， 　， 　(中國民航大學 航空工程學院， 天津　300300)

引言

飛機在著陸和滑跑時會與地面劇烈碰撞引起顛簸，這對飛機結(jié)構(gòu)和飛機安全都極為不利。傳統(tǒng)油-氣減震器只能被動地對受到地面的沖擊做出反應，因此需要一種可調(diào)節(jié)、適應能力強的新型減震器來吸收和耗散沖擊產(chǎn)生的能量。磁流變減震器能夠根據(jù)飛機著陸和滑跑時來自跑道的激勵，通過調(diào)節(jié)作用在磁流變減震器上的電流，即磁場強度來改變輸出的阻尼力。目前，磁流變減震器在建筑、橋梁和高端汽車上已有廣泛應用[1-3]，但在我國航空運輸方面的應用研究還比較少。由于外加磁場的非線性、回滯性和飽和性，磁流變減震器是一個非線性系統(tǒng)，常規(guī)控制方法如PID控制，難以滿足控制要求。模糊控制不依賴于被控對象精確的數(shù)學模型，對非線性、時變性系統(tǒng)具有較強的動態(tài)性和魯棒性，控制方法簡單。參數(shù)自整定模糊控制有較強的適應能力，在被控對象特性變化或擾動的情況下進行自動校正，仍能保持較好地控制性能。

1　LabVIEW模糊工具包簡介

LabVIEW是美國某公司推出的一種基于數(shù)據(jù)流的圖形化編程語言——G語言、具有編譯能力的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，基于該平臺的模糊邏輯工具包具有友好的人機交互界面，直觀方便地進行模糊控制器設計，并與完善的數(shù)據(jù)采集、信號分析和其他外部擴展設備緊密結(jié)合，快速搭建交互式控制系統(tǒng)圖形用戶界面，進行模糊控制器仿真與應用。

LabVIEW的模糊邏輯工具包為基于規(guī)則的模糊控制器的設計提供了一個高效方便的開發(fā)環(huán)境，子程序主要包括以下部分[4,5]：

1) 模糊系統(tǒng)設計VI(Fuzzy System Designer)

由模糊集合編輯器、模糊規(guī)則庫編輯器和輸入輸出性能測試三部分組成。通過友好的人機圖形交互界面，用戶可以直觀方便地設計模糊控制器的隸屬函數(shù)、控制規(guī)則、解模糊化方法等參數(shù)，并對模糊控制器的輸入、輸出性能進行測試。設計好的模糊控制器，以*.fc 形式保存于數(shù)據(jù)文件中。

2) 模糊控制器VI(FL Fuzzy Controller.vi)

將設計好的模糊控制器作為一個圖形功能模塊應用于后臺的框圖程序中，多個控制器并聯(lián)可以實現(xiàn)模糊系統(tǒng)的復雜結(jié)構(gòu)。

3) 模糊系統(tǒng)載入VI(FL Load Fuzzy System.vi)

同模糊控制器VI連接的后臺框圖程序，用于將保存在*.fc數(shù)據(jù)文件中的所有模糊控制器參數(shù)加載到模糊控制器VI中。

4) 模糊系統(tǒng)保存VI(FL Save Fuzzy System.vi)

將設計好模糊控制器數(shù)據(jù)保存為*.fc形式文件。

2　起落架系統(tǒng)動力學模型建立

以飛機起落架系統(tǒng)為模型進行簡化，考慮到系統(tǒng)非線性對震動性能的影響及研究問題的需要，作如下假設：機身部分荷載質(zhì)量具有相當大的慣性，且彈性相對較小，可以把機身部分視作剛體，減震彈簧彈性大而慣性比機身的小得多，可以簡化成只有彈性而無質(zhì)量的彈性元件，機輪簡化為單自由度的阻尼元件，因此，簡化的起落架系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1　起落架系統(tǒng)動力學模型

圖1中，mb為機身、機翼、尾翼等組成的簧載質(zhì)量；mt為緩沖器支柱、機輪及輪胎等構(gòu)成的非簧載質(zhì)量；Wb為簧載質(zhì)量重力；Wt為非簧載質(zhì)量重力；FL為機體所受升力；kb為等效緩沖器支柱剛度；cη為磁流變減震器的粘滯阻尼系數(shù)；xb為飛機機體的位移；xt為輪胎中心的垂直位移；kt為輪胎等效剛度；q為路面輸入激勵。

根據(jù)牛頓第二定律，系統(tǒng)的運動微分方程為：

(1)

式中，參照文獻[6]、[7]：

FL=[1.2-0.9tanh(3t)](Wb+Wt)

(2)

F=Fη+Fc+Fa

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，pge和Vge分別為磁流變減震器氣室的初始壓強和初始體積；Ap為缸筒內(nèi)腔截面積；Ar為活塞有效直徑。

3　LabVIEW模糊控制系統(tǒng)設計

3.1　模糊控制器設計[8,9]

控制器采用參數(shù)自調(diào)整模糊控制，控制原理如圖2所示，提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性和控制精度。取機身垂直加速度a和機身位移xb作為模糊控制系統(tǒng)的輸入量，輸出量為大小變化的電流值I。

