（控制理论与控制工程专业论文）航空机轮试验台电气柜改造与能量控制.pdf

西北工业大学硕：i 二论文 摘要 摘要 本论文的研究目的是对某航空机轮刹车试验台的电气控制柜( 简称g e c 柜) 进行技术改造。g e c 电气柜用于完成对鼓轮的控制，包括电惯量模拟控 制模块、速度控制模块、能量补偿模块、发电机电流控制模块和速度检测模块。 本文先介绍了刹车试验台的原理、g e c 电气柜的结构和对g e c 柜改造的 内容和要求。然后介绍了g e c 柜改造的详细设计方案，提出了能量控制的方 法，采用最小二乘法辨识出了电枢电流控制器的传递函数。在此基础上重点分 析推导了刹车能量补偿的控制模型。 刹车能量补偿控制是g e c 柜改造的难点因为引起能量损失的因素比较 多，各个因素引起的能量损失模型难建立，而且没有相关的能量补偿数据，模 型的参数很难确定。作者将多种因素引起的能量总损失视为是一个作用在鼓轮 上的反力矩所致，刹车过程中，实时估算反力矩值，通过控制电机的电枢电流， 改变电机的电磁力矩，补偿损失的能量。 作者进行了全数字和半物理仿真，对得出的能量补偿算法模型进行检验。 仿真结果表明，能量补偿结果满足系统指标的要求，从而证明了算法的有效性。 关键词： 航空机轮刹车试验台 电惯量模拟 刹车能量控制 g e c 电气柜 最小二乘法 能量补偿 西北工业大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st o i m p r o v et h eg e c e l e c t r i c a lc a b i n e to ft h e a i r c r a f tt y r ew h e e la n db r a k et e s td y n a m o m e t e r t h eg e ce l e c t r i c a lc a b i n e ti s t h e e q u i p m e n t w h i c hc o n t r o l st h ed r u m sa n di n c l u d e st h ee l e c t r i c a li n e r t i a l s i m u l a t i o nc o n t r o l m o d u l e ，t h es p e e dc o n t r o lm o d u l e ，t h ee n e r g yc o m p e n s a t i o n m o d u l e ，t h ee l e c t r i c i t yc o n t r o lm o d u l ea n dt h es p e e d t e s t i n g m o d u l e 。 f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo ft h ea i r c r a f tt y r ew h e e la n db r a k e t e s td y n a m o m e t e r ，t h es t r u c t u r eo ft h eg e ce l e c t r i c a lc a b i n e ta n dt h et a r g e t so f s y s t e mi m p r o v e m e n t s e c o n d l y , i ti n t r o d u c e st h es o l u t i o no ft h es y s t e mi m p r o v e m e n t a n e n e r g yc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e d t h et r a n s f e rf u n c t i o no fe l e c t r i c i t yc o n t r o l l e r i si d e n t i f i e db yu s eo f t h em e t h o do f l e a s t s q u a r ea n d t h ee n e r g yc o m p e n s a t i o nm o d e l i sc r e a t e d f i n a l l y , i ti n t r o d u c e st h e e n e r g yc o m p e n s a t i o n m o d e l t oc r e a t e e n e r g yc o m p e n s a t i o nm o d e li sd i f f i c u l tb e c a u s ee n e r g yl o s i n gi s e f f e c t e db ym a n yf a c t o r sa n dt h e e n e r g y - l o s i n gm o d e lo ff a c t o r s i sh a r dt of i n d t r e a t i n gt h et o t a ll o s i n ge n e r g yd u et oe v e r yf a c t o ra st h el