2009A制动器试验台控制方法获奖论文.doc

2009高教社杯全国大学生数学建模竞赛获奖论文
制动器试验台的控制方法分析
摘要:制动器是具有使运动部件(或运动机械)减速、停止或保持停止状态功能的装置,集工作装置和安全装置于一体,是保证机器安全工作的重要部件。制动器性能试验台是测试制动器性能和质量的重要装置,设计惯性制动器试验台是为了模拟实际工况中的负载,以测试出惯性制动器在实际运行中的各种性能参数,一方面为现用产品提供更精确具体的运行参数,同时提供了可靠的检测手段;另一方面为进一步改进产品的性能提供数据依据,以及为新产品或新改进的产品提供实验平台。
本文根据问题二所给的条件建立了机械惯量和电惯量混合模拟模型。这种模拟方法用大惯量的飞轮模拟主要部分,用电惯量进行精确调整,既可以实现惯量无级调整,减小主机体积,又可以降低功率,同时对电机容量要求和控制要求也降低。计算机的控制方法是采用扭矩、转速、电流调速系统,即:转速传感器和扭矩传感器把它们的数据传送给计算机,计算机通过分析并按公式处理计算得到直流电机所需要的电流,使得此电流产生的电惯量能补偿机械惯量的不足,并把此电流值传送给直流电机控制器进而控制直流电机所产生的扭矩。
经探析,并利用MATLAB编程画出上述模型中主轴的瞬时转速、瞬时扭矩、瞬时能量图,可知上述模型仍然具有滞后性,精确度仍不令人满意,而且要达到上述条件对设备的要求也比较高,因此我们建立了另一个更好的模型——神经网络控制模型。本文针对电惯量系统中直流调速控制的特点,应用了神经网络控制理论中基于单神经元的自适应调速控制方法。其结构简单,易于实时控制。该方法将单神经元自适应PID控制器与传统双闭环控制相结合,不仅保持了传统PID控制器的特点,而且充分利用了神经元的自学习、自组织能力和非线性特性,可以根据运行时受控对象的变化情况在线调整其权重,因而能使电惯量控制系统具有良好的动态性能、较强的自适应性以及无静差、无超调、鲁棒性强等优点。
关键词制动器试验台机械惯量和电惯量混合模拟模型神经网络控制模型扭矩、转速、电流调速系统
一问题重述
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。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。为了检验制动器的优劣,必须进行相应的测试。
而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。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。但是单单采用机械惯量存在模拟级差,不能达到等效的转动惯量。这个问题的一种解决方法是:用大惯量的飞轮模拟主要部分,用电惯量进行精确调整,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。
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,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。
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。
二模型假设
(1) 一切供电系统均正常运行;
(2) 假设路试时轮胎与地面的摩擦力为无穷大,即轮胎与地面无滑动;
(3) 假设车轮自身转动具有的能量为零;
(4) 采样时间是离散的;
(5) 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);
(6) 传感器在接受信号的时受“噪声”的影响忽略不计;
(7) 实验室的湿度、压强等对系统的影响可以忽略不计
(8) 假设工作时主轴的瞬时转速与瞬时扭矩是可观测的离散量。
(9) 假设观测误差、随机误差和连续问题离散化所产生的误差都为零
三问题求解
问题1:求等效的转动惯