文档介绍：科院6组:蔡光达王良泽南熊佩玉
A制动器试验台的控制方法分析
摘要
本文分析的是制动器试验台的控制方法,建模过程中,我们运用了动量定理、能量守恒定律、增量PID算法、反馈补偿方法,并通过求解分析,最终得出最优的方案,然后再进行改进以获取最合适的控制方法。
针对问题一,我们把载荷通过重力加速度等价为质量,再根据动能定理以及刚体转动的角动量定理,求得等效的转动惯量为52N·m-1。
针对问题二,因为飞轮的转动惯量由飞轮的质量和飞轮的内外径决定,我们将飞轮等效看作圆环,由刚体动力学知识[2]算出三个飞轮的转动惯量;再根据组成的机械惯量的原则,求出所有可能组成的机械惯量。最后根据电动机能补偿的转动惯量的范围,确定出对应范围内可取的两个补偿惯量的值分别为:,-。
针对问题三,我们以扭矩守恒为基础建立了电动机驱动电流依赖于可观测量的数学模型。在已知制动时间内初末速度变化的条件下,假设制动减速度为常数,先根据扭矩与交加速度的关系确定扭矩的大小,再由电动机的驱动电流与其产生的扭矩成正比且比例系数为已知的定值,。
针对问题四,要对问题三中模型的结果进行评价,我们根据其能量相对误差来定性说明。利用能量守恒求得路试消耗着能量,利用累加求和的方法求出所消耗的能量,进而求出能量差,%以及补偿能量百分比为。
针对问题五,在问题三的可观察量模型基础上,将时间离散化,得到问题五的线性模型,此模型最主要适用于接近线性变化的情况,由于此种方法存在着时间的间断性,所以也存在着一定的误差,求出能量差,以及补偿能量百分比为。
针对问题六,由于问题五所用的方法具有局限性,故问题六需在的问题五的基础上改进,问题六对计算机控制电流的线性控制转换成反馈补偿算法,从而进一步优化解决模型,问题六补偿方式为反馈补偿,在接近二次曲线的情况下,通过这种机制补偿,会使累计的能量误差的变化率越来越小。
关键词:转动惯量扭矩补偿能量百分比控制方法
1. 问题重述
汽车的行车制动器(以下简称制动器)联接在车轮上,它的作用是在行驶时使车辆减速或者停止。为了检验设计的优劣,必须进行相应的测试。
一方面,在道路上测试实际车辆制动器的过程称为路试,其方法为:车辆在指定路面上加速到指定的速度;断开发动机的输出,让车辆依惯性继续运动;以恒定的力踏下制动踏板,使车辆完全停止下来或车速降到某数值以下;在这一过程中,检测制动减速度等指标。假设路试时轮胎与地面的摩擦力为无穷大,因此轮胎与地面无滑动。
另一方面,模拟试验的原则是试验台上制动器的制动过程与路试车辆上制动器的制动过程尽可能一致。通常试验台仅安装、试验单轮制动器,而不是同时试验全车所有车轮的制动器。制动器试验台一般由安装了飞轮组的主轴、驱动主轴旋转的电动机、底座、施加制动的辅助装置以及测量和控制系统等组成。被试验的制动器安装在主轴的一端,当制动器工作时会使主轴减速。试验台工作时,电动机拖动主轴和飞轮旋转,达到与设定的车速相当的转速(模拟实验中,可认为主轴的角速度与车轮的角速度始终一致)后电动机断电同时施加制动,当满足设定的结束条件时就称为完成一次制动。
路试车辆的指定车轮在制动时承受载荷。将这个载荷在车辆平动时具有的能量(忽略车轮自身转动具有的能量)等效地转化为试验台上飞轮和主轴等机构转动时具有的能量,与此能量相应的转动惯量(以下转动惯量简称为惯量)在本题中称为等效的转动惯量。试验台上的主轴等不可拆卸机构的惯量称为基础惯量。飞轮组由若干个飞轮组成,使用时根据需要选择几个飞轮固定到主轴上,这些飞轮的惯量之和再加上基础惯量称为机械惯量。 kg·m2的情况,就不能精确地用机械惯量模拟试验。这个问题的一种解决方法是:把机械惯量设定为40 kg·m2,然后在制动过程中,让电动机在一定规律的电流控制下参与工作,补偿由于机械惯量不足而缺少的能量,从而满足模拟试验的原则。
一般假设试验台采用的电动机的驱动电流与其产生的扭矩成正比( A/N·m);且试验台工作时主轴的瞬时转速与瞬时扭矩是可观测的离散量。
由于制动器性能的复杂性,电动机驱动电流与时间之间的精确关系是很难得到的。工程实际中常用的计算机控制方法是:把整个制动时间离散化为许多小的时间段,比如10 ms为一段,然后根据前面时间段观测到的瞬时转速与/或瞬时扭矩,设计出本时段驱动电流的值,这个过程逐次进行,直至完成制动。
评价控制方法优劣的一个重要数量指标是能量误差的大小,本题中的能量误差是指所设计的路试时的制动器与相对应的实验台上制动器在制动过程中消耗的能量之差。通常不考虑观测误差、随机误差和连续问题离散化所产生的误差.
本文需解决的