文档介绍：制动器试验台的控制方法分析
摘要:本文在分析制动器试验台控制方法之前,首先对等效的转动惯量、机械惯量以及电动机驱动电流做了简单的讨论和计算,为试验台的控制方法打好铺垫。然后分别利用辛普森求积公式与迭代法求得试验台上制动器在制动过程中消耗的能量,和路试时的制动器制动过程中消耗的能量,从而求得能量误差,并通过相对能量误差分别评价题目中提供的计算机控制方法的优劣。
对于问题(1),本文建立了等效的转动惯量模型。通过车轮纯粹的滚动模型,推导出刚体动能计算公式。然后运用能量守恒定律求得等效的转动惯量模型,解得题中制动时承受载荷的单个前轮的等效惯量为。
对于问题(2),利用转轴沿几何轴的圆筒的转动惯量公式,获得8种机械惯量。符合电动机能补偿范围的机械惯量组合为、,需要用电动机补偿的惯量分别为, 。
对于问题(3),建立了电动机驱动电流依赖可观测量的数学模型,并求得符合电动机能补偿范围的机械惯量组合,对应的驱动电流为,。
对于问题(4),通过矩形积分公式、梯形积分公式与辛普森积分公式三种数值积分方法进行精度分析。运用精度最高的辛普森积分公式,并根据力矩的功求得试验台上制动过程中消耗能量。根据动能定理,计算出路试时的制动器制动过程中消耗的能量,并求得相对能量误差为。
对于问题(5)、(6),本文根据问题(3)中驱动电流模型,运用迭代法设计电流值。得出在该设计方法下,驱动电流的初始值是模型优劣的重要因素。并提出了一种初始驱动电流的模型,算出相对能量误差为。
在求解过程中,我们大量使用解析法来推导公式,只有在必要时用数值法代替。公式的推导和精炼使得在数值模拟时的计算量大大降低,减少了计算机程序的求解时间。
1、问题提出
背景
汽车的行车制动器(以下简称制动器)联接在车轮上,它的作用是在行使时使车辆减速或者停止。制动器的设计是车辆设计中最重要的环节之一,直接影响着人身和车辆安全。为了检验设计的优劣,必须进行相应的测试。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。
为了检测制动器的综合性能,需要在各种不同情况下进行大量路试。但是,车辆设计阶段无法路试,只能在专门的制动器试验台上对所设计的路试进行模拟实验。本文将对制动器试验台的控制方法进行分析。
重述
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。制动器试验台主体原理图如图1所示。
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成为完成一次制动。
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)在本题中成为等效的转动惯量。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。
需要解决的问题
(1),制动时承受的载荷为6230N,求等效的转动惯量。
(2)飞轮组由3个外直径1m、,、、,钢材密度为,基础惯量为,问可以组成哪些机械惯量?设电动机能补偿的能量相应的惯量的范围为
,对于问题(1)中得到的等效转动惯量,需要用电动机补偿多大的惯量。
(3)建立电动机驱动电流依赖于可观测量的数学模型。在问题(1)和问题(2)的条件下,假设制动减速度为常数,初始速度为,,计算驱动电流。
(4)对于与所设计的路试等效的转动惯量为,机械惯量为,主轴初转速为,末转速为,时间步长为10ms的情况,用某种控制方法试验得到一组数据。请对该方法执行的结果进行评价。
(5)按照第(3)问导出的数学模型,给出根据前一个时间段观测到的瞬时转速与/或瞬时扭矩,设计本时间段电流值的计算机控制方法,并对该方法进行评价。
(6)第(5)问给出的控制方法是否有