o s i n gd u et oai n v e r s e m o m e n t ，a ne n e r g yc o m p e n s a t i o nm o d e li si n t r o d u c e dt o c o m p u t et h e i n v e r s e m o m e n ta n dt oc o n t r o lt h e e l e c t r i c i t yc o n t r o l l e ri no r d e rt oa d j u s tt h ee l e c t r i c a l m o m e n ta n d c o m p e n s a t el o s i n ge n e r g y ， a d i g i t a ls i m u l a t i o ns y s t e ma n das e m i p h y s i c a ls i m u l a t i o ns y s t e ma r es e t u pt o a n a l y z et h er a t i o n a l i t yo f t h ee n e r g yc o m p e n s a t i o nm o d e l ，i ts h o w st h a tt h er e s u l to f t h es i m u l a t i o nm e e t st h es p e c i f i c a t i o n s t h u s ，t h e v a l i d i t yo f a r i t h m e t i ci sp r o v e n k e y w o r d ： a i r c r a f t t y r e w h e e la n db r a k et e s t d y n a m o m e t e r ， g e ce l e c t r i c a l c a b i n e t e l e c t r i c a li n e r t i a l s i m u l a t i o n ，l e a s ts q u a r ei d e n t i f i c a t i o n ，b r a k ee n e r g yc o n t r o l ， e n e r g yc o m p e n s a t i o n 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 本课题的研究目的在于对某航空机轮公司原引进的航空机轮刹车试验 台的g e c 电气柜进行更新及技术改造，提出机轮刹车试验过程中能量计算 和能量补偿的模型。 航空机轮轮胎及刹车装置是保证飞机正常起飞、着陆的重要部件，其 性能品质的检验是保障飞机安全飞行的重要措施。航空机轮刹车试验台是 一种模拟飞机起飞和着陆条件，并对机轮轮胎和刹车装置进行质量检测的 大型试验设备。该航空机轮公司的航空机轮刹车试验台于八十年代初期从 英国邓绿普公司弓 进，它是目前亚洲惟一通过国际民航认证的提供机轮与 刹车装置鉴定试验的重要设备。该试验台自引进以来，为我国及东南亚许 多国家完成了大量的有关产品的质检任务和科研项目。 然而经过二十多年的长期运行，设备本身暴露了许多缺陷，比如控制 台占用面积较大，上面布满了各种按钮、开关、可调旋钮、显示仪表等； 试验操作规程复杂，需要许多熟练技术人员配合操作才能正常工作：一些 部件老化、损坏，原系统的数字计算机部分也已不能工作，导致一些试验 项且已无法正常进行。试验台的g e c 控制系统是试验台的控制执行部分， 目前也存在很多问题，如四路能量补偿模块已经有两路不能工作。这些因 素已严重影响了相关试验的正常进行，制约了生产、科研技术水平的进 步发展。 该课题的进行，具有重要的实际应用价值。 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 1 2 作者承担的主要工作及本文的组织和安排 1 2 1 作者承担的主要工作 航空机轮刹车试验台是一套非常复杂的系统，用现代先进的计算机技 术和控制技术对该系统进行数字化改造，更是一项复杂而繁琐的工作，它 涉及多领域多学科的知识和技能。所以这样一项任务艰巨的课题，需要多 人协同工作才能完成。作者在此项目之中承担的主要工作有： ( 1 ) g e c 控制系统的改造方案设计； ( 2 ) g e c 控制系统的详细设计方案设计： ( 3 ) 刹车能量补偿控制的模型建立； ( 4 ) 刹车能量补偿控制模型的全数字仿真及半物理仿真实现； 1 2 2 本文的组织与安排 本论文分为五章。各章的内容为： 第一章为绪论，介绍课题的来源、意义，以及作者所承担的工作。 第二章首先介绍刹车试验系统的总体结构和刹车试验台的试验原理、 惯量模拟原理、能量补偿原理：然后介绍g e c 控制系统的结构，刹车试验 的操作过程；最后介绍这次改造的任务和内容。 第三章详细的介绍系统的改造方案，包括系统改造的总体设计及技术 要求、现场总线技术、控制系统的结构及各个控制站的软硬件设计。 第四章重点介绍能量控制和能量补偿。包括电枢电流控制器传递函数 的辨识、鼓轮模型、电机模型的建立，提出和建立了能量控制和能量补偿 模型。 