從20世紀(jì)40年代至今，飛 機(jī)剎車系統(tǒng)已發(fā)展到第四代。代飛機(jī)剎車系統(tǒng)由離合開關(guān)調(diào)節(jié)壓力來實現(xiàn)剎車控制；第二代用固定參考減速度為誤差門限進(jìn)行控制；1967年Hydro- Aire公司的第三代飛機(jī)剎車系統(tǒng)，以一定的滑移率為誤差門限進(jìn)行控制；20世紀(jì)70年代后，第四代系統(tǒng)用指令傳感器代替液壓閥，采用微處理器，將控制算 法通過編程來實現(xiàn)。近年來，國外已著手運用控制理論——模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論研究新一代防滑剎車系統(tǒng)，并成功地利用DC- 9飛機(jī)的參數(shù)進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明：新系統(tǒng)具有更高的剎車效率、更好的控制魯棒性。我們也已開始了相應(yīng)的研究，并成功地進(jìn)行了軟件仿真，本系統(tǒng)在文獻(xiàn) [5]的基礎(chǔ)上，在硬件上實現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制，較大程度地提高了飛機(jī)剎車效率。
1 工作原理
1.1 飛機(jī)剎車系統(tǒng)原理
飛機(jī)剎車制動主要靠剎車時輪胎和地面間產(chǎn)生的結(jié)合力來使飛機(jī)減速。影響結(jié)合力大小的主要因素是結(jié)合系數(shù)μ。該系數(shù)與滑移量σ之間存在一個復(fù)雜的非線性關(guān)系，在整個剎車過程中，存在一個值μmax，它對應(yīng)的滑移量為滑移量σp，如圖1所示。
目前在剎車系統(tǒng)對μ-σ的處理中，μ取為定值，這與實際情況存在較大差異。有文獻(xiàn)采用多級σ值的計算方法來實現(xiàn)μ隨σ變化而變化，但控制效果交不理想。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來處理μ-σ的非線性關(guān)系，因為根據(jù)Kolmogorov神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射存在以下理論：任何一個給定的連續(xù)函數(shù)或映射，都能夠用一個三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來精確實現(xiàn)。
現(xiàn)有剎車系統(tǒng)根據(jù)不同的跑道狀況，由速度反饋單元不斷地對參考速度進(jìn)行修正，具有一定自適應(yīng)能力。但當(dāng)飛機(jī)由干路面進(jìn)入積水路面時，會引起剎車減速率的突變，引起系統(tǒng)和起落架的震動。在本文研制的系統(tǒng)中，按模糊規(guī)則來控制系統(tǒng)，系統(tǒng)受略面影響較小，具有較好的魯棒性。
1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用廣的是多層前向網(wǎng)絡(luò)。多層前向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于具體實時控制問題時，必須有一個訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的算法，應(yīng)用廣的是BP算法。這種算法思路簡潔明 了，具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織功能，根據(jù)實際訓(xùn)練樣本不斷實時調(diào)節(jié)自己的參數(shù)，以達(dá)到理想輸出的目的。在本系統(tǒng)中即采用BP算法。圖2即為一個典型的三 層前向網(wǎng)絡(luò)。
模糊控制是利用人的智能和經(jīng)驗，制定一些模糊規(guī)則，進(jìn)行推理，得出控制查詢庫，按查詢庫來控制系統(tǒng)。采用模糊控制，可以有效地克服參數(shù)變化對系統(tǒng)造成的不利 影響，極大地增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。同時避免不精確建模造成的誤差，使系統(tǒng)有效地工作，故的年來獲得越來越廣泛的應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制兩者是互補(bǔ)的。簡單地說，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人的大腦結(jié)構(gòu)，而模糊控制模擬人的大腦功能，兩者的有機(jī)結(jié)合可組成性能更好的系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)根據(jù)μ-σ曲線上的μmax計算出期望的飛機(jī)速度及機(jī)輪轉(zhuǎn)速ωd，與速度傳感器測得的機(jī)輪速度ω進(jìn)行比較，將差值e放大后輸入FC（CUZZY CONTROLLER）控制器中；同時計算出ωd與ω差值的變化率ec，輸入到FC控制器中，由規(guī)則庫給出的知識進(jìn)行查詢，輸出調(diào)節(jié)電流，由伺服閥控制剎車壓力，實現(xiàn)模糊剎車。
