摘? 要: 對現(xiàn)有飛機(jī)剎車防滑系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行了改進(jìn)，采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的BP算法和模糊實(shí)時控制,，并用數(shù)字信號處理器(DSP)在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,。結(jié)果表明，飛機(jī)防滑剎車效率有了明顯改進(jìn),，魯棒性增強(qiáng),。?

　　關(guān)鍵詞: 數(shù)字信號處理? 飛機(jī)剎車系統(tǒng)? 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)? 模糊控制?

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　　飛機(jī)剎車系統(tǒng)是飛機(jī)上具有相對獨(dú)立功能的子系統(tǒng)，承受飛機(jī)的動,、靜態(tài)載荷及著陸時的動能,，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的制動控制。?

　　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,。第一代飛機(jī)剎車系統(tǒng)由離合開關(guān)調(diào)節(jié)壓力來實(shí)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(shí)現(xiàn),。近年來，國外已著手運(yùn)用最新控制理論——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(shí)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,，存在一個最大值μmax,，它對應(yīng)的滑移量為最佳滑移量σp，如圖1所示,。?

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　　在整個剎車過程中,，飛機(jī)速度不斷下降，因此σ也不斷變化,，必然引起μ變化,。為了達(dá)到最佳剎車,，應(yīng)不斷調(diào)節(jié)剎車力矩，使剎車機(jī)輪在結(jié)合系數(shù)為最大值或者在其附近區(qū)域II,、III的情況下產(chǎn)生運(yùn)動,。?

　　目前在剎車系統(tǒng)對μ-σ的處理中，μ取為定值,，這與實(shí)際情況存在較大差異,。有文獻(xiàn)采用多級σ值的計(jì)算方法來實(shí)現(xiàn)μ隨σ變化而變化，但控制效果并不理想,。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來處理μ-σ的非線性關(guān)系,，因?yàn)楦鶕?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(shí)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)受路面影響較小,，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)用最廣的是多層前向網(wǎng)絡(luò)。多層前向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于具體實(shí)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)用最廣的是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(shí)際訓(xùn)練樣本不斷實(shí)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),。?

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1.3 模糊控制原理?

　　模糊控制是利用人的智能和經(jīng)驗(yàn)，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,，故近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μ_max計(jì)算出期望的飛機(jī)速度及機(jī)輪轉(zhuǎn)速ω_d，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(FUZZY CONTROLLER)控制器中;同時計(jì)算出ω_d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(shí)現(xiàn)模糊剎車,。?

　　根據(jù)系統(tǒng)的性能要求及實(shí)際情況,，本系統(tǒng)采用DSP(數(shù)字信號處理器)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用單片機(jī)89C52實(shí)現(xiàn)模糊控制方案,。系統(tǒng)硬件原理圖如圖3所示,。伺服控制系統(tǒng)框圖如圖4所示,。?

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3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)?

3.1 系統(tǒng)硬件實(shí)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(jì)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)的權(quán)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(shí)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(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中,，可靠性是個不容忽視的問題,。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(yùn)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(shí)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(jì)重點(diǎn)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(shí)時性要求,。?

3.2 系統(tǒng)軟件實(shí)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,。?

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　　如前所述,，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分采用常用的BP算法,，其具體的學(xué)習(xí)步驟如下:?

　　(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(jì)算各層的輸入和輸出;?

　　(3)計(jì)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(diǎn)，我們進(jìn)行了改進(jìn),。?

3.2.1.1 活化函數(shù)的選取?

　　在μ-σ曲線中,，μ的取值存在著接近0的點(diǎn),，如果選取單極連續(xù)的S型函數(shù)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)該函數(shù)在接近0處斜率最大,，收斂最快,，解決了網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練在0點(diǎn)處的收斂速度問題。?

3.2.1.2 初始值的選擇?

　　由于曲線是非線性的,，初始值對于學(xué)習(xí)是否達(dá)到局部最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(diǎn)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(xiàng)，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)曲線形狀,，以改變接近0處的斜率,，即活化函數(shù)為從而可通過調(diào)節(jié)Q值消除振蕩和發(fā)散現(xiàn)象,。?

3.2.1.4 BOOT設(shè)計(jì)?

　　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，最終將所得數(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(yùn)算和模糊量的精確化(反模糊化)。在實(shí)際應(yīng)用中,，考慮到單片機(jī)的特點(diǎn),，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(shí)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(shí)現(xiàn),。?

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析?

　　通過實(shí)驗(yàn)和研究表明:采用新系統(tǒng)后,，飛機(jī)防滑制動性能明顯提高,，制動距離,、制動時間均減少。新系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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: ?

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　　(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在5%以內(nèi),，明顯小于原系統(tǒng)(最大達(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最佳狀態(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(shí)時地實(shí)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(shí)現(xiàn),，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜算法不再只是停留在計(jì)算機(jī)仿真的階段,，而是有了切實(shí)可行的實(shí)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(shí)現(xiàn)仿真,，并且在硬件上得以實(shí)現(xiàn),，提高了原有飛機(jī)防滑剎車的效率和控制的魯棒性,。?

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