第五章对能量补偿模型进行全数字仿真和半物理仿真，分析仿真结果， 检验模型的合理性。 2 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 1 3 计算机控制的发展与现状 自动控制学科对于科学技术的发展具有重要的作用。它不仅在尖端学 科领域中是必不可少的，而且在一般的工业生产过程中也具有广泛的应用。 电子计算机的出现及其发展，使得自动控制技术产生了巨大的飞跃。 因为计算机具有精度高，速度快，存储容量大以及逻辑判断能力强，所以 可实现复杂的控制算法，获得快速精确的控制效果。 计算机控制系统按照它的结构形式可分成如下两种类型： ( 1 ) 集中型计算机控制系统。 它将所有控制功能均集中于一台计算机来完成，系统可能包括很 多回路的d d c 控制以及监督管理控制环节。早期计算机的价格比较高， 人们希望一台计算机能完成尽量多的控制任务，所以通常采用这种方 式。然而集中型计算机控制系统存在不少问题。首先它的可靠性较差。 一旦计算机发生故障，将造成整个装置甚至整个工厂不能正常工作。 同时，由于一台计算机控制生产过程的许多物理量，从而使得整个生 产过程的操作、启动及停机都很困难。 ( 2 ) 分散型计算机控制系统或分布式计算机控制系统。 七十年代开始，电子工业的发展进入了划时代的新时期，大规模 集成电路的问世、c r t 显示及数字通信技术的进一步发展，为毅型的计 算机控制系统的研制和发展开拓了新的领域。1 9 7 5 年，分散型计算机 控制系统问世，它一出现便显示了强大的生命力。图1 1 显示了分散 型计算机控制系统的典型功能框图。系统组成及各部分的功能如下： 基本控制单元。由分散的微处理机系统组成，主要用于生产过 程的直接数字控制。 操作员接口。它是人和机器进行联系、操作生产过程、监视运 行状态的设备，它通常包括数据通讯接口、c r t 显示器、键盘、打 印机等设备。 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 i o 接口单元。主要用于数据的采集和变换处理。 管理计算机。执行高一级的控制功能。 数据总线。它是各个单元之间进行数据通讯的通道。 c r t 操作台管理计薄机 !i l： l 瓣卜l 瓣i 卜口i i!i 生产过程 图l1 集敌计算机控制系统 在分散型计算机控制系统中，由于采用了分散化控制结构，每台微处 理机只控制一个局部过程，一台微处理机发生故障不会影晌整个生产过程， 从而使可靠性得到提高。同时，由于系统硬件采用了标准的模块结构。因 此扩展容易、使用方便灵活。 计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物。由于计 算机具有大量存储信息的能力、强大的逻辑判断能力及快速运算本领，使 得计算机控制系统具有许多优异的性能： ( 1 ) 实现复杂的控制规律，提高控制质量。 常规的模拟调节器只能实现比例一微分一积分等较简单的调节规 律，计算机控制不仅具有p i d 调节功能，还能实现复杂的控制规律。 智能控制理论的发展，为计算机控制系统实现自主式、智能化控制功 能创造了条件。可以预料，计算机控制系统必将在各行各业发挥越来 越重要的作用。 ( 2 ) 调整控制规律方便。 4 西北工业大学硕士论文第一章绪论 模拟调节器要改变控制规律必须对硬件装置进行改动或拆换，计 算机只要改动或补充程序就可以很快地适应新的控制要求。 ( 3 ) 计算机控制投资少，见效快。 采用计算机控制既节省原材料又节省劳动力。 总之，计算机控制优点突出，效果显著，前景诱人在社会主义现代 化建设中它正在发挥着巨大的作用，而且以后必将发挥更大的作用。 西北工业大学硕士论文 第二章刹车试验台的介绍和改造任务 第二章刹车试验台的介绍和改造任务 2 1 刹车试验台介绍 2 1 1 刹车试验台的用途 飞机轮胎、机轮和刹车惯性试验台是提供飞机轮胎、机轮、刹车和防滑系 统等全尺寸样机或生产样品模拟飞机滑行、起飞、着陆和刹车条件进行质量检 验的大型设备。滑跑和着陆中的刹车试验能够在模拟倾斜和偏航的条件下进 行。采用电惯量补偿原理，可以模拟轮胎和机轮在各种条件( 飞机重量、飞机 速度、刹车压力、刹车力矩等) 下的试验，以验证产品的性能。 2 1 2 试验台系统结构 原试验台系统结构框图如图2 1 所示。验台的主要装置有：操作台、液压 电气柜、液压执行系统、g e c 电气柜、电机、驱动电机、数字计算机、鼓轮、 托架等。整个试验台包括固定头与活动头两部分。分别位于鼓轮的两侧。固定 头用来模拟飞机起飞或着陆时偏航角和倾斜角为零度时的工作条件，活动头可 以用来模拟飞机起飞或着陆时偏航角和倾斜角不为零的试验状态。设计两个头 可以提高试验效率( 两个头可轮流试验) ，也可以满足不同试验条件的要求。 该试验台主要进行轮胎和刹车两大类试验，分别用来鉴定轮胎和刹车装置的性 能。试验工作过程为：试验前，先将轮胎( 或和刹车装置) 固定在拖架上：试 验时，轮胎与鼓轮接触，按照设定试验曲线( 鼓轮速度曲线、轮胎加载曲线等) 控制鼓轮速度和轮胎载荷来模拟要求的试验条件，进行轮胎或刹车试验：试验 结束后，拖架带动轮胎离开鼓轮。通常，完成一个轮胎或刹车装置的鉴定需要 在相同条件下重复试验几十次。 试验方式分为固定头轮胎、固定头刹车、活动头轮胎、活动头刹车四种， 可在自动或手动的方式下进行，有数字或模拟两种控制模式。