3.1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案
3.1.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分
核心處理器為DSP，外擴(kuò)8253來計外部脈沖。DSP芯片外部接口電壓為3.3V，內(nèi)部核心電壓為1.8V，采用TI公司的專用電源芯片為DSP提供兩種低壓的電源。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的僅值訓(xùn)練程序作為DSP的中斷子程序調(diào)用（開關(guān)觸發(fā)）。
3.1.1.1 存儲器
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分需要保存權(quán)值與閾值參數(shù)，實現(xiàn)在線擦寫，因此采用高速FLASH。本系統(tǒng)采用5V工作的INTEL28F010A，其與DSP間電平轉(zhuǎn)換通過74LVC16245來進(jìn)行。
3.1.1.2 復(fù)位電路
在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，可靠性是不容忽略的問題。自動復(fù)位電路除具有上電復(fù)位功能外，還具有監(jiān)視系統(tǒng)運行并在系統(tǒng)發(fā)生故障時進(jìn)行復(fù)位的能力，因此采用MAX706實現(xiàn)自動復(fù)位電路。
3.1.2 模糊控制部分
核心處理器為ATMEL公司的89C52芯片，處理完的數(shù)字控制信號由AD7528芯片轉(zhuǎn)換為模擬電流信號輸出。
3.1.3 雙機(jī)通信
系統(tǒng)設(shè)計重點之一在于主機(jī)和從機(jī)間的數(shù)據(jù)通信。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制之間要求快速高效地通信，采用DSP的HPI主機(jī)接口方式。HPI為一個8位并行接口。通 過DSP和微處理器都可以訪問到DSP片內(nèi)為HPI所設(shè)的專用存儲器，可在DSP和微處理器之間進(jìn)行信息交換。DSP處理完信號后，向89C52發(fā)出中斷 信號，觸發(fā)單片機(jī)讀取DSP的處理結(jié)果以進(jìn)行模糊控制的處理，形成一條信號處理流水線系統(tǒng)，從而大大提高了信號的處理效率，保證了系統(tǒng)的實時性要求。
3.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方案
3.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分
網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練程序作為DSP的中斷子程序調(diào)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分處理完數(shù)據(jù)，將結(jié)果傳到HPI接口RAM緩存區(qū)，通過HINT管腳向89C52發(fā)出中斷信號。主程序流程圖見圖5。
（1）初始化，將各連接權(quán)值及閾值賦隨機(jī)值；
（2）隨機(jī)選取模式，計算各層的輸入和輸出；
（3）計算各層的一般化誤差；
（4）更新各層的閾值及層之間的連接權(quán)值；
（5）下一個模式對輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，返回步驟（3），至全部模式訓(xùn)練完；
（6）判斷是否需要循環(huán)學(xué)習(xí)。
當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完后，學(xué)習(xí)結(jié)果記憶在權(quán)值和閾值中。
針對BP算法中存在的問題及剎車系統(tǒng)自身的特點，我們進(jìn)行了改進(jìn)。
3.2.1.1 活化函數(shù)的選取
在μ-σ曲互中，μ的取值存在著接近0的點，如果選取單極連續(xù)的S型函數(shù)f(net)=1/[1+exp(-net)],則接近0或1時收斂速度極慢，所以系統(tǒng)選取雙極連續(xù)的 S型函數(shù)f（net）=[1-exp(-net)]/[1+exp(-net)]。該函數(shù)在接近0處余率，收斂快，解決了網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練在0點處的收斂速度問題。
3.2.1.2 初始值的選擇
由于曲綆非線性的，初始值對于學(xué)習(xí)是否達(dá)到局部小和是否收斂影響很大。初始權(quán)值在輸入累加時，每個節(jié)點的狀態(tài)值接近0，保證開始時不落到活化函數(shù)的平坦區(qū) 上。權(quán)值和閾值一般隨機(jī)取值，該系統(tǒng)中兩者初始值均取在（-1，+1）之間，對輸入樣本初始值進(jìn)行歸一化處理，使較大的輸入仍落在活化函數(shù)梯度大的區(qū)域。
