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惯性台架试验机测量与控制系统的研究与开发 摘要 本课题的研究工作是以实际项目中惯性台架试验机测量与控制系统的 开发工程为背景展开的。 惯性台架试验机是世界上评价制动器性能最具权威的试验设备，它将制 动器总成作为试验对象，能够对整个制动器的性能进行真实、可靠地分析， 具有优良的模拟性和数据重现性。 本文着重阐述了制动器惯性台架试验机的测量与控制机理，结合惯性台 架试验机测控系统的具体要求，参考常规的测控方法，对整套测控系统的软、 硬件进行了优化配置，根据此配置，设计了惯性台架试验机的整套测控方案， 包括温度的测量系统、压力与力矩的测控系统、主轴转速的测控系统及其它 测控单元。通过对电惯量模拟的方法及控制思路的研究分析，根据项目的实 际情况，确定了本惯性台架试验机需模拟惯量与制动力矩的关系；研究分析 了制动器的基本结构及典型的数学模型。以惯性台架试验机的气液混合制 动系统为控制对象，提出了一种基于模糊p i d 算法的控制方法，建立了基 于增量型的模糊p i 控制系统，并结合专家经验建立了模糊控制规则集合， 完成了控制系统规则库的设计。运用m a t l a bs i m u l i n k 工具箱对所建立的系 统进行了较为全面的仿真分析和性能比较，通过仿真证明，气液混合制动 系统具有响应快、控制精度高、适应性强等优点，以此系统作为制动加载的 惯性台架试验机具有很大的市场潜力。使用s i e m e n ss i m a t i cw i n c cv 6 0 软件对整套测控系统的软件操作系统进行组态开发，开发的界面具有良好的 人机交互特性，界面美观大方、操作简便。使用w i n c cw e bn a v i g a t o r 功能 使惯性台架试验机通过固定的i p 地址及用户权限成功地实现了因特网的远 程监控，此功能无疑成为本套测控系统的亮点。 本测控系统的成功开发，合理、高效地实现了惯性台架试验机试验数据 测量的精确性、控制系统的可靠性、试验结果优良的模拟性和数据重现性。 改善了传统台架试验机普遍存在的控制方法相对落后、测量精度不高、关键 数据采集和处理不够精确等问题，具有非常重要的实用价值和现实意义。目 前，该惯性台架试验机测控系统已经被投入试运行，运行效果良好，试验数 据精确可靠。同时，本文的研究成果也可用于其它摩擦磨损试验设备，因此， 具有广泛的应用前景。 陕西科技大学硕士学位论文 关键词：制动器，惯性台架，测量与控制，电模拟，模糊p i d ，远程监控 s t u d ya n dd e v e l o p m e n t o fi n e r t i ad y n a m o m e t e r m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t t h i st h e s i sh a sb e e nc a r r i e do u tb a s e do nt h ed e v e l o p m e n tp r o je c to fi n e r t i a d y n a m o m e t e rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo fa na c t u a lp r o je c t i n e r t i ad y n a m o m e t e ri st h em o s ta u t h o r i t a t i v et e s te q u i p m e n tw h i c hc a n e s t i m a t et h eb r a k es y s t e m i tm a k e st h ee n t i r eb r a k es y s t e ma st h et e s to b j e c ta n d c a na n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fb r a k es y s t e ma c t u a l l ya n dc r e d i b l y i th a sr e s e a r c h e dt h em e c h a n i s mo fm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n go fi n e r t i a d y n a m o m e t e r t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m so fi n e r t i ad y n a m o m e t e rh a v e b e e nc o n f i g e da i m e da tt h es p e c i f i cr e q u i r e m e n to fi n e r t i ad y n a m o m e t e ra n d s y n t h e s i z e dt h e r o u t i n