圖2　模糊控制原理圖

(1) 輸入、輸出量模糊化與隸屬度函數(shù)確定。對于模糊控制器的輸入量機身垂直加速度a和機身位移xb，選擇適當?shù)牧炕蜃舆M行歸一化處理，輸入量模糊論域均為[-1,1]，對應模糊子集劃分為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，輸出量電流i模糊論域為[0,1]，對應模糊子集劃分為{ZO,S,SM,M,SB,MB,B}，輸出量論域調(diào)節(jié)因子ks、ka的模糊論域均為[0,1]，對應的模糊子集為{ZO,S,M,B}，輸入、輸出變量均采用三角形隸屬度函數(shù)。在LabVIEW的Tools菜單下選中Fuzzy System Designer項就會進入模糊系統(tǒng)的編輯界面，選項卡Variables可以對輸入、輸出量的論域范圍及隸屬度函數(shù)參數(shù)設置，如圖3a所示。

(2) 模糊規(guī)則建立及解模糊化。模糊規(guī)則庫是由一系列“if-then”型式的語句構(gòu)成，選項卡Rules可以對模糊規(guī)則進行建立和編輯，選擇需要的推理算法和解模糊化方法，并可以為每條控制規(guī)則設置相應的加權值，對模糊規(guī)則進行優(yōu)化。本研究采用最大中心法(CoM)解模糊化，如圖3b所示。

(3) 模糊系統(tǒng)測試。選項卡Test System可對設計的模糊控制系統(tǒng)輸入、輸出特性進行測試，如圖3c所示。三維的模糊控制規(guī)則顯示圖可以直觀地表達輸入輸出的關系及控制規(guī)則是否完備，以利于模糊系統(tǒng)的改進優(yōu)化，調(diào)試好后，以*.fc形式保存于數(shù)據(jù)文件fuzzycontrol1.fc及fuzzycontrol2.fc中。

模糊控制規(guī)則如表1。

圖3　LabVIEW模糊系統(tǒng)設計

3.2　模糊控制仿真

通過LabVIEW的模糊邏輯工具箱和其他控件在框圖程序中構(gòu)建完整的模糊控制系統(tǒng)， 起落架系統(tǒng)的動力學模型通過數(shù)學模塊菜單下選擇腳本與公式中的MathScript節(jié)點完成。控制系統(tǒng)的前面板用戶界面和程序框圖如圖4所示。設置仿真參數(shù)，加載.fc文件，運行模糊控制系統(tǒng)VI，就可以直觀方便地對控制信號進行動態(tài)跟蹤，在前面板用戶界面以曲線和數(shù)值的形式動態(tài)顯示。

表1　模糊控制規(guī)則表

圖4　LabVIEW模糊控制系統(tǒng)軟件

表2　模型仿真參數(shù)

在LabVIEW環(huán)境下，起落架磁流變減震系統(tǒng)模型在不同時刻的機身垂直加速度(a)、機身相對位移(s)和機輪動載荷(ft)的仿真曲線如圖5所示。

圖5　不同控制方式下的仿真結(jié)果比較

仿真結(jié)果表明，機身垂直加速度、機身位移和機輪動載荷的峰值明顯減小，峰值個數(shù)減少，相比于被動控制，模糊控制具有較好的控制效果。

4　試驗結(jié)果與分析

試驗系統(tǒng)以飛機起落架系統(tǒng)為模型進行簡化，模糊控制器作為反饋調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對磁流變減震器阻尼力的模糊控制。實驗震動平臺(如圖6所示)主要有以下幾個部分組成：

(1) 液壓源為系統(tǒng)提供動力，供油壓力21 MPa；

(2) 震動臺部分主要由減震器、減震器臺面、垂直油缸、伺服閥、位移傳感器、加速度傳感器等組成的垂直震動系統(tǒng)。伺服閥選用美國某公司SE60-SIISBNA60，位移傳感器選用廣州某公司YCM-LPM和NS-WY02型回彈式位移傳感器，加速度傳感器選用上海某公司SCA320-CC5V1G；

(3) 硬件控制電路中各路傳感器數(shù)據(jù)通過信號放大、調(diào)理，控制器為DSP28335控制板；

(4) 計算機控制系統(tǒng)由上、下位機和數(shù)據(jù)采集卡組成，完成整個系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)字閉環(huán)控制。上、下位機為臺灣某公司的IPC610，A/D、D/A由PCI1716板卡實現(xiàn)。

圖6　磁流變減震器試驗系統(tǒng)平臺

LabVIEW平臺具有強大的數(shù)據(jù)采集、信號處理和外部擴展功能，上位機中基于LabVIEW模糊控制系統(tǒng)軟件可以通過擴展接口讀取傳感器采集的位移、加速度信號，并作為模糊控制系統(tǒng)輸入量，得出相應電流值，數(shù)據(jù)傳給DSP控制板，驅(qū)動輸出適當電流，圖7是模糊控制和被動控制下實驗效果數(shù)據(jù)對比。

實驗結(jié)果表明，模糊控制下的加速度(a)、位移(s)峰值有所減小，低于被動控制，本研究的模糊控制系統(tǒng)在磁流變減振器震動實驗中起到了一定的控制作用。

圖7　不同控制方式的實驗結(jié)果比較

5　結(jié)論

利用LabVIEW虛擬儀器技術和模糊邏輯工具包實現(xiàn)了起落架磁流變減震器的模糊控制，體現(xiàn)了模糊控制的魯棒性和動態(tài)特性，通過參數(shù)自整定和量化等級調(diào)整提高了模糊控制精度，控制效果較好。

LabVIEW圖形化的人機交互界面、強大的信號處理模塊及外部設備擴展功能可以方便、直觀地對信號進行跟蹤處理，提高了模糊控制系統(tǒng)的開發(fā)效率，具有較大的工程實用價值。

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