于负载均衡状态, 即飞机左右主轮载荷完全对称, 但是飞机在实际制动过程中受到诸多因素影响, 例如跑道环境不对称、机场侧风、轮胎载荷随飞机重心的变化等, 导致左右主轮处于负载非均衡状态, 进一步影响左右主轮产生速度差, 使飞机偏离甚至冲出跑道, 造成安全事故.

针对上述问题, 为更加真实地反映飞机防滑刹车过程中的负载非均衡状态, 专家开始对飞机防滑刹车过程的非对称性进行研究. 文献[8]针对左右主轮刹车模型提出了一种基于“PD+PBM”的平衡补偿策略, 实现了左右主轮的防滑刹车控制, 避免了左右主轮负载不均衡所导致的飞机偏航. 文献[9–10]深入分析了飞机出现非对称载荷的原因, 提出一种双通道轮间保护平衡调节策略, 实现了左右主轮刹车压力的平衡调节. 文献[11–12]对飞机在非对称着陆过程中的前轮转向与左右主轮速度差制动进行了仿真研究. 以上工作对飞防滑刹车系统的非对称性进行了建模分析, 但是在建模过程中忽略了刹车过程中横纵力矩耦合的影响. 此外, 飞机防滑刹车过程受到侧风干扰的影响极为严重, 侧风干扰将导致飞机前轮产生偏航角, 进而影响飞机横纵方向的动态特性, 使左右主轮处于负载非均衡状态, 因此在飞机防滑刹车系统的建模过程中, 侧风干扰是必须要考虑的影响因素之一. 基于此, 本文将综合考虑飞机刹车过程中横纵力矩及侧风干扰的影响, 深入剖析非对称运动、横纵力矩耦合、机轮打滑等对飞机制动效率的影响, 并采用补偿机制实现对侧风干扰的有效抑制, 进一步提高飞机制动的可靠性和安全性.

另一方面, 飞机防滑刹车系统是一个强时变、不确定、高度非线性的系统, 滑模控制由于能克服系统的不确定性和外界干扰, 并具有较强的鲁棒性而广泛应用于非线性控制中. 文献[16]提出一种超扭曲滑模控制策略, 实现了最佳滑移率的实时跟踪, 显著提高了制动效率. 文献[17]提出一种自适应滑模控制策略,实现了非线性奇异延时系统的有效控制. 文献[18]考虑飞机复杂的非线性动力学特性, 提出一种模糊积分滑模控制策略, 保证了在不确定干扰下系统的全局稳定性, 显著提高了控制效率. 本文将基于滑模策略设计飞机制动与纠偏协同控制器, 并引入平衡补偿调节单元, 实现非对称条件下飞机防滑制动与跑道纠偏的控制目标.

本文针对飞机地面滑跑阶段非对称条件下的防滑刹车问题, 提出一种基于自适应神经网络和平衡补偿滑模策略的飞机制动与纠偏协同控制方法, 实现飞机在非对称条件下的防滑制动与跑道纠偏控制目标. 本文的主要贡献包括:1) 首先, 本文综合考虑飞机刹车过程中横纵力矩耦合机理及侧风干扰, 建立了一种非对称条件下横纵及旋转方向六自由度的飞机防滑刹车模型, 有效反映了飞机刹车过程多维度动力学特性;2) 针对飞机制动过程中难以获取准确跑道环境信息的问题, 提出一种基于轮胎–跑道结合系数波动范围特征的跑道在线辨识方法, 算法简单易实现, 可有效实现轮胎–跑道结合系数的在线辨识, 为提高飞机制动效率奠定了基础;3) 针对侧风导致飞机非对称制动这一典型干扰因素, 通过自适应神经网络算法实现对侧风干扰的有效估计与补偿, 同时考虑飞机制动过程左右主轮不对称承载问题, 设计一种基于平衡补偿滑模策略的前轮纠偏与左右主轮协同制动控制方法, 有效提高了飞机防滑制动效率、跑道纠偏及抗干扰能力, 增强了飞机地面滑跑的可靠性和安全性.

结论

本文研究了非对称条件下飞机防滑刹车与纠偏控制问题, 通过综合考虑飞机地面制动过程中侧风干扰及横纵力矩耦合等因素, 建立了飞机地面滑跑的非对称动力学模型. 在此基础上, 设计了基于轮胎–跑道结合系数波动范围特征的跑道在线辨识方法对变跑道环境进行精确在线辨识. 此外, 设计了自适应RBF神经网络实现对未知侧风干扰的有效估计, 并设计了一种基于平衡补偿滑模策略的前轮纠偏与双侧主轮协同制动控制器, 实现侧风干扰条件下的防滑制动与跑道纠偏控制. 最后通过MATLAB仿真, 并与传统滑模控制方法进行对比验证, 证明了本文所提出的控制策略能有效避免机轮打滑、抑制飞机偏航, 同时提高飞机制动效率, 保证飞机平稳安全的运行.

作者团队介绍

中南大学桂卫华院士团队是我国有色金属工业自动化领域的标杆团队, 长期深耕复杂工业过程建模、控制与优化技术, 聚焦有色冶金智能化与绿色制造. 团队突破多变量耦合、强非线性等控制难题, 在锌、铜、铝冶炼全流程自动化中成果显著, 获国家科技进步二等奖. 其首创的高温工业内窥镜技术解决高炉料面检测难题, 应用于宝钢、鞍钢等企业, 技术指标国际领先.

团队构建智能集成建模与动态优化理论, 发表SCI/EI论文400余篇, 授权专利260余项, 主导9项国家标准, 依托“有色冶金自动化教育部工程研究中心”承担国家重大科研任务, 与德、澳等国开展深度合作, 推动技术输出至“一带一路”. 人才培养成效突出, 形成老中青梯队, 培养行业领军人物数十名, 2019年入选“全国高校黄大年式教师团队”. 成果累计创造经济效益超百亿元, 助力行业节能降耗, 减少碳排放数十万吨. 未来, 团队将聚焦AI大模型与低碳技术, 推动有色金属工业智能化与绿色转型, 持续引领领域发展.

作者简介

王远飞硕士研究生, 目前研究方向为飞机刹车转弯系统控制与优化;杜城龙从事博士后研究工作, 目前研究方向为先进滑模控制理论、分布式强化学习算法、信息物理系统、飞机起降系统控制与技术;彭浩从事博士后研究工作, 目前研究方向为飞机防滑刹车系统建模与控;李繁飙教授, 目前研究方向为复杂工业过程智能控制与优化、非连续控制理论及其在飞机起降系统中的应用;桂卫华中国工程院院士, 教授, 目前研究方向为复杂工业过程建模、优化与控制应用、故障诊断与分布式鲁棒控制.

期刊介绍

《控制理论与应用》(Control Theory & Applications)是经国家科学技术部批准, 教育部主管, 由华南理工大学和中国科学院数学与系统科学研究院联合主办的全国性一级学术刊物, 1984年创刊, 月刊, 国内外公开发行. 《控制理论与应用》是中国科学引文数据库首批统计源期刊之一，中文核心期刊，入选中国精品科技期刊顶尖学术论文F5000项目，中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录以及中国科协百篇优秀科技论文遴选计划，2021年入选广东省高质量科技期刊建设项目，2022-2024年连续获得基金委资助（科技活动专项）.

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