em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gm e t h o d b a s e do i lt h e c o n f i g u r a t i o n ，ac o m p l e t es e to fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e n d e s i g n e d ，j u s ta sm e a s u r e m e n ts y s t e mo ft e m p e r a t u r e 、m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e mo fp r e s s u r ea n dt o r q u e 、m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo fr o t a t i o n a l s p e e do fb a s i cs h a f ta n do t h e rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m t h ea u t h o rh a s r e s e a r c h e da d e q u a t e l yt h em e t h o da n dc o n t r o lc o n s i d e r a t i o n so fs i m u l a t i o nb y e l e c i n e r t i a b a s e do nt h ea c t u a lp r o j e c t ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i m u l a t e d i n e r t i aa n db r a k et o r q u eh a sb e e nc o n f i r m e d t h ea u t h o rh a sr e s e a r c h e da n d a n a l y z e dt h eb a s i cc o n s t r u c t u r ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fb r a k es y s t e m as o r t o fc o n t r o l l i n gm e t h o di sp r o p o u n d e db a s e so nf u z z yp i da r i t h m e t i c t h eo b j e c t o ft h i sm e t h o di sb r a k es y s t e r nw i t ha i ra n do i lo fi n e r t i ad y n a m o m e t e r t h e a u t h o rh a sb u i l d e dt h ei n c r e m e n t a lf u z z yp ic o n t r o ls y s t e ma n dm a d et h e s e l e c t i o na n dq u a n t i f i c a t i o nt ot h ei n p u ta n do u t p u to fs y s t e m t h ea u t h o rh a s b u i l e da g g r e g a t i o no ff u z z yc o n t r o lr u l e ss y n t h e s i z e dt h ee x p e r t i s ea n df i n i s h e d t h ed e s i g no fc o n t r o lr u l e sb a s e t h ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e ns i m u l a t e da n d a n a l y z e dc o m p l e t e l yb ym a t l a bs i m u l i n kt o o l b o x t h eb r a k es y s t e mw i t ha i ra n d i i i 陕西科技大学硕士学位论文 一_ - i _ l _ _ _ _ - _ _ _ l _ l - _ _ l _ i _ _ _ _ _ _ l _ l _ i _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ l i _ o i lh a st h ea d v a n t a g e so ff a s t e rf r e q u e n c y - r e s p o n s e 、h i g h e rc o n t r o l l i n ge x a c t n e s s a n ds t r o n ga d a p t a b i l i t ya n dh a sh