基于动态摩擦模型的路面辨识及最优刹车控制研究

论文摘要

机轮防滑刹车系统（Anti-lock Brake System,简称ABS）是一套在飞机刹车过程中防止机轮抱死、提高刹车效率和维持方向稳定性的闭环控制装置。目前使用的控制器是以惯性台刹车动力试验为基础设计出来的,需要反复试验和优化。而且由于大型军用运输机的起飞着陆情况复杂,刹车系统的工作条件具有很大的不可预测性,仅依靠惯性台试验已无法满足设计要求。目前提出的控制方法多数是传统控制方法的改进,系统工作在刹车条件剧烈变化或低结合性能跑道上时仍可能导致系统频繁出现过制动,影响刹车效率和刹车过程平稳性。由于轮胎与地面间的摩擦是刹车控制系统的工作基础,本文提出一种基于轮胎/路面动态摩擦模型的飞机防滑刹车控制器设计方法。采用这种方法不但能提高刹车系统性能,而且有助于减少惯性台试验的次数。本文将设计一个基于轮胎/地面动态摩擦模型的ABS控制器。在控制器的开发与仿真中使用二自由度单轮模型,该模型重点描述刹车过程中轮胎与路面间的相互作用。本文的一个创新点就是在控制器开发和仿真中使用了新的轮胎/地面动态摩擦模型。由于轮胎与地面间相互作用的机理比较复杂,轮胎动态摩擦模型要比过去常用的静态模型更能准确描述轮胎与地面间的摩擦现象。在进行方案设计前,论文首先总结轮胎摩擦建模领域的近期研究进展。为证明引入的动态摩擦模型在模拟轮胎/地面摩擦动态特性方面的优势,本文对经验（半经验）模型和解析模型进行了详细的分析比较。基于这种动态模型,提出采用滑模变结构控制方案以解决最大结合系数和最优滑移率在线估计这一难题。仿真结果表明即使在出现结合性能剧烈变化的情况下进行刹车,本文设计的滑模控制器也能实现最优刹车效果,有效减少过制动的出现次数。本文的研究表明使用动态摩擦模型能帮助研发人员更有效的开发ABS控制器。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 课题背景
• 1.2 飞机防滑刹车控制原理
• 1.3 轮胎/路面摩擦建模研究现状
• 1.4 轮胎/路面结合性能估计方法研究现状
• 1.5 滑模变结构控制理论在刹车系统中的研究现状
• 1.6 论文研究内容及结构安排
• 第二章 轮胎/路面摩擦建模
• 2.1 轮胎与路面摩擦现象简介
• 2.1.1 摩擦特性概述
• 2.1.2 轮胎与路面摩擦现象
• 2.2 典型的轮胎/路面摩擦模型
• 2.3 LuGre模型
• 2.3.1 集中式LuGre摩擦模型
• 2.3.2 分布式LuGre摩擦模型
• 2.4 半静态LuGre模型的建模
• 2.5 基于LuGre模型的最优刹车控制器设计
• 2.5.1 系统建模
• 2.5.2 滑模控制器设计
• 2.6 本章小结
• 第三章 轮胎/路面结合性能的辨识
• 3.1 轮胎/路面结合性能辨识方法分类
• 3.1.1 先验估计法
• 3.1.2 效果估计法
• 3.2 非线性估计法
• 3.3 斜率估计法
• 3.4 基于LuGre模型的状态观测器方法
• 3.5 基于LuGre模型的滑模观测器设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 仿真实现及结果分析
• 4.1 刹车动力学仿真的目的及方法
• 4.2 仿真的MATLAB/Simulink实现
• 4.3 已有控制方法的系统性能分析
• 4.4 控制器仿真结果
• 4.4.1 路面参数连续变化时系统响应
• 4.4.2 路面参数突变时系统响应
• 4.5 观测器仿真结果
• 4.5.1 路面参数连续变化时观测器响应
• 4.5.2 路面参数突变时观测器响应
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要研究成果