（控制理论与控制工程专业论文）基于快速气动伺服的汽车惯性式制动器试验系统应用研究.pdf

重庆大学硕士论文 中文摘要 摘要 制动器性能的优良直接关系到汽车安全运行。汽车惯性式制动器试验系统通 过模拟汽车的制动过程，以台架试验的方式来测试制动器总成的各项性能，要求 实现恒气压、恒油压、恒力矩、恒减速度自动控制。该系统采用快速气动伺服推 动液压缸的传动方式，是一个典型的强非线性、时变、时滞的复杂系统，传统的 单闭环p i d 控制只能控制气压和油压，无法实现力矩和减速度的快速控制。因此， 研究汽车惯性式制动器试验系统的恒力矩、恒减速度自动控制具有重要的现实意 义和学术价值。 本文在建立汽车惯性式制动器试验系统的数学模型的基础上，利用仿真软件 m a t l a b s i m u l i n k 构造了系统的仿真平台：分析了双闭环控制、p i d 控制和模 糊控制三种控制技术的特点和模糊p i 控制器的几种结构；鉴于常规单闭环p i d 控制力矩和减速度的不足，结合几种控制技术的优点，提出了恒力矩和恒减速度 控制的双闭环模糊p i 控制方案，并在仿真平台上进行了仿真验证；设计了控制系 统的总体结构和基于组态软件w i n c c 的监控系统人机界面。 双闭环控制技术采用内外环控制，外环是一个定值控制系统，内环为一个随 动系统。这种双闭环结构使其具有比常规单闭环控制系统更良好的动态性能，提 高了系统的工作频率，大大增强了系统的抗干扰能力。模糊控制技术本质属于非 线性控制，它在处理复杂的、非线性、时滞、难以用精确数学模型描述的对象控 制中表现出优越的性能，并且具有快速性、鲁棒性好的特点。但模糊控制的控制 精度不高，可以引入积分环节用以提高其静态性能。本文将双闭环控制技术与模 糊控制技术结合起来，设计出一种双闭环模糊p i 控制方案，即制动主缸驱动力内环 采用常规p i 控制，力矩或减速度外环采用模糊p i 控制。仿真研究中，系统内环均采 用p i 控制，外环分别采用p i 控制，模糊控制，模糊p i 控制，通过这三种控制方式在 阶跃输入，不同输入幅值、系统结构参数变化，抗干扰能力四种情况下的性能比 较，证明双闭环模糊p i 控制能实现力矩和减速度的快速控制，适应性好，并保持良 好的控制精度和鲁棒性。 考虑到汽车惯性式制动器试验系统的特点，控制系统的设计采用了基于 p r o f i b u s d p 现场总线的分布式网络技术，其中监控级采用w i n c c 组态的工控 机，控制级采用西门子s 7 4 0 0 系列p l c ，现场级采用e t 2 0 0 远程i o 模块。 关键词：惯性式制动器试验系统，双闭环，模糊p i ，快速控制，气动伺服 重庆大学硕士论文 英文摘要 a b s t r a c t t h eb r a k e sg o o dp e r f o r m a n c ei sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h es a f eo p e r a t i o no f a u t o m o b i l e t h ea u t o m o b i l ei n e r t i a - b r a k e - t e s t - s y s t e mi su s e dt o t e s tv a r i o u s p e r f o r m a n c eo f t h e b r a k eb ya s s e m b l yb e d t e s tt h r o u g hs i m u l a t i n gt h eb r a k ep r o c e s so f a u t o m o b i l e ，w h i c hr e q u i r e sa c h i e v i n gc o n s t a n ta i rp r e s s u r e , c o n s t a n to i lp r e s s u r e , c o n s t a n tt o r q u ea n dc o n s t a n td e c e l e r a t i o na u t o m a t i cc o n t r 0 1 t h es y s t e ma d o p t st h e d r i v i n gt y p et h a tf a s tp n e u m a t i cs e t v od r i v e sh y d r a u l i cc y l i n d e r , w h i c hi s at y p i c a l e l e c t r o - p n e u m a t i c - h y d r a u l i c ，s t r o n gn o n l i n e a r , t i m e - l a g g i n ga n dv a r y i n g , c o m p l i c a t e d s y s t e m u s i n gt r a d i t i o n a ls i n g l ec l o s e d - l o o pp i d ，o n l ya i ra n do i lp r e s s u r e c a l lb e c o n t r o l l e d i tc a n ta c h i e v ef a s tc o n t r o lo ft o r q u ea n dd e c e l e r a t i o n t h e r e f o r e ，i ti so f p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da c a d e m i cv a l u et op e r f o r mr e s e a r c ho nt h ec o n s t a n tt o r q u e a n dd e c e l e r a t i o na u t o m a t i cc o n t r o lo f t h ea u t o m o b i l ei n e r t i a - b r a k e - t e s t - s y s t e m b a s e do nb u i l d i n gt h em o d e lo ft h ea u t o m o b i l ei n e r t i a - b r a k e - t e s t s y s t e m ，t h i s p a p e rc o n s t r u c t sas i m u l a t i o np l a t f o r mo ft h es y s t e mb yt