我们的论文-制动器实验控制方法的分析

《我们的论文-制动器实验控制方法的分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《我们的论文-制动器实验控制方法的分析（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、制动器试验台的控制方法分析制动器试验台的控制方法分析摘要摘要 本文是对汽车制动器试验台的控制方法的分析。通过分析各因素之间相互 关系，利用简单移动平均法、判别函数的知识建立了汽车制动器试验台控制电 流的预测及评价模型。 对于问题一，假设飞轮及转轴在车辆制动过程中可视为形状规则的刚体。 结合定义，运用刚体转动及物体平动能量的物理知识1，建立车辆制动实验中 等效转动惯量的求解模型。得到汽车制动试验中等效的转动惯量： 。251.9989Jkg m 对于问题二，首先根据题中条件，利用物理公式计算得到飞轮组的质量。m进一步利用刚体转动惯量计算公式，得到飞轮组的转动惯量。根据机械惯量J=飞轮组转动惯量+基

2、础惯量，等效的转动惯量=机械惯量+补偿惯量，建立车辆 模拟实验过程中补偿能量的求解模型。最终得到，此飞轮组可组成八种机械惯 量：，210kg m240.0083kg m270.0166kg m2130.0332kg m ，。考虑到补2100.0249kg m2160.0415kg m2190.0498kg m2220.0581kg m偿惯量的取值范围，最终得到电动机补偿的惯量：230 30 kg m， 。211.9906kg m218.0177kg m 对于问题三，驱动电流产生的扭矩为。由物理知识得：MMM。因为驱动电流与其产生的扭矩存在关系：。根据以上dMJdt1.5IM表达式，建立电动机驱

3、动电流依赖于可观测量的数学模型。最终求得问题三中 所需驱动电流大小为：。174.6896A 对于问题四，首先采用分段近似取值的方法将时间离散化为 10 个时刻， ，0.25s0.75s1.25s1.75s2.25s2.75s3.25s3.75s4.25s4.58s 。 利用软件分析数据，求出各时间段车辆的平均扭矩和转速。构造判别函数Excel 2，比较能量误差的大小，建立实验控制方法的评价模型。最终得出结论如下：题中使用的控制方法偏差较小，精确度较高。 对于问题五，首先需要解决 时刻角加速度的预测问题。本文将 时刻的角itit加速度定义为。根据问题三中数学模型，得到驱动电流与角加122ii i

4、nn t 速度的关系。利用上述关系，得到本时间段内电流值1.51.5iIMJJ的控制方法。根据问题四中模型，对能量误差的大小进行比较。最终得到，此 种方法下能量误差。因数值相对较小，故可以视为较合理的控制方0.0501G 法。 对于问题六，首先考虑到问题五中的控制方法，对于 时刻角加速度的求it解利用的是时间段内的角加速度数值，并不是对 时刻角加速度的精确21iitt:it预测。为此，本文引入扭矩对电流进行刻画。运用简单移动平均法3，建立时 间序列模型。利用前一时间段的瞬时扭矩，对各时刻扭矩进行预测。结合扭矩 与电流的关系，得到较为完善的电流值的计算机控制方法。 关键字关键字：刚体转动 判别函

5、数 简单移动平均法 预测问题 一一 问题重述问题重述制动器试验台的控制方法分析制动器试验台的控制方法分析 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。制动器的设计是车辆设计中最重要的环节之一，直接 影响着人身和车辆的安全。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

6、。 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 拟试验。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

7、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。例如，假设有 4 个飞轮， 其单个惯量分别是：10、20、40、80 kgm2，基础惯量为 10 kgm2，则可以组 成 10，

8、20，30，160 kgm2 的 16 种数值的机械惯量。但对于等效的转动惯 量为 45.7 kgm2 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 kgm2，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（本题中 比例系数取为 1.5 A/Nm） ；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

9、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。 现在要求你们解答以下问题： 1. 设车辆单个前轮的滚动半径为 0.286 m，制动时承受的载荷为 6230 N， 求等效的转动惯量。 2. 飞轮组由 3 个外直径 1 m、内直径 0.2 m 的环形钢制飞轮组成，厚

10、度分 别为 0.0392 m、0.0784 m、0.1568 m，钢材密度为 7810 kg/m3，基础惯量为 10 kgm2，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 -30, 30 kgm2，对于问题 1 中得到的等效的转动惯量，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 50 km/h，制动 5.0 秒后车速为零，计算驱动电流。 4. 对于与所设计的路试等效的转动惯量为 48 kgm2，机械惯量为 35 kgm2，主轴初转速为 514 转/分钟，末转速为 2