在模拟方式下， 由液压柜中的模拟电路系统对载荷和刹车阻力等进行控制；在数字方式下，由 西北工业大学颈 论文第二章刹车试验台的介绍和改造任务 数字计算机参与系统控制。设置两套操作方式可以提高系统的冗余工作能力。 活动头 图2 1 原试验台整体结构图 2 1 3 试验台的各组成部分 ( 1 ) 操作台 操作台上设有许多按键开关、选择开关、参数设定旋钮、x y 跟随器、曲 线记录仪以及不同参数的显示仪表、数字表等。它们可以用来设定参数和试验 条件，从而完成不同的试验任务。 ( 2 ) 数字计算机系统 数字计算机在整个系统中的作用是根据控制信号对数据进行采集，经过计 算处理后，产生控制输出信号和显示运算结果。 ( 3 ) 液压电气柜 液压电气柜由三个电气柜组成，柜中有大量的电路插板，其主要作用是根 西北工业大学硕士论文 第二章刹车试验台的介绍和改造任务 据操作台和数字计算机传来的模拟信号与数字信号完成对轮胎位置和轮胎载荷 的控翎。 ( 4 ) 鼓轮 由电动机驱动的大直径鼓轮来模拟飞机的跑道，鼓轮圆周加速度和速度在 数值上等于飞机在跑道上滑跑的直线加速度和直线速度。鼓轮分主鼓轮和辅鼓 轮，当模拟的飞机惯量很大时，可将辅鼓轮用离合器连接在主鼓轮上。 ( 5 ) 电机组 惯性台的鼓轮是由直流驱动装置传动，直流驱动装置包括两台直流电动机 ( 1 8 7 0 k w ) 直接联轴并与电动发电机组组成主驱动装鼍。电动发电机组 ( 2 0 0 0 k w ) 的两台直流发电机电枢和直流驱动装置的两台直流电动机电枢串联 组成回路，装有回路断路器用以保护直流发电机。两台发直流发电机由一台 4 3 0 0 k w 的同步电机带动。同步电机、直流发电机和直流电动机组成的电机组 结构框图如图2 ，2 所示。 图22 电机组结构图 直流发电机通过可以逆调节的电枢电压供电给电动机，因此直流电动机能 够在任一旋转方向变速。驱动电机功率3 7 4 0 千瓦，转速8 5 3 1 0 0 0 转分，能 西北工业大学硕士论文第二章刹车试验台的介绍和改造任务 用再生制动方式使鼓轮减速，同时将鼓轮动能转变为电能，经发电机组回馈到 l o 千伏供电线路上。 ( 6 ) g e c 电气柜 g e e 电气柜用以完成对鼓轮的控制。鼓轮驱动部分主要由一台同步电动机、 两台直流发电机和两台直流电动机组成。g e c 电气柜根据试验要求对上述电机 组进行控制，从而实现对鼓轮速度与能量的控制。在2 3 节将详细介绍g e c 电气柜。 2 2 试验原理 2 2 1 飞机质量表达式 由于鼓轮的圆周速度相当于飞机在跑道上的直线速度。所以鼓轮组合的动 能应当等于飞机着陆时分解在一个机轮上的动能。飞机的质量( 一个机轮承受 的质量) 乘以鼓轮半径( r ) 的平方，在数量上等于鼓轮组合的转动惯量( j ) 即： m r 2 ：l ， ( 2 1 ) 鼓轮半径是常数( r = i 4 3 米) ，所以飞机的质量可以用鼓轮组合的惯量来 表示。在机械结构上讲，鼓轮组合只能有两个不同的惯量值( 对应带或不带辅 鼓轮两种状态) ，这样就分别表示了两种飞机的重量( 一个机轮承受1 0 1 0 0 k g 或6 2 5 0 k g ) 。 2 2 2 机轮吸收的动能控制 在机轮刹车试验过程中，轮胎在鼓轮上产生刹车力矩，鼓轮组合的转动动 能被刹车装置( 刹车盘) 吸收，变成热量耗散掉。 在理想条件下，不计摩擦、风阻和引擎的反推力等因素影响，飞机从着陆 西北工业大学硕士论文第二章刹车试验台的介绍和改造任务 所具有的初始速度开始刹车到停止的整个过程中，刹车装置所吸收的能量应当 等于刹车试验开始时具有相同圆周速度的等惯量鼓轮组合所具有的转动动能。 在刹车试验时，若从鼓轮组合能量中加上或减去一部分可控能量，刹车装 置能够吸收或消耗的能量就可以大于或小于鼓轮组合能量，在这种情况下，鼓 轮组合的有效惯量具有不同的视在值，可以代表不同质量的飞机，称为惯量模 拟。鼓轮的视在惯量就是已知的模拟惯量。 2 2 3 惯量模拟 惯量模拟是用电子调节器控制施加在鼓轮驱动电动机上的电磁力矩，以电 控制的方式实现的，故又称为电惯量模拟。 考虑飞机重量、风阻、引擎反推力等因素，由 算可以确定刹车装置应当 吸收的能量，从而可以确定在试验中相应的模拟惯量。用惯量模拟因数k 来 表示模拟惯量与实际惯量之比： ：，模拟惯量始 肚丽2 右 ( 22 ) 刹车试验前，所需要的k 因数值通过k 因数电位计和k 因数开关予先设 定好，送入电子调节器。 因为作用在模拟惯量上的刹车力矩产生减速度和作用在实际惯量上产生 的减速度相同，用公式表示如下： 3 0 = 耳西( 23 ) ( 其中西为鼓轮的角加速度) 由公式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 和( 2 4 ) 得： 足：巢磐：粤：孕 汜， 实际惯量，) 易 作用在鼓轮组合上的总力矩等于刹车力矩和电动机电磁力矩嘞之和。 西北工业大学硕士论文 第二章刹车试验台的介绍和改造任务 即 所以 t t = t m + t b k ：堡二堕 野 j 巧k = 巧一嘞 ( 2 6 ) j 嘞= 野一k 巧 即： = 巧，( 1 一k ) ( 2 7 ) 由式( 2 3 ) 可得式： 弓= j d 幻 ( 2 8 ) 将式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) 可以得出电机应提供的电磁力矩矗，的表达式： = j d ( 卜k ) 西 ( 2 9 ) k 因数电位计用1 一足标度。