3.2.1.3 退火系數(shù)Q的選擇
系統(tǒng)中加入了動量項，針對學(xué)習(xí)過程中易引起振蕩的現(xiàn)象，加入退火系數(shù)來改變活化函數(shù)曲線狀態(tài)，以改變接近0處的斜率，即活化函數(shù)為：f(net)=[1-exp(-net)/Q]/[1+enp(-net)/Q]，從而可通過調(diào)節(jié)Q值消除振蕩和發(fā)散現(xiàn)象。
3.2.1.4 BOOT設(shè)計
TMS320C54X DSP芯片一般都在片內(nèi)設(shè)置有BOOT程序，其作用是開機(jī)時將程序從外部裝入內(nèi)部程序存儲器。DSP芯片有多種BOOT方式，本系統(tǒng)采用8位并口BOOT方式。
3.2.2 模糊控制部分
89C52收到DSP發(fā)的中斷信號時，向DSP的HPI口發(fā)出讀信號，讀取DSP的處理結(jié)果。由89C52進(jìn)行查表及反模糊化控制，終將所得數(shù)字結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為所需的模擬電流控制信號。
模糊控制需進(jìn)行三部分的工作：輸入精確量的模糊化、模糊控制規(guī)則的推理合成運算和模糊量的精確化（反模糊化）。在實際應(yīng)用中，考慮到單片機(jī)的特點，力求使其存儲、變換和處理過程簡單，快捷、節(jié)省內(nèi)存，本文采用直接查表法。
查表法可歸納為以下四步的工作：
（1）確定輸入量及輸出量的論域；
（2）根據(jù)各論域所分級數(shù)n，將e、u變化范圍分為n檔，使每檔與論域的某個元素相對應(yīng)；
（3）查模糊控制表，得出控制量u，反模糊化；
（4）將控制量u乘以比例因子，施于被控對象。
模糊控制表格的生成是脫機(jī)進(jìn)行的。表格生成后，存入單片機(jī)的ROM中，這樣輸入模糊化、模糊推理以及模糊量的精確化過程就可簡化為查模糊控制表來實現(xiàn)。這種控制器結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、資源開支少，適于在單片機(jī)上實現(xiàn)。
表1 兩種系統(tǒng)剎車性能比較
| 項目 | 原系統(tǒng) | 新系統(tǒng) | |||||
| 干 | 濕 | 積水 | 干 | 溫 | 積小 | ||
| 剎車時間/s | 17.85 | 26.54 | 36.13 | 16.63 | 23.2 | 30.06 | |
| 剎車距離/m | 715.97 | 1051.8 | 1390 | 669.16 | 923.17 | 1182.6 | |
| 剎車效率 | 87.38% | 94.33% | 90.5% | 93.42% | 98.65% | 99.3% | |
|
平均 |
高速 | 3.53 | 2.34 | 2.14 | 4.03 | 3.26 | 2.19 |
| 中速 | 3.49 | 2.67 | 1.53 | 3.96 | 3.25 | 2.16 | |
| 低速 | 4.25 | 2.30 | 1.27 | 4.03 | 3.20 | 2.157 | |
4 試驗結(jié)果及分析
通過實驗和研究表明：采用新系統(tǒng)后，飛機(jī)防滑剎動性能明顯提高，制動距離、制動時間均減少。新系統(tǒng)的實驗結(jié)果見圖6。表1示出了新系統(tǒng)與原系統(tǒng)的比較結(jié)果，可以看出：
（1）新系統(tǒng)有效縮短滑跑距離，提高剎車效率，在濕跑道、積水跑道上更為明顯；
（2）新系統(tǒng)在各種跑道上的減速率從高速到低速變化均為5%以內(nèi)，明顯小于原系統(tǒng)（達(dá)15%）。說明剎車力矩變化平穩(wěn)；
（3）新系統(tǒng)的減速率在濕跑道和積水跑道均比原系統(tǒng)要大20%左右，干跑道也大6%；
（4）新系統(tǒng)的滑移率σ控制在0.15左右，剎車效能始終保持在狀態(tài)；
（5）新系統(tǒng)在各跑道上均未出現(xiàn)抱死現(xiàn)象，也消除了原系統(tǒng)的打滑逐漸加深的現(xiàn)象。
本系統(tǒng)通過應(yīng)用智能控制領(lǐng)域的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制兩個分支，改進(jìn)了飛機(jī)剎車系統(tǒng)的控制算法，并通過DSP和單片機(jī)組成雙機(jī)系統(tǒng)，不僅快速實時地實現(xiàn)了新一代 飛機(jī)剎車系統(tǒng)的性能改進(jìn)，而且將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在硬件上實現(xiàn)，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜算法不再只是停留在計算機(jī)仿真的階段，而是有了切實可行的實現(xiàn)途徑，為其在嵌入式 系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用提供了新的方法。該系統(tǒng)的算法已經(jīng)在微機(jī)上實現(xiàn)仿真，并且在硬件上得以實現(xiàn)，提高了原有飛機(jī)防滑剎車的效率和控制的魯棒性。