u g e o u sm a r k e tp o t e n t i a lt h o u g ht h ea n a l y z eo f s i m u l a t i o n t h ea u t h o rh a sc o n f i g e da n dd e v e l o p e dt h es o f t w a r eo fo p e r a t i o n s y s t e mt ot h ec o m p l e t es e to f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mu t i l i z e ds i e m e n s s i m a t i cw i n c cv 6 0 a n d t h er e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m o fl n e r t i a d y n a m o m e t e r h a sb e e nc o n f i g u r e da tl a s t t h eo p e r a t i o ns y s t e mh a ss a t i s f a c t o r y h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n 、b e a u t i f u li n t e r f a c ea n ds i m p l eo p e r a t i o n t h er e s e a r c hh a si n c r e a s e dt h ee f f i c i e n c ya n di m p r o v e dt h ea c c u r a c yo f t e s t d a t a ，r e l i a b i l i t yo fc o n t r o ls y s t e m ，g o o ds i m u l a t e dp e r f o r m a n c ea n dr e p e a t a b i l i t y t r a d i t i o n a ld y n a m o m e t e r sg e n e r a l l yh a v el o w e rc o n t r o l 1 e v e la n ds o m e d i s a d v a n t a g e s ，j u s ta sp r e c i s i o no fm e a s u r e m e n t , a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go i p i v o t a ld a t a a n dn o w , a b o v eq u e s t i o n sh a v eb e e nr e s o l v e db yt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t 。刀 ei n e r t i ad y n a m o m e t e rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mh a sp u t i n t ot e n t a t i v eo p e r a t i o n c u r r e n t l y , i ti sr u n n i n gv e r yw e l l 1 1 1 er e s u l to ft h i s r e s e a r c hw i l la p p l yi n t oo t h e re q u i p m e n t so ff r i c a t i o na n da t t r i t i o n s o ，t h e s y s t e mw i l lb ea p p l i e dm o r ew i d e l yi nt h e f u t u r e k e yw o r d s ：b r a k e ，i n e r t i ad y n a m o m e t e r ，m e a s u r ea n dc o n t r o l ，e l e c s i m u l a t e ， f u z z yp i d ，r e m o t em o n i t o r i n g i v 惯性台架试验机测量与控制系统的研究与开发 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：嶂导师签名：警赴日期：2 。必一月 惯性台架试验机测量与控制系统的研究与开发 1 绪论 1 1 课题的应用背景与实际意义 工业动力传动的场合都需要制动器，它是使运动机构减速、停止或保持停止状态等 功能的关键部件之一。广泛应用于汽车、港口、冶金、建筑、电力、矿山起重机、皮带 运输机、升船机、电梯等物料运输设备，因而对其安全可靠性能、操作频率、动作准确 性、使用寿命等要求也随之提高。1 9 9 8 年，制动器被我国列为国家安全认证产品【】。 