在刹车试验过程中。电子调节器控制电动机在鼓 轮组合上施加( 1 一世) 巧大小的实际电磁力矩。如果k 大于1 ，电动机产生驱 动力矩。使鼓轮组合动能增加；如果k 小于1 ，电动机产生刹车力矩，使鼓轮 组合动能减小。从而实现对不同惯量飞机的试验模拟。 实际系统的k 因数值能在0 3 24 之间调节。在没有辅鼓轮并入时，相当 着陆飞机质量为1 8 8 0 k g 1 5 0 0 0 k g ，当联接辅鼓轮时，相当着陆飞机质量为 6 0 3 0 k g - - - 4 8 0 0 0 k g 。 西北工业大学硕士论文 第二章刹车试验台的介绍和改造任务 2 3 g e e 电气柜结构 2 3 1g e c 电气柜组成 g e c 电气柜是刹车试验台的控制装置之一。它通过控制驱动鼓轮的电机组 对刹车过程产生影响。g e c 电气柜共a 、b 、c 、d 四个机柜。每个柜中配有 不同的控制设备，具体如下： a 柜的控制设备： 主电源隔离开关 同步电机磁场可控整流器 控制冷却风扇 b 柜的控制设备： 同步电机磁场变流器的触发电路 控制功率因数的电子调节器 1 1 0 伏交流和1 l o 直流电源装置 c 柜的控制设备： 电源调节器 主驱动电机电子调节器 控制回路断路的继电器逻辑元件 控制主驱动电机的继电器逻辑元件 d 柜的控制设备： 发电机磁场可控变流器 电动机磁场可控变流器 2 3 。2 g e c 柜电路结构 g e c 柜的电路结构图如图2 3 所示。 西北工业大学硕士论文 第二章刹车试验台的介绍和改造任务 圈23g e c 结构图 g e c 柜的主要功能模块有：惯量模拟控制模块、速度控制模块、能量补 偿模块、发电机电流控制模块和速度检测模块等。下面分别进行介绍。 ( 1 ) 惯量模拟控常6 模块 惯量模拟控制模块的结构框图如图2 4 所示。惯性台的特点是可以模拟 实际飞机的惯量。鼓轮具有的惯量是一个定值。不可改变实际飞机的惯量和 鼓轮的惯量一般不相同，按2 2 节中介绍的方案，通过电机来提供电惯量，叠 加在鼓轮惯量上，从而达到模拟不同飞机惯量的目的。g e c 柜中有一个专用 于惯量模拟控制的电路，试验前，计算需要模拟的惯量，确定相应的k 因素 西北工业大学硕士论文 第二章刹车试验台的介绍和改造任务 并在电位计上设定此k 值，惯量模拟控制器的输出经过k 系数环节的放大 作为发电机电流控制器的输入。 2 4 惯量模拟控制模块 ( 2 ) 能量补偿模块 刹车过程中，若不考虑能量损失，鼓轮减少的动能和电机提供的能量( 鼓 轮电机能量) 都应该由刹车装置吸收。在实际由于摩擦、风阻等损失，刹车 装置吸收的能量要小于鼓轮电机提供的能量。刹车试验的一个重要目的就是 要检测刹车装置实际吸收的能量。如果吸收的能量是所提供能量的9 0 以上， 就说明刹车装置是合格的。为了准确反映产品的性能，一定要把在鼓轮和电机 内部损失的能量补偿上去，这个过程就叫能量补偿，实现该功能的电路模块叫 能量补偿模块。 引起能量损失的主要因素有四个：轮胎载荷、刹车力矩、温度和电机损失。 能量补偿模块中相应有四个内存单元，每一个内存单元存放一个因素的损失对 照表，系统根据对照表，输出相应的损失值，补偿到发电机的电流控制器。能 量补偿模块结构框图如图2 5 所示。 西北工业大学硕士论文第二章刹车试验台的介绍和改造任务 圈2 5 自e 量补偿模块结构圈 ( 3 ) 发电机的电流控制模块 刹车前的鼓轮速度控制，刹车过程中的模拟惯量控制以及k 系数大于1 时， 发电机控制电动机提供正力矩，k 系数小于l 时，发电机控制电动机提供反力 矩，这些都是通过电流控制模块控制发电机组来实现的。电流控制器驱动可控 硅，实现对发电机的控制。 2 4 试验台的试验操作步骤 系统改造要实现的目标之一，是使试验人员能够通过计算机人机界面代替 原有的手动试验操作过程，完成预定的试验。因此首先必须十分了解原系统的 试验操作步骤。原系统试验操作步骤如下： l 、根据公式k = 糕= 去，计算k 因鹣 2 、根据试验类型及试验要求绘制轮胎载荷、鼓轮速度和刹车阻力等随时 间的指令曲线； 西北工业大学硕士论文 第二章刹车试验台约介绍和改造任务 3 、安装轮胎或刹车装置： 4 、在电位计上设定相应的k 因素值； 5 、设定相应的开关，选择试验类型、方式和参数范围等，如图2 6 所示 轮胎试手动或计算机不同传 验或刹自动试或模拟感器和 车试验验方式 机方式测量范 选择选择选择围选择 图26 试验前的多种开关选择设定顺序图 6 、按启动按钮，试验开始： 7 、通过x _ y 指令曲线跟随器记录试验曲线，在l e d 显示设备、仪表和计 算机屏幕上显示鼓轮速度、机轮速度、刹车压力、刹车力矩、轮胎载 荷、刹车时间、刹车距离等实验过程量； 8 、刹车停止，保存数据； 9 、记录试验结果，以便分析产品的性能； 1 0 、启动冷却设备，检查试验数据与设备运行情况，为下次试验作好准备 2 5 试验台改造的内容和要求 2 5 1 改造的内容 整个刹车试验系统庞大、复杂，改造的内容很多，概括地讲可以分为前台 改造和后台改造。