11、57 转/分钟，时间步长为 10 ms 的情况，用某种控制方法试验得到的数据见附表。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不足之处？如果有，请重新设计一个尽 量完善的计算机控制方法，并作评价。二二 问题分析问题分析2.1 问题一的分析问题一的分析 通过对等效的转动惯量的定义的分析，将问题一中对等效的转动惯量的求 解，转化为对车轮和主轴等机构转动惯量总和的求解。 首先，利用物体平动时能量计算公式，得到载荷在车辆平动时

12、所具有的能 量。记车轮与转轴在试验台上转动时具有的能量为。显然，。1E2E12EE 然后，假设车辆制动过程中，车轮和转轴均可视为刚体。结合刚体转动的 物理知识，求出车轮和转轴等机构的转动惯量总和，即得车辆模拟实验过程中 等效的转动惯量。2.2 问题二的分析问题二的分析 问题二要求得出飞轮组可以组成的机械惯量的情况。 首先，利用物理中质量的表达公式，可以分别得到三个飞轮的质量，1m ，。然后运用刚体转动的物理知识，求出飞轮组的转动惯量。2m3mJ根据机械惯量=飞轮组转动惯量+基础惯量，分析得出可以组成八种机械惯量。代入计算，即可得到八种机械惯量的取值。 然后，考虑到电动机能补偿的能量相应的惯量的

13、范围为，所230 30 kg m，以，对于电动机补偿能量的求解，只需考虑 时候的两种情形。利用等效的转动惯量=机械2240.008370.0166Jkg mkg m 和 惯量+补偿惯量，即可计算得到需要用电动机补偿的惯量大小。2.3 问题三的分析问题三的分析 对于驱动电流的计算，首先要与补偿的转动惯量相联系。为此需要引入扭 矩，利用扭矩建立驱动电流与补偿的转动惯量之间的相互联系。得到扭矩与补偿的转动惯量之间的关系：。驱动电流与扭矩之间关系：dMJdt。最后得到驱动电流与补偿的转动惯量之间的关系表达式。1.5IM 结合以上两式建立电动机驱动电流依赖于可观测量的数学模型。2.4 问题四的分析问题四

14、的分析 题中要求对实验中执行结果进行评价，需要先对所给数据进行分析，得到 各时刻实验车辆的平均扭矩和转速。对于时间的处理，采用分段近似取值的方 法将时间分为 10 个时刻：，0.25s0.75s1.25s1.75s2.25s2.75s ，。从而得到相关数据如下：3.25s3.75s4.25s4.58s 表 1 不同时刻各变量数值变化情况时刻( )s扭矩()N m转速()minrad与之前时刻的时间 间隔( )s 0.25126.175509.3630.49 0.75268.225486.90060.5 1.25280.425449.34680.5 1.75279.275422.94200.5

15、2.25280.975394.37580.5 2.75342.15365.84160.5 3.25281.575337.98520.5 3.75281.925309.45140.5 4.24283.625281.19000.5 4.58281.8056261.86830.17 在前文分析的基础上，可以求得路试过程中飞轮和主轴等机构转动时具有 的能量的真实值。结合相关数据则可以得到模拟实验过程中飞轮和主轴等机E构转动时具有的能量的理论值。E分析比较与的差值变化率，据此判断执行结果的准确性。EE2.5 问题五的分析问题五的分析 结合实际，本文把整个制动时间离散化为许多小的时间段，以 10 ms 为

16、一 段。同时，用时间段内角加速度的大小，近似代替 时刻角加速度的数12iitt:it值。 对于驱动电流的表达，可以直接利用问题三中所建模型，对表达式进行整 理得到：1.51.5iIMJJ将利用附录中所给数据代入上述表达式，式中电流值随时间的变化情况， 即本段时间内电流大小的控制方法。 对于上述方法，根据问题四中模型，利用判别函数，对能量误差的大小进 行分析比较。2.6 问题六的分析问题六的分析 对于问题五中的控制方法， 时刻角加速度利用的是前段时间内的角加速it度数值，对 时刻角加速度的预测并不精确。为此，需要进一步优化，建立更it为精确的预测模型。 为此，本文引入简单移动平均法，建立时间序列模型。利用前一时间段的 瞬时扭矩，对 时刻的扭矩进行预测。结合扭矩与电流