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| 基于非线性干扰观测器的飞机全电刹车系统滑模控制设计 |
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封面图片由 科学可视化中心制作
飞机防滑刹车具有典型的强非线性、强耦合和参数时变等特点，并且跑道环境的干扰容易对飞机的地面滑跑性能造成不利影响。本文提出了一种基于非线性干扰观测器的飞机全电防滑刹车系统滑模控制设计方法。
首先，考虑了实际刹车不确定性干扰条件下的防滑刹车动力学建模问题，通过对高阶非线性刹车系统进行反馈线性化处理，简化了基于严格反馈的模型。
其次，基于对主轮打滑原因的深入分析，设计了非线性干扰观测器对干扰进行在线估计，并在控制律设计中引入补偿部分。
通过构造递归结构的快速终端滑模控制器来跟踪实时变化的最佳滑移率并建立稳定性条件，实现了飞机全电防滑刹车系统的有限时间快速稳定并有效抑制了主轮锁定打滑。通过在不同跑道状态下进行模拟仿真，验证了本文提出的飞机防滑刹车控制策略可以有效地提高刹车效率。
一、问题描述
飞机防滑刹车系统的动力学模型建模一般包括飞机机体动力学、单个主轮受刹动力学、静摩擦系数和机电作动器等部分。各个子系统模型之间存在强关联耦合，并表现出强非线性、强复杂性等特征。根据防滑刹车的实际过程与客观事实，做出如下合理假设：
1) 将飞机机体与起落架视为理想刚体，可简化成集中质量，刹车过程质量恒定不变。
2) 假设飞机保持沿着直线滑行方向，没有横向力影响。
3) 前轮自由滚动，没有刹车力矩作用，滚动摩擦系数恒定。
4) 假设左右侧机轮垂直载荷一致，安装主轮的刹车装置实时同步控制，对主轮产生相同的制动效果。
二、基于干扰观测器的滑模控制
设计飞机防滑刹车系统的干扰观测器，并考虑基于递归结构的快速终端滑模控制设计和稳定性分析。
1) 非线性干扰观测器设计。
2) 控制目标。通过单个主轮受刹动力学方程与地面与主轮间摩擦系数方程分析μ与λ之间的关系来判断是否处于打滑阶段，进而明确控制目标。
3) 快速终端滑模控制器设计。设计了基于反馈线性化和非线性干扰观测器的飞机防滑刹车递归型快速终端滑模控制系统总体算法框图，形成一个完整的闭环控制。
三、仿真分析
从仿真结果可以看出，传统的快速终端滑模控制方法对最佳滑移率的跟踪效果欠佳，具体表现在快速性较差、存在稳态误差、易受干扰影响等。
随着刹车过程滑移率逐渐加大，在低速阶段实际滑移率大于最佳滑移率，此时刹车状态处于不稳定区，主轮出现了打滑现象。
根据对比两者刹车性能可知，本文提出的递归型快速终端滑模控制方法具有较好的跟踪性能，显著提高了防滑刹车效率和稳定性，更具有实用价值。
四、结论
与现有部分研究成果相比，主要贡献如下：
1) 提出了一种更适合于实际应用的刹车系统综合建模方法，充分考虑了作动器内部机械结构运动的数学模型、主轮−地面结合系数影响因子、前轮滚动摩擦力以及垂直与纵向力矩耦合机理，并通过反馈线性化处理，形成线性标准系统模型。
2) 针对刹车过程中易受到不确定性干扰的影响，提出了改进的非线性干扰观测器方法，具有对高阶微分干扰的观测能力，并在控制律设计中作为干扰补偿部分，使得刹车控制的抗干扰能力加强，鲁棒性得到提升。
3) 深入分析了轮胎打滑的影响因素，设计递归结构的快速终端滑模控制器并建立稳定性条件，实现了飞机全电防滑刹车控制系统的有限时间快速收敛并显著提高了刹车效率。
作者简介
李繁飙，中南大学自动化学院教授。2015年获得哈尔滨工业大学控制科学与工程博士学位。主要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。
黄培铭，中南大学自动化学院硕士研究生。主要研究方向为飞机刹车系统建模与控制。
阳春华，中南大学自动化学院教授。2002年获得中南大学博士学位。主要研究方向为复杂工业过程建模与优化，故障诊断和智能系统。
廖力清，中南大学自动化学院教授。2010年获得中南大学博士学位。主要研究方向为电力电子与电力传动，电力系统自动化，飞机起飞着陆系统智能控制。本文通信作者。
桂卫华，中国工程院院士，中南大学自动化学院教授。1981年获得中南矿冶学院硕士学位。主要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。（来源：自动化学报微信公号）
相关论文信息：doi: 10.16383/j.aas.c201041