前台改造主要包括对操作和液压柜的改造，后台改造主要是 对g e c 电气柜的改造。本论文主要论述对g e c 的改造和在改造过程中遇到的 问题以及解决的办法。 西北工业大学硕士论文第二章刹车试验台的介绍和改造任务 g e c 电气柜包括a 、b 、c 、d 四个柜子。许多重要的控制电路( 如惯量模 拟控制、速度控制、发电机电流控制和速度检测等电路) 都装在c 柜中d 柜 中主要是可控硅组和电流控制器。所以对g e c 柜的改造任务主要集中在c 柜 和d 柜的改造上。 原系统的控制功能是采用分立元件和模拟电路实现的。这次改造中，计划 采用由工业控制计算机和p l c 组成的分布式控制系统代替原来庞大复杂的模拟 控制电路，设计数字电路，实现对系统的数字化改造。原来的控制模块( 如速 度控制、惯量模拟控制模块、电流控制器等) 都需要重新设计，以便用计算机 实现其功能。 原试验系统在刹车过程中对鼓轮电机系统内部损失能量的补偿是通过查 找设置在内存中的修正表来实现的，系统经过2 0 多年的运行，原来的四个内存 查找模块已经有两个通道不能工作。而且由于设备的许多参数、性能都发生了 变化，系统产生了零飘，原来在内存中保存的修正数据已经不能适应系统现在 的状态。所以，试验台改造能否成功的一项关键任务就是重新设计补偿规律， 建立一个完善的能量补偿模型，实现能量的准确补偿。 另外，控制发电机组的可控硅组是由触发电路驱动工作的。经过长期运行， 触发电路已经无法可靠工作，所以，对触发电路和可控硅的改造也是本次改造 的一项重要内容。 2 5 2 试验台改造的基本要求和技术指标 ( 1 ) 改造的基本要求 要完成的控制过程： 过程顺序控制； 液压控制 位置控制： 载合控制； 机轮液压刹车系统； 西北工业大学硕士论文 第二章刹车试验台的介绍和改造任务 刹车能量补偿； ( 2 ) 控制精度要求 控制机主要数据采集精度要求 鼓轮速度( o r p m 1 0 0 0 r p m ) ： 机轮速度( o r p m 1 0 0 0 0 r p m ) 轮胎载荷( o k n 4 5 0 k n ) ： 刹车力矩( o k n m 3 0 0 k n m ) ： 刹车能量控制精度： i f s 0 5 f s 0 5 f s 0 5 f s 1 西北工业大掌硕士论文 第三章系统设计 第三章g e c 柜改造设计 3 1 系统总体结构 3 1 1 控制系统方案选择 前面讲过，系统改造分为前台改造和后台改造两大部分。前台控制有过程 顺序控制、液压控制、位置控制、载荷控制、刹车控制等。后台控制主要有鼓 轮控制、惯量模拟控制、速度控制、电流控制、能量计算和能量补偿等。系统 控制回路很多，也比较复杂，而且各系统之间有一定的距离。集中式计算机控 制系统将所有控制功能集中于一台计算机完成，计算机要同时完成多条控制回 路的工作，既要控制，又要采集，同时还要完成对数据的管理。在本试验台改 造中。要求系统的响应速度很高。特别是对鼓轮速度的控制过程中，要求实时 性非常高，所以采用集中式计算机控制系统不能满足本系统的需要。分布式控 制系统按功能将管理计算机、测试计算机、控制计算机分开，可以联接多个测 试子系统和控制子系统，每个子系统能独立完成相应的控制功能，同时又能与 管理计算机和测试计算机进行通信。分布式控制系统能有效的实现实时性要求 高、响应速度要求快、多回路的控制过程，所以改造中采用了分布式计算机控 制系统的设计方案。 3 1 2 上、下位机的选择 分布式计算机控制系统中，一般都有上位机和下位机，上位机用来实现对 各个控制点的管理、任务的调度或者是数据的采集。下位机用来完成各个回路 的控制，实现复杂的算法或者是采集需要的过程数据。随着计算机技术的发展， 计算机价格越来越便宜，而且近些年计算机的操作系统、软件开发技术、数据 管理、数据分析、工业控制总线技术也有很大的发展，从系统需要实现的功能 以及现场实际情况出发，决定上位机采用高性能的工业控制计算机。下位机的 1 9 西北工业大学硕士论文 第三章系统设计 选择有多种，如工业控制计算机、p c 机、单片机系统、或者是p l c 。每一种 机型都有其特点及适合使用的场合。采用工业控制计算机或p c 机，可以使用 计算机本身强大的计算和管理功能，实现复杂的控制算法，也能很方便的实现 a d 和d a 接口。而p l c 具有灵活通用、可靠性高、抗干扰能力强、编程简 单、使用方便、接线简单、体积小、重量轻、易于实现机电一体化等优点。 刹车试验过程中环境的干扰很大。主要的干扰有： ( 1 ) 电源干扰( 整个系统由普通电源和清洁电源混合供电) ； ( 2 ) 与多个子系统相连的传感器、变送器之间的线路干扰； ( 3 ) 大电机的电磁干扰； ( 4 ) 外部静电干扰。 而可靠性高、抗干扰能力强是p l c 的显著优点。p l c 的简单编程方法， 如梯形图编程，可以实现逻辑控制和简单的控制算法。随着p l c 技术的发展， 一些型号的p l c 已经可以支持高级语言的编程了。美国通用电气g e 公司最 新系列的p l c 产品可以支持c 语言的编程。综合比较，这次改造中，下位机 采用了g e 公司的i c 6 9 3 的p l c 产品。 3 1 3 控制网络结构设计 系统采用了一台工业控制计算机作为上位机，一台工业控制计算机作为测 试计算机，4 台p l c 作为下位机。