通常，制动器性能都要根据权威机构制定的试验标准来进行测试。对于汽车制动机 构，常用的评估方法有以下三种：一种是汽车在实际道路上，进行系列步骤的试验，得 到试验数据，通过汽车制动性能的各种参数数据，来评估汽车的制动性能。这样得到的 结果是最准确的，真实反映汽车制动系统的性能，是最具有评估权威性的：第二种是在 汽车制动器试验台设定与汽车制动器结构、功用相关的各种参数，在试验步骤中模拟汽 车制动时的各种条件，根据需要测试的项目，对汽车制动过程进行模拟试验，对不同的 试验台采取不同的试验方法，得到各种参数数据，以此来评估汽车制动性能；第三种是 根据汽车制动理论，设定与汽车制动系统有关的各种参数，建立数学模型，采取计算机 仿真的方法，对汽车制动的实际操作进行动态模拟仿真，可以用仿真所得到的数据对制 动性能进行评价和对比。对于以上三种方法，通过在试验设备上进行汽车制动性能的测 试评估，所得到的各种数据能真实反映出汽车实际制动过程中制动系统的性能，可以在 生产制动器的过程中，进行制动器性能的评估和监控，对制动器的设计、生产、鉴定和 销售等环节进行实时跟踪测试，不仅保证产品的质量，而且可以及时调整产品各项指标， 既有效实行了全程的质量监控，而且又增强了产品生产的柔性。因此，世界汽车行业在 汽车的设计、制造、销售等环节，对制动器性能的评估，大都采用试验台数据评估方式 嘲。 制动器性能的好坏在很大程度上取决于刹车衬片的性能，对于刹车衬片摩擦磨损性 能的评价目前流行小样试验和制动器总成试验，前者典型的试验设备有定速试验机和 c h a s e 试验机，由于是小样试验，所以这种试验方法的实时模拟性不高；后者典型的实 验设备有k r a u s s 试验机和惯性台架试验机，由于是将制动器总成作为试验对象，所以这 种试验方法不仅能够对制动衬片的性能做出评价，而且能够对整个制动器的性能进行真 实、可靠地分析，具有优良的模拟性和数据重现性。目前，惯性台架试验机是世界上评 价制动器性能最具权威的试验设备。 惯性台架试验机作为一种专业的测试设备，在其试验过程中，主轴转速、摩擦片温 度，制动压力及力矩等参数能否实时、准确地采集，对于监控制动器工作、了解其可靠 陕阿科技人学硕士学忙论文 性，以及进一步发现1 日i 题，提高性能都足极其重要的。同前这些数据是利用十r 关传感器、 数槲采集f - 采集，通过微控制器将数据发送到上位机进行显示分析。而这些数据叉将为 e 控制系统所用，拧制系统根据不同的试验要求，对惯性台架试验机的转述，压力和力 矩等控制点进行合理控制。丝而易见，控制系统的优劣对j 实验数据的真实性，资料重 现陛起到了至荚重要的作用。由于惯性台架试验机的机械结构非常成熟，所以目【j i 田内 外的试验机生产厂商都把土要精力放在试验机的测量精度与控制系统上，作为国家安全 认证，“品的测试设备，对| 贯性台架试验机而吉，如何提升测控系统的品质无疑足台架试 骑设备的重中之重。本课题便是在此背景r 产生的。 日村，凼产| ! ：i 陛台架试验机普遍存在控制方法相x 落后、控制精度不高、关键数据 采集和处理不够精确、试验种类单等问题，向崮外进n 的同类设备价格小菲，有些甚 垒达到幽产试验机的十几倍。基于这种情况，应川先避控制理论和控制方法提高惯性 台架试验机的测控精度，t j l ：发具有自主知彭 产权的高水甲试验机，有若非常重要的现实 意义。 本课题来源于横向项目，研究与丌发的对象为一台美田l i n k 公司的_ 二手没各，该 设备属丁机电体化设备，主要州于轻型轿车盘鼓式制动嚣的综合性能测试，图卜1 为 现场设备的内部结构及主测控柜。课题组负责计算机测控部分的硬件配置、控制算法研 究及软件丌发。山于谚系统属于强非线性、时变、时滞的复杂系统，控制上有定的难 度。根据本文所搭建的测挣系统对项目本身起到了重要的指导意义。 图1 - 1 现场设备内部结构厦王测控柜 f i g l ii n n e rs t r u c t u r e o f l o c a le q u i p m e n ta n d m a i n b o xo f m e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n g 1 2 惯性台架试验机的测控原理 如上文所述，惯性台架试验机是对制动器系统性能做卅综台评价的一种试验没备， 义称喷性测功机( d y n a m o m e t e r ) ，是一种以旋转惯性体动能等量模拟车辆行驶动能，并 利用此动能对制动器加载并测试制动过程特性的试验台。主要用于轿车及轻型汽车盘式 惯性台架试验机测量与控制系统的研究与开发 ( 鼓式) 制动器及摩擦衬片的摩擦磨损性能测试，包含摩擦因数分析、制动力矩分析和 制动距离分析，以及制动盘的热裂纹试验等。其试验原理是根据制动副摩擦力矩与压力 成正比的关系而确定，因而具有优良的模拟性和资料重现性。作为制动器和摩擦材料性 能综合测试中最具权威性的测试设备，惯性台架试验机具有其自身特有的优势。 惯性台架试验机测量与控制系统的核心技术主要有四个方面：主轴转速的测量与控 制、制动管路压力的测量与控制、旋转系统中惯量的确定和试验温度的采集。1 3 h 5 对于惯性台架试验机的测量系统而言，主要是通过相应的传感器将需要测量的量值 变换为相应的电信号，再通过适当的测量电路与a d 转换器将其转换为数字信号，然后 加以显示、处理。