FAA使用电液控制进行跑道测试

液压执行器擅长在测试应用中应用真实世界的力，因此制造商和研究实验室进行产品强度和耐力测试时经常使用液压。美国联邦航空管理局(FAA)位于新泽西州大西洋城的国家机场路面测试设施(NAPTF)的测试工程师表示，当液压系统由可编程闭环运动控制器控制时，测试可以非常灵活和精确，节省时间和金钱，并产生高质量的结果

新机场跑道偶尔会被建造，但旧跑道正在被完全重建或覆盖，原因除了磨损之外，还有许多其他的原因，比如新材料的可用性，以及飞机起落架设计、车轮载荷和交通水平的变化。考虑一下为机场跑道建设制定指导方针以支持最新的宽体喷气式飞机的问题。为了跟上道路建设的最新要求，机场管理人员会参考FAA的标准和指南，这些标准和指南包含在被称为咨询通告的文件中。

美国联邦航空局的大西洋城测试设施(见图1)包括一个1200英尺长的路面部分和一个带有轮式负载模块的可移动车厢，这些模块可以应用飞机运行一生的压力。该结构可以在几个月内模拟30年的飞机交通。跑道有不同的部分来模拟不同类型土壤上的路面，就像在这个国家或世界的不同地方一样。有些路段是混凝土，有些路段是沥青。

飞机在从登机口滑行到跑道的起飞端时造成的伤害最大。一架宽体喷气式飞机，如新型空客A380，每个轮子在路面上可以施加55,000至65,000磅的重量。为了模拟一种特定类型的飞机，NAPTF团队使用载荷模块从车厢向下延伸，将所需的车轮数量和所需的重量放在模拟跑道路面上。

为了使测试得出正确的结果，车轮负载或路面上的力需要保持恒定，即使路面表面可能存在不规则情况(凹凸不平和车辙)。这一事实，加上测试系统易于重构以模拟许多飞机的要求，推动了对由可编程运动控制器控制的液压负载管理系统的需求。

PID太慢，无法运动

起初，美国联邦航空局工程师瑞安·拉特(Ryan Rutter)使用PLC来控制液压系统，但他发现很难精确调节车轮施加的力。PLC运行PID(比例，积分，导数)控制回路，但PLC的回路时间较慢，加上充氮轮胎的依从性影响，使其难以正确跟踪沥青中的不规则情况。拉特需要一个反应更灵敏的控制系统。液压分配器先进流体系统约克，宾夕法尼亚。，recommended the RMC75 electrohydraulic motion controller manufactured by Delta Computer Systems Inc. of Battle Ground, Wash.

使用Delta RMC(图3)使Rutter在关闭控制循环所需的时间上提高了10倍。控制器通过负载模块执行器中活塞两端传感器的压力读数来计算施加的力。这些压力乘以活塞面积，然后盖和杆力减去。PID增益，连同回路方程中的前馈项，产生闭合回路所需的驱动信号，并使实际力等于力设定值。

只要轮子不动，这种方法就能很好地工作。当车轮开始在跑道上的车辙上上下移动时，由于充气轮胎的顺应性，PID增益不能足够快地响应。在振荡发生之前，控制器增益只能增加到目前为止。

压力变化

为了纠正这个问题并保持力和压力恒定，压力的变化率必须为零。控制压强变化率的公式是:

地点:

是压强随时间变化的速率吗

油的体积模量是多少

问是流动

v执行器的速度是否相对于活塞

一个活塞的面积是多少

V在阀门和活塞之间是否有油被截留的体积

为了使压力的变化率恒定为零，方程的分子必须为零。要做到这一点，在试图保持压力或力时，需要随时了解执行器的速度。当轮子在跑道车辙中上下移动时，轮子运动的速度会引起压力的变化。由于运动控制器控制液压流体流量，很明显，通过调整流量以匹配执行器的速度乘以活塞的面积，运动控制器可以保持车轮和跑道之间的恒定压力。

在测试中，每0.1英寸。驱动器相对于跑道表面向下移动，跑道和一对轮子之间的力增加了约1800磅。1800磅每0.1英寸。近似不是线性的，但已经足够接近了。如果组合轮胎的目标测试重量是36,000磅，那么轮胎需要被推入跑道2英寸。在整个测试过程中，要保持这个力，就需要知道或“绘制”跑道表面轮廓作为跑道距离的函数，这样运动控制器的三次样条函数就可以用来控制轮胎的位置。为了获得这些信息，设计团队将机器在模拟跑道上缓慢移动，在一个大约160英尺长的测试区域内移动，并每6英寸记录一次车厢与跑道之间的高度。使用串电位器连接到负载模块。

花键数组

接下来，跑道表面轮廓以长样条阵列输入运动控制器。然后将控制器置于位置控制模式，执行其三次样条函数，将其输出到液压伺服阀，配合当前跑道深度加上偏移量，以产生大约必要的力。Delta控制器使用样条函数将已知目标轴位置的点“连接起来”，这些点具有平滑的运动曲线，不会因加速度的阶跃变化而表现出任何颠簸或颠簸。

由于力与轮胎压缩距离的关系是非线性的，因此可以使用级联控制环对施加在跑道上的力进行更精确的控制。在级联回路布置中，外力回路PID的输出用于抵消由跑道车辙深度样条轮廓生成的内回路目标位置。这种级联式循环安排工作得非常好，因为内循环可以调得相对紧密。由于它只关心位置误差，轮胎依从性几乎没有区别。外环的主要价值是补偿力-压缩距离的非线性。

级联回路，非线性

使用级联循环可以更容易地控制这样的非线性系统。如果基于跑道轮廓的内环可以精确到10%以内，那么进行力闭环控制的外环只需要对最后10%提供一个修正因子，就可以完全排除系统中任何不可预测的干扰。通过减少补偿车轮在跑道上施加的重量的目标值和实际值之间的差值所需的力的变化，可以更顺利和更快地完成变化，并且可以消除振荡等因素。

美国联邦航空局通过出租车测试获得的数据正被纳入一个名为farfield的软件程序，机场路面工程师使用该软件来帮助他们设计机场路面。

“根据我们在测试设施进行的测试，我们确定，总体而言，机场每年将在覆盖设计上节省1.67亿美元，”国家机场路面测试设施经理萨蒂什·阿格拉瓦尔博士说。“我们还预计，我们的设计软件每年将为机场改善计划(AIP)节省约3%的资金。”

Peter Nachtwey是Delta计算机系统公司的总裁兼工程师。由Mark T. Hoske编辑，CFE Media，控制工程，www.globalelove.com．

www.deltamotion.com

请参见机器控制通道:

//www.globalelove.com/channels/machine-control.html

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