4 台p l c 分别完成：固定头控制、活动头 控制、刹车控制、鼓轮控制。控制网络结构如图3 1 所示。 3 1 4 系统总结构图 根据原系统的结构，系统改造的内容和目标，以及采用的控制方案。可以 确定出系统的总结构图，如图3 2 所示。 西北工业大学硕士论文第三章系统设计 图31 控制网络结构图 图32 系统总结构图 西北工业大学硕士论文 第三章系统设计 3 2 现场总线技术 以计算机在工业控制和管理中的应用为主要标志的工业自动化技术在过去 二十年间有了长足的进步。进入2 0 世纪9 0 年代以后，作为工业控制数字化、 智能化与网络化典型代表的现场总线( f i e l db u s f b ) 技术发展迅速、影响 巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视。 本系统的控制网络中，有上位机，测试机，还有4 台p l c ，构成分布式控 制系统。它们之间通过工业现场总线连接，实现相互通信。控制网络中的总线 选型很重要，目前总线类型很多，有r s 一4 8 5 总线、p r o f i b u s 总线、c a n b u s 总 线等，它们有其各自的特点和应用领域。下面将详细的介绍现场总线的概念， 把几种常用的典型现场总线技术作比较，确定系统中该采用哪种总线。 3 2 i 现场总线的概念 所谓现场总线，是指将现场设备( 如数字传感器、变送器、仪表与执行机 构等) 与工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络，具有全数 字化、分散、双向传输和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。 国际电工协会( i e c ) 的s p 5 0 委员会对现场总线有以下三点要求： ( 1 ) 同一数据链路上过程控制单元( p c u ) 、p l c 等与数字i o 设备互 连： ( 2 ) 现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进 行数据存取； ( 3 ) 通信媒体安装费用较低： s p 5 0 委员会提出的两种现场总线结构模型是： ( 1 ) 星型现场总线用短距离、廉价、低速率电缆取代模拟信号传输线： ( 2 ) 总线型现场总线数据传输距离长、速率商，采用点一点、点一多点 和广播式通信方式； 西北工业大学硕士论文第三章系统设计 一般来说，现场级的控制网络可以分为三个层次：s e n s o rb u s 、d e v i c e b u s 和f i e l db u s 。其中s e n s o r b u s 面向的是简单的数字传感器和执行机构，主要传 输状态信息，网上交换的数据单元是位( b i t ) ；d e v i c e b u s 面向的是模拟传感器 和执行器，主要传输模拟信号的采集转换值、校正与维护信息等，网上交换的 数据单元是字节( 1 3 ；y t e ) ；而f i e l db u s 面向的是控制过程，除了传输数字与模 拟信号的直接信息外，还可传输控制信息，即f i e l db u s 上的结点可以是过程控 制单元( p c u ) ，f i e l db u s 网络交换的数据单元是帧( f r a m e ) 。 3 2 2 现场总线的特征 现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以 下几项技术特征。 现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒 体( 双绞线、同轴电缆或光纤) 以总线拓扑相连； 网络数据通信采用基带传输( 即数字数据数字传输) ，数据传输速率 高( 为m b i t s 或1 0 m b i t s 级) ，实时性好，抗干扰能力强； 废弃了集散控制系统( d c s ) 中的i o 控制站，将这一级功能分配给 通信网络完成； 分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性： 开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与 控制级网络或管理信息级网络相连； 互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设 备产品统一组态。构成所需要的网络： 3 2 3 几种典型现场总线 ( 1 ) r s - 4 8 5 总线 r s 一4 8 5 总线是工业领域广泛应用的l s o o s i 模型物理层标准协议之一。 机械特性：采用r s 一2 3 2 r s 4 8 5 连接器( 如a d a m 4 5 2 0 ) 将p c 串 ) ) ； ) n o 西北工业大学硕士论文 第三章系统设计 口r s 一2 3 2 信号转换成r s 4 8 5 信号。或接入1 v r l ，r s 4 8 5 转换器( 如 m a x 4 8 5 ) 将i o 接1 3 芯片t t l 电平信号转换成r s 4 8 5 信号，进行远距 离高速双向串行通信。 