其中，转速的测量采用旋转编码器，压力与扭矩的测量原理相类似， 都是基于外力( f ) 一弹性片变形( 4 l ) 一应力应变( 0 ) ，在很大程度上，测量的精 度取决于测量传感器的精度。温度的测量点有旋转件和固定件，都采用热电偶，具体型 号视惯性台架试验机的试验范围选取，不同的是旋转件温度采集将热电偶装在旋转件中， 通过集流环把信号送出。数据采集一般选择多功能的数据采集卡。 在车辆制动器的试验方法中，将车辆的平动质量转化为转动惯量，用旋转惯量来模 拟车辆在实际制动时的制动过程，如何确定惯性台架试验机的模拟惯量是试验机设计工 作中的重点。传统的模拟惯量由安装在主轴上的惯性飞轮来提供，对于惯性飞轮组的设 计，既要满足试验方法中对转动惯量精度的要求，又要容易装拆和调整，同时在一定范 围内还要满足不同车型对转动惯量的要求i q 。由于惯性飞轮组的设计相对复杂，且某些 飞轮组飞轮片数偏多，装卸繁琐，所以，目前先进的惯性台架试验机均采用电惯量模拟 技术，通过控制主轴电机的输出力矩使被试制动器具有同机械模拟系统相同的减速度。 这种方法目前已取得良好应用。 惯性台架试验机的控制，是指惯性台架试验机在完成测试试验的过程中，对主轴转 速、制动管压进行闭环控制，另外对一些开关量信号进行逻辑控制，以达到试验机的试 验要求，更好的体现出制动器摩擦衬片的摩擦磨损性能。由于汽车制动系统要求高可靠 性，否则会导致人身伤亡及车辆损坏，因此提高控制系统的鲁棒性成为控制惯性台架试 验机的关键。目前，多种鲁棒控制系统应用到惯性台架试验机的控制逻辑中来。除了传 统的逻辑门限方法以比较为目的，增益调度p i d 控制、变结构控制和模糊控制是常用的 鲁棒控制系统。另外，也有采用其他的控制方法，如基于状态空门及线性反馈理论的方 法，模糊神经网络控制系统等，各种控制方法并不是单独应用在惯性台架试验机上，通 常是几种控制方法组合起来实施，如可以将模糊控制和p i d 结合起来，兼顾模糊控制的 鲁棒性和p i d 控制的高精度，能达到很好的控制效果。 r h 嘲 3 睫硝科技人学硕十学何论文 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究动态水平 日前，固外对于制动器惯性台架试验机的研究水平相对困内要高，由于我国汽车工 业起步较晚，所以尤论从机械结构还是控制于法和控制精度上来看，幽外的研究比国内 要深入很多。枉孜田影响较大的田外汽车零配件试验台制造公司自德国的s c h e n c k 公司、 美国的m t s 公司、i n t e r t e c k 公刮和l i n k 公司等。其中以美国的l i n k 公司为代表，它 是专门以摩擦材料试验设备为丌发研制对象的世界著名公司，该公司用d e l p h l 语占开发 的测试软件可以对任意测试数据形成曲线并自动生成分析结果。l i n k 3 9 0 0 型n v h 汽车 制动器雌性试验台是l i n k 公司的最新产品，该试验台是当今世界r 制动器的权威测试 设备，以提供准确温度及湿度控制用来制造极端试验环境，如温度呵以控制在一2 0 c 至 4 0 ，浑度可以控制在2 0 0 一9 0 ( r h ) ，可以按照美幽联邦法规f m v s s l 3 5 、美围汽 车j 二程师协会s a e 、瞅洲e c e ，a k m a s t e r 、日本j a s o 系列标准以及通用，福特、德 幽大众、日本本 i 等国际著名汽车公司抽：准对汽车摩擦材料和制动系统进行噪音和性能 测试，其测试方法和结果被欧美等汽车发达田家厂泛认可，并被指定为定点测试设备。 随着计算机系统的益强大和复杂，虚拟仪器技术在测试、控制和设汁当中有着广 泛地应用，使得惯性台架试验机测试系统出现丁种新的格局。a pr a c i n g 作为世界领 先的制动器和离合器品牌，成功地使用e a s a 3 d 技术和m o n 0 3 d 技术搭建惯性台架试 验机双系统，该系统能够完成：( 1 ) 对f o r m u l a1 型制动器的超高速度和加速度进行十 分精准地模拟：( 2 ) 为了研究通过不同设计管路的气流对制动器的影响，该系统能够模 拟制动器摩擦副周斟气流的状况；( 3 ) 能够输出跟踪数据并绘制制动分布图和加速度分 布蚓。图1 2 为该系统的惯性台架试验机。t 。i 图i 2 先进的惯性台架试验机 f i g l2 a d v a n c e d d y n a m o m e t e r t e s t i n g 图1 3 制动器噪音测试 f i g l - 3m e a s u r i n go f b r a k en o i s e 惯性台架试验机测量与控制系统的研究与开发 随着汽车工业的发展，人们对其重要安全零部件一刹车片，提出了越来越高的要求。 制动噪音因关系到车辆行驶的舒适性，易对周围环境特别是城市环境造成噪音污染，而 被人们越来越重视，已经成为欧美国家汽车制动系统首要的控制目标，目前国际上流行 的两种标准一b e e p ( b r a k ee f f e c t i v e n e s se v a l u a t i o np r o c e d u r e ) 和d 3 e a ( d u a l d y n a m o m e t e rd i f f e r e n t i a le f f e c t i v e n e s sa n a l y s i s ) 都将制动噪声作为其标准之一【1 2 j 。