h es i m u l a t i o ns o r w a r eo f m a t l a b s i m u l i n k ；a n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f d o u b l ec l o s e d - l o o pc o n t r o l ，p i d c o n t r o l ，f u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g ya n d $ o n l es t r u c t u r e so ff u z z y - p ic o n t r o l l e r ；a i m e da t t h e d i s a d v a n t a g e s o ft r a d i t i o n a l s i n g l e c l o s e d l o o p p i dc o n t r o l l i n gt o r q u ea n d d e c e l e r a t i o n , b r i n g sf o r w o r dad o u b l ec l o s e d l o o pf u z z y - p ic o n t r o lt ot h ec o n s t a n t t o r q u ea n dd e c e l e r a t i o nc o n t r o lb yc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e s o ft h r e ec o n t r o l t e c h n o l o g y , a n dp e r f o r m s t h es i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o no n t h es i m u l a t i o n p l a t f o r m ；d e s i g n st h eg e n e r a ls t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e ma n dh u m a n - m a c h i u ei n t e r f a c e o f m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew i n c c t h et e c h n o l o g yo fd o u b l ec l o s e d l o o pa d o p t si n n e r - l o o p a n do u t e r - l o o p c o n t r 0 1 t h eo u t e r - l o o pi sac o n s t a n tc o n t r o ls y s t e ma n dt h ei n n e r - l o o p i sa s e r v o m e c h a n i s m t h i ss t r u c t u r eh a sb e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c et h a nt r a d i t i o n a ls i n g l e c l o s e d 1 0 0 ps y s t e m , w h i c hc a ni m p r o v et h ew o r kf r e q u e n c yo ft h es y s t e ma n d i n c r e a s e st h es y s t e m sa n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t yg r e a t l y f u z z yc o n t r o li san o n l i n e a r c o n t r o lt e c h n o l o g ye s s e n t i a l l y ，w h i c hs h o w ss u p e r i o rp e r f o r m a n c et oc o n t r o lt h e o b j e c tt h a ti sc o m p l i c a t e d ，n o n l i n e a r , t i m e - l a g g i n g , d i f l i e u l tt od e s c r i b eb yp r e c i s e m a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n di th a saf a s tr e s p o n s es p e e da n ds t r o n gr o b u s t n e s s b u tt h e f u z z yc o n t r o lp r e c i s i o ni s n o tg o o d ，w h i c hm a k e si ti sn e c e s s a r yf o ri n t r o d u c i n g i n t e g r a ll i n kt oi m p r o v et h es t a t i cp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rc o m b i n e st h et e c h n o l o g yo f 重庆大学硕士论文 英文摘要 d o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r o lw i t hf u z z yc o n t r o l ，a n dp u t sf o r w a r dan e ww a yt h a tb r a k e m a s t e rc y l i n d e ra c t u a t i n gf o r c ei n n e r - l o o pt a k e s 仃a d i t i o n a lp ic o n t r o la n dt o r q u eo r d e c e l e r a t i o no u t e r - l o o pt a k e sf u z z y - p is e r i e sc o m p o u n dc o n t r 0 1 i nt h es i m u l a t i o n r e