电气特性：信号负逻辑，+ 2 v + 6 v 表示“0 ”，6 v - - 一2 v 表示“1 ”， 二线双端半双工差分电平发送与接收，无公共地线，能有效克服共模干扰、 抑制线路噪声，传输距离1 2 k m ，最高数据传输速率可达1 0 m b i t s ( = 0 ) 鼓轮的半径是r = 1 , 4 3 米，不带辅鼓轮时，主鼓轮的转动馈量 j d = 1 2 4 5 9 9 k g m 2 。 可见能量补偿是一个递推过程，在0 时刻。测出鼓轮的实际速度研( 有能 量损失下的速度) ，计算机出理论速度国f ( 不考虑能量损失的速度) ，根据， 和卿。的值计算出刹车系统在时间段川一f 内的反作用力矩强，一l ，并且计算 出修正力矩礓f ( 礓f 的作用是在时间段fj i + 1 内磁f 补偿的能量是系统在 西北工业大学硕士论文第四章能量控制与能量补偿 t i - j t i 时间段内因碥f - l 损失的能量) ，在时间段，一t i + i 电机的力矩为 珏产丁赫一碥f _ 1 + 礓f ，通过控制电机的电枢电流，调整电机的转动力矩 对能量进行补偿。 4 2 5 综述 惯量模拟和能量补偿，统称为能量控制，是本试验系统的一个非常重要的 概念，也是这次改造的重要内容之一。能量控制是通过调整电机的电枢电流来 完成的，电机的电枢电流由电流控制器控制。上面讲述的能量补偿控制模型的 目的是要求出每一时刻电机电枢电流的值，虽然这个模型是一个简单的递推模 型，却是一种行之有效的方法，回避了一些难以解决的问题。为了验证这个模 型的合理性，第五章将讲述模型的数字仿真和半物理仿真。 西北工业大学硕士论文第五章系统仿真 第五章系统仿真 在刹车试验中，引起能量损失的因素很多，如果针对各个因素逐个建立损 失模型是不现实的。本论文提出的解决思路是：在各种因素共同作用下产生的 电机一鼓轮系统的能量损失，可等效认为是由作用在鼓轮上的一个反力矩强所 产生，刹车试验过程中，实时估计强，并且用电机把强补偿上去，就能达 到能量补偿的目的。 所建的模型需要用全数字仿真和半物理仿真来验证其合理性。经过仿真试 验后。如果各项指标达到要求，模型被认为是合理的，才能应用于实际系统。 本章搭建了一个仿真系统，用于验证能量补偿模型的正确性。 试验系统是根据试验结果中的三个量：刹车时间r 、刹车距离s 、刹车能 量岛，来评价产品性能的好坏。每一种产品对这三个量都有指标值：刹车时 间丁、刹车距离s 、刹车能量昱。如果三个条件：t t 、s s 、 e 口e 口9 0 都满足，说明该产品是合格的。 下面将分别介绍模型的全数字仿真和半物理仿真。 5 1 全数字仿真 5 1 1 方法介绍 m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真工具是对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软 件包，支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混 合系统的仿真。s i m u l i n k 基本功能模块包括了连续系统( c o n t i n u o u s ) 、离散系 统( d i s c r e t e ) 、非线性系统( n o n l i n e a r ) 几类基本系统构成模块，还包括连接、 5 0 西北工业大学硕士论文 第五章系统仿真 运算类模块：函数与表( f u n c t i o n s & t a b l e s ) 、数学运算模块( m a t h ) 、信号与 系统( s i n g a l s & s y s t e m ) 。而输入源模块( s o u r c e s ) 和接收模块( s i n k s ) 则为 模块仿真提供了信号源和结果输出设备。 能量补偿模型的全数字仿真是利用s i m u l i n k 提供的功能模块，设计个 s i m u l i n k 仿真系统，实现能量补偿算法，计算仿真结果，检验算法的正确性。 4 2 节详细的介绍了能量补偿模型，模型的输入是刹车力矩，输出是鼓轮 速度，模型的方框图见图5 - i 所示。 图5 - 1能量补偿模型方框图 刹车力矩是刹车力矩控制系统的输出，参考另一位项目参与者的研究结 果，给出刹车力矩控制系统方框图，如图5 - 2 所示。 l 一 lil l鼓轮速度 图5 - 2 刹车力矩控制系统方框图 刹车力矩控制系统的输入是刹车压力，输出是刹车力矩。两个反馈量是刹 车力矩和鼓轮速度。而能量控制模型的输入是刹车力矩，输出是鼓轮速度所 以本文建立的能量补偿控制模型和刹车力矩控制系统模型是有机联系着的，可 以连成闭环控制模型。连接后的方框图如图5 - 3 所示。 西北工业大学硕士论文第五章系统仿真 图5 - 3 刹车力矩能量控制系统方框图 刹车力矩控制系统的结构图如图5 - 4 所示。 。酉5 - 4 菊举另籀疆希嗦境；辐酉一 5 1 2 仿真系统的实现 刹车力矩控制系统s i m u l i n k 仿真结构图如图5 5 所示。 比倒放大 图5 - 5 刹车力矩控制系统s i m u l i n k 仿真结构图 能量补偿控制的s i m u l i n k 仿真结构图如图5 - 6 所示。 西北工业大学硕士论文 第五章系统仿真 - 5 3 困&嚣脚甜系吕i-善】_i_r】lc昂料”珥茸囝 西北工业大学硕士论文第五章系统仿真 把刹车力矩控制系统的s