先进 的制动器惯性台架试验机也增加了对这个指标的测试，目前，对于制动器噪音和震动的 测试与分析已经成为制动器试验台的一个重要的发展趋势。图1 3 为制动器噪音的测试 装置。 1 3 2 国内研究动态水平 长期以来，由于我国汽车摩擦材料行业与国际先进水平存在着较大的差距，导致制 动器惯性台架试验机的研究也处于个相对落后的地位。但是近几年来，随着我国科技 的不断进步和国际信息之间的交流，我们试验台的制作水平也在逐步提高，其控制和数 据处理基本实现了计算机化，功能也逐渐实现了自动化。 我国现行法规及标准中，对制动系统及总成试验装置的形式、功能、技术参数、精 度等未作统一规定，许多制造厂商、研究院所均采用自行设计和研制的试验机。目前， 国内主要的试验机研制厂家和大专院校主要有东风汽车公司、重庆汽车研究所、吉林大 学机电设备研究所、中国汽车技术研究中心等。从资料的查阅过程中可以发现，当今国 内对制动器惯性台架试验机的研究主要集中在以下几个方面：( 1 ) 虚拟仪器技术的应用。 目前，国内对制动器的测试大部分是采用不同设备对传感器所需测试的每一项内容进行 单独测试，判断其结果，然后统计给出最后结论。测试过程繁琐，周期长，工作效率过 低，难以满足现代化生产测试的要求。由于虚拟仪器应用软件集成了仪器所有采集、控 制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使得传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都 可以被计算机所替代，该技术的应用，更有助于提高传统试验台进一步向自动化和智能 化的方向发展 t 3 f i l f l ；另外，虚拟样机技术也已经在制动器试验台架上有所斩获，利用虚 拟样机可代替物理样机，可对产品进行创新设计测试和评估，缩短开发周期，降低成本， 改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力，文献【1 6 】采用三维c a d 软件 p r o e n g i n e e r 建立刚体零件，采用有限元a n s y s 建立柔性体零件，采用m s c 公司的 多体动力学仿真软件m s c a d a m s 建立模型的重型汽车鼓式制动器虚拟样机已取得良 好的效果。( 2 ) 电惯量模拟技术的应用。制动器惯性台架试验机的实质是用旋转惯性体 动能等量模拟车辆行驶动能对制动器加载并测试其制动特性。近年来，电模拟技术已经 成为国内试验机惯量模拟的主流。这种方法的基本思想是通过调速系统控制电动机的转 矩或者转速，使电惯量系统受载后的动力特性与机械惯量系统动力特性一致，即转速变 化一致，实现惯量模拟，它可以在整个模拟范围内连续模拟惯量l l r l 。( 3 ) 先进控制方法 陕西科技人学颇十学竹论文 的应_ l i j 。对于制动器盼性台架试验机的些控制单元来讲，传统的控制方法主要是采用 比例积分控制，即p i 控制。据资料是示，9 0 年代后期，随着一些智能控制理沦的不断 完善与成熟，目前国内已有将模糊神经网络控制应用于试验台的先例，并取得了小错的 效果1 9 1 。( 4 ) 压力控制单元的改进。在压力控制单元中，通过对气液转换器的使用， 使试验台能够通过简单的切换，可以轻松实现对气压制动器和液压制动器分别进行测试， 从而提高了试验台的集成性，另外，全动力液压系统在非路面机械上已经获得应用 2 0 l 。 从上述资料可以看山，我国生产的惯性台架试验机通过他励直流电动机可以对睽量 实现无级调整：随着制动器要求的提高，在某些严酷的条件下要对其制动性能进行评测， 温度的测量范围也很宽广，智能测温传感器已经得到了应用；压力控制单元中的气液转 换器，使试验机能够通过简单的切换，就可实现对气压制动器和液压制动器分别进行测 试，提高了试验机的集成性；图1 4 为长春泰斯特科技有限公司自主研制的制动器惯性 台架试验机。 r 图1 4 制动嚣惯性台架试验机 f i g l 4 b 月k e l n c n i a d y n a m o m e l 盯 1 4 课题的研究内容 本文根据对课题相关的国内外研究现状进行分析总结，结台项目实际，紧紧围绕惯 性台架试验机的测量与控制系统，如何提高测量精度与测试结果可靠性这一日标展开研 究工作，研究的主要内容和完成的_ 作如下： ( 1 ) 充分研究制动器惯性台架试验机的机电结构及理论，分析常用的试验方法和测 控难点及其解决途径，确定拄制系统的基本要求； ( 2 ) 根据控制系统所要达到的目标，设计总体的测控方案，包括整个系统的硬件选 型及配置、接线图的设计及各个测控子系统的方案设计； ( 3 ) 研究制动器及惯性台架试验机气液混台制动管压伺服系统的组成结构，并对 其数学模型进行推导分析； ( 4 ) 建立基于增量型的模糊p i 控制系统，并对系统的输入输出变量进行选取与量 惯性台架试验机测量与控制系统的研究与开发 化；结合专家经验建立了模糊控制规则集合，完成控制系统规则库的设计，运用m a t l a b s i m u l i n k 工具箱对所建立的系统进行较为全面的仿真分析和性能比较； ( 5 ) 使用s i e m e n sw i n c cv 6 0 对整套测控系统的操作软件进行开发。 1 5 本章小结 本章首先详细介绍了本课题的应用背景及对本课题的研究所带来的实际意义，分析 了惯性台架试验机的测量与控制原理，通过对大量文献资料的查阅，详细分析了惯性台 架试验机在国内外的研究现状及发展趋势，最后指出了本文研究和开发的主要内容。 7 陕西科技大学硕士学位论文 2 惯性台架试验机测控系统设计 2 1 惯性台架试验机简介 目前我国对汽车制动器摩擦性能的测试主要以定速试验为主，定速摩擦试验机虽然 在摩擦材料行业应用较广，但是它的模拟性较差，又因为是小样试验，所得试验数据与 实际使用结果相差较大，不能对制动器摩擦衬片( 或衬块) 的摩擦性能做出正确地评估。 k r a u s $ 试验以制动器总成为试验样品，与汽车实际使用结果有一定的可比性，但它是单 纯依靠拖磨制动【2 l 】，文献 2 2 】认为可将k r a u s s 试验机用于产品质量评定和新配方组分的 筛选。惯性台架试验常采用1 ：1 实物总成作为测试对象，在摩擦磨损性能测试的基础上， 进一步考察摩擦副结构的合理性、试验数据的重现性和在模拟实际工况条件下摩擦件的 可靠性【2 3 l 。这种把制动器实物总成作为考察摩擦性能的试验方法，国外摩擦材料行业越 来越重视，并且大量应用，在摩擦材料的研制、筛选等项目上有普及的趋势。 惯性台架试验机的分类方法相对较多，常见的分类方法主要有以下三种：( 1 ) 按能 量的转换原理分类：机械模拟式台架，制动器制动过程的摩擦功全部来自于惯性飞轮 储存的动能；电模拟式台架，以电机输出能量为主，机械飞轮能量只作为稳速和补偿 电机特性的不足；机电混合模拟式台架，制动器制动过程的摩擦功大部分来自惯性飞 轮储存的动能，而另一部分来自驱动电机以力矩方式输出的功。电机输出力矩这部分功 可以是正方向的，也可以是反方向的；电模拟补偿式台架，如果机电模拟式台架设计 时，以机械模拟为主，电模拟只用于补偿飞轮级差造成的误差和飞轮轴系摩擦损失造成 的能量损失时，称为电模拟补偿。此时电机补偿的能量一般不超过飞轮动能的2 0 。2 0 世纪9 0 年代前，全世界流行的基本都是机械模拟式台架。近年来，随着电机和计算机技 术的不断进步，电模拟式台架开始成为主流。( 2 ) 按机械结构分类：单工位台架，飞 轮轴上只有一个可供安装试件的轴端和滑台，同时只能测试一个制动器；双工位台架， 飞轮轴上有两个可供安装试件的轴端，同时可测试两个制动器，双工位台架又可分为电 机居中式和串联式，常用于同时测试一个前轮制动器和一个后轮制动器：四工位台架， 可同时对四个制动器进行测试。这种结构很少用，只被用于研究制动系统分配。( 3 ) 按 被测试件的尺寸与原件的比例分类：1 ：1 台架，试件为完整的制动器总成，以盘式制 动器为例，包括制动钳、制动盘和摩擦片等，都是原尺寸和原配的；缩比台架，按一 定缩比比例i 取摩擦材料摩擦面积的l 厅作为试件，并按照一定的模拟准则设计的台架。 惯性台架试验机的机械结构由驱动电动机、传动机构、主动轴及惯性飞轮组、从动 轴、连接法兰等组成。图2 1 为本文测控对象的基本机构示意图，它采用一个用以稳速 的惯性飞轮，惯量模拟方式采用电惯量进行模拟。 8 惯性台架试验机洲昔引空制系统的研究与开发 困2 - 1 惯性台槊试验机机械结构示意图 f i 9 2 - 1m e c h a n i s ms k e t c ho f i n e r t i ab r a k ed y n a m o m e t e r 睽性台架试验机的工作原理是用旋转体的旋转动能等量模拟汽车在公路上实际运行 时的动能，例如一辆质量为m ，以速度v 行驶的汽车制动停止，忽略道路、空气等阻力， 制动器通过刹车片和制动箍的摩擦，将汽车的动能转换为摩擦功，f = 使汽车停止，则制 动器摩擦功可用下式表示： r = ；v 2 = 2 m ( m ) 2 ( 2 1 ) 式中： ，制动器摩擦功( j ) ； 肿汽车质量( k g ) ： v 汽车行驶速度( m s ) ： r 车轮滚动半径( m ) ： h 车轮转速( r m i n ) 。 在惯性台架试验机中采用惯性飞轮旋转的动能来模拟汽车制动时的摩擦功，此动 能可用下式表示： = ；肠2 = 盖h 2 沼z ， 式中： 旷惯性飞轮储存动能( j ) ； ，| 贯性飞轮惯量( k g m 2 ) ； 惯性弋轮转动角速度( r a d s ) ： 陕西科技大学硕士学位论文 疗惯性飞轮转速，与车轮转速相同( r m i n ) 。 如用旋转质量动能等效模拟汽车行驶动能，则有= r v o ，即： 2 m ( n r n ) 2 = 盖h 2 或，= 3 6 0 0 聊厂2 ( 2 3 ) 显然，采用上述方法设计的惯性台架试验机具有优良的模拟性和数据重现性。 2 2 测控系统需达到的性能指标及难点分析 为使惯性台架试验机达到运行稳定可靠、控制精度高、测量数据精确等要求，具备 优良的模拟性和数据重现性，与之配套的测量与控制系统应具备以下性能指标： ( 1 ) 主要技术参数： 电机功率：( 直流) 1 6 5k w ，电枢电流3 9 5 a ；1 5 0 0 2 4 0 0r m i n ； 主轴转速：3 0 - - 一2 4 0 0r m i n ； 许用力矩：惯性制动( m a x ) 5 0 0 0 n m ，连续拖磨8 4 0 n m ： 静力矩：( m a x ) 2 5 0 0n m ； 手刹车：拉力0 - 3 5 0 0 n ，行程5 0 m l n ； 滑台部分：制动盘鼓直径 4 0 0m i l l ，宽度 5 0 0n l l n ； 制动压力 压力梯度 温度测量 冷却系统 最大轴向加载5 0 0 0n ，最大径向加载4 0 0 0 0n ； 气液增压，恒压或恒力矩：1 - 1 8 0b a r ： ( m a x ) 1 2 0b a r s e e ； 室温- - 一8 0 0 ： 鼓风量：2 4 0 0m 3 h ( 在风速3 0m s 时) ( 可模拟设定) 引风量：2 8 0 0m 3 h 。 ( 2 ) 数据采集系统要求： 整套试验完成后，计算机自动采集并计算以下数据：主轴转速( r p m ) 、主轴转动线 速度( k m h ) 、最大最小制动转矩( n m ) 、制动转矩平均值( n m ) 、稳定系数 ( m m i n m m a x ) 、制动管压( m p a ) 、制动中值( p m i n p m a x ) 、制动前后温度( ) 、制 动距离( m ) 、制动时间( s ) 及全程减速度( m s 2 ) ，并在计算机操作界面上显示这些数 据及曲线，操作软件需具备对这些数据和曲线进行自动存盘、在线分析与实时打印等功 能。 ( 3 ) 控制系统要求： 惯性台架试验机需具备恒压力( 恒输出) 和恒力矩( 恒输出) 的试验功能，制动压 力需快速提升。同时，设备控制采用手动控制与自动控制可随意切换的方式，即： 1 0 惯性台架试验机测量与控制系统的研究与开发 手动控制：整个试验过程均由操作员操作控制柜或操作软件按钮完成； 自动控制：整个试验过程均由计算机控制完成，操作员只需操作启动按钮，试验过 程中可切换至手动控制，试验完成后，试验设备将自动停止并打印试验数据及曲线。其 试验控制形式为：时间控制，压力控制，扭矩控制、转速控制，输出控制。 ( 4 ) 计算机控制系统( 软件系统) 要求： 计算机操作系统应运行在w i n d o w sx p 系统下，整个界面应具备良好的人机交互特 性，界面美观大方、操作简便、适应性强等特点。采用自动采集试验数据和试验人员手 动输入试验数据两种方式并存的处理方式 ( 5 ) 惯性台架试验机安全保护系统要求： 惯性台架试验机在出现以下情况时应自动进行超限报警、断电保护和紧急制动。 1 ) 安全防护门未到达安全限位； 2 ) 制动温度超限； 3 ) 制动力矩超限； 4 ) 制动时间超限； ， 5 ) 非制动过程制动现象； 6 ) 制动过程中制动力矩突然消失； 7 ) 电机转速超限。 针对上述要求，可分析出本测量与控制系统的难点主要有两点： 其一，压力控制单元。根据制动器惯性台架试验机的试验要求，制动器的压力要在 两秒之内线性升至2 4 0 0 b a r ，并且在保持一段时间之后线性降至零点，这使得制动压力的 控制单元成为本课题的一个难点； 其二，上位机软件的接口设置。根据软件操作系统要求，试验程序及数据可由试验 操作人员手动输入，试验程序由v i s u a lb a s i c 语言编写，而上位机软件采用西门子w i n c c ， 如何使w i n c c 与v b 进行通讯成为本课题的又一难点。 本文对上述二难点采用的解决方案如下： 对于压力控制单元，作者采取以气液混合制动的方式进行对制动轮缸进行加压，用 压缩空气作为动力源，由气缸推动一制动总泵产生液压制动压力，由气动比例阀实现恒 输入控制；对于上位机软件的接口设置，作者采用了基于微软c o m 技术的o p c 规范， 通过w i n c c 在安装时提供的o p c 客户端控件：s i e m e n so p cd a a u t o m a t i o n2 1 0 ( s o p c d a a u t 0 1 d 1 1 ) ，通过这个控件所提供的o p c 接口，即可实现v b 环境下对w i n c c 中标签数据的访问( 详见本文第5 章) 。 陕西科技大学硕士学位论文 2 3 测控系统的硬件设计 对于不同的测试对象，测试系统设计的具体要求是不同的，惯性台架试验系统有其 自身的特点，在设计中应充分考虑其特点，并结合现场测试环境及测试人员的具体情况 来设计整套测控系统。根据本系统特点，在硬件选型上遵循安全可靠、经济合理等原则。 现将本系统所使用的主要硬件作以简单介绍。台架试验机测控系统的组成结构如图2 2 所示： 图2 - 2 惯性台架控制部分组成 f i 9 2 2c o n t r o ls e c t i o no fi n e r t i ab r a k ed y n a m o m e t e r 2 3 1 工业控制计算机 工控机即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程