s e a r c l ：l ，t h ei n n e r - l o o pa d o p tp ic o n t r o li na 1 1c a s f i s ，t h eo u t e r - l o o pa d o p tp ic o n t r o l ， f u z z yc o n t r o l ，f u z z y - p ic o n t r o lr e s p e c t i v e l y c o m p a r e i n gt h et h r e ec o n t r o lm o d e si n t h ef o u rs i t u a t i o n so f s t e pi n p u t , d i f f e r e n ti n p u ta m p l i t u d e s ，s y s t e ms t r u c t u r ep a r a m e t e r s v a r , m ga n da n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , w ec a nr e a c hac o n c l u s i o nm a tt h ed o u b l e c l o s e l o o pf u z z y - p ic o n t r o lc a na c h i e v ef a s tc o n t r o lo ft o r q u ea n dd e c e l e r a t i o n i nt h e s a m et i m e , i tk e e p sg o o da d a p t a b i l i t y ，c o n t r o lp r e c i s i o na n dr o b u s t n e s s c o n s i d e r i n gt h ef e a t u r e so ft h ea u t o m o b i l ei n e r t i a - b r a k e - t e s t - s y s t e m ，t h ec o n t r o l s y s t e md e s i g na d o p t st h ed i s t r i b u t e dn e t w o r kt e c h n o l o g yb a s e do np r o f i b u s d p f i e l db u s ，i nw h i c hm o n i t o r i n gs t a g ea d o p t st h ei n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e rb a s e do n w i n c c ，c o n t r o ls t a g ea d o p t ss i m e n sp l cs 7 - 4 0 0 ，a n df i e l ds t a g ea d o p t se t 2 0 0 r e m o t ci om o d u l e k e y w o r d s ：i n e r t i a - b r a k e - t e s t - s y s t e m , d o u b l ec l o s e d - l o o p ，f u z z y - p i ，f a s tc o n t r o l ， p n e u m a t i cs a r v o i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：狼讥渚签字日期：沙。7 年歹月谣日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：；欤讪法导师躲秘确 签字日期：7 - 0 0 7 年歹月嬲日 签字日期：砂0 7 年，, e l 谣日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 近几年来，随着全球汽车产量和保有量持续高速增长，汽车的安全运行问题 越来越突出。制动性能是汽车在行驶中能人为地强制降低行驶速度并根据需要停 车的能力，制动性能的优良与否直接关系到汽车的安全性。因此对制动器进行测 试显得特别重要，迫切需要大量的制动器试验台架，同时对制动器试验台架的控 制水平、控制精度提出了更高的要求。 汽车制动器台架试验是制动器强制检定项目，它模拟汽车的制动过程，以台 架试验的方式来测试制动器总成的制动效能、热稳定性、衬片磨损以及强度等各 项性甜”，从而揭示其内在的统计规律性，找出其存在的问题并提出解决的方法， 确保道路交通安全。 重庆汽车研究所是国内从事汽车产品开发、汽车新材料与新工艺的研究及试 验、汽车试验设备开发等的综合性研究机构。本课题来源于重庆汽车研究所自行 设计的电气液的汽车惯性式制动器试验系统，重庆大学负责对设备进行技术改造， 要求实现恒力矩和恒减速度快速控制，该试验系统主要用于汽车盘鼓式制动器的 综合性能测试。该系统属于强非线性、时变、时滞的复杂系统( 2 】，控制上有一定 的技术难度。本文将双闭环控制技术与模糊控制技术结合起来，应用于汽车惯性 式制动器试验系统的控制，是先进控制技术应用于实际工业的一种有益尝试，同 时通过本文的研究，对实际控制系统的设计有重要的指导意义。 1 2 汽车惯性式制动器试验台的国内外发展概况 随着我国汽车工业的飞速发展，国内汽车制动器试验台的发展如今已接近国 外先进水平。在控制方式上，国内外制动器试验台都采用闭环的电液或电气液伺 服计算机控制，控制策略多采用常规p i d 控制0 j 4 ，能实现恒气压、恒油压、恒 力矩和恒减速度制动其中的一项或几项功能。而本文的汽车惯性式制动器试验系 统充分结合气压传动速度快而液压传动精度高的优剧5 1 ，采用电气液伺服计算机 控制。未改造前的系统采用单闭环p i d 控制能实现恒气压和恒油压制动，改造后 系统采用双闭环模糊p i 控制还能实现恒力矩和恒减速度制动。 1 2 1 国内惯性式制动器试验台介绍 制动器惯性试验台架嘲 1 ) 用途：用于汽车制动器总成和制动衬片的性能试验。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 ) 特点：基础惯量小，惯量分级细，适用范围宽；可实现惯量自动选择与切 换；具有恒力矩试验功能；全面计算机控制，检测和数据处理；操作软件适应性 强，可执行现有任何惯性试验标准。 制动器磨损试验厶【“ 1 ) 用途：用于盘、鼓式制动器摩擦衬片耐磨损性能试验；用于盘、鼓式制动 衬片摩擦对偶件的耐磨损性能试验；盘、鼓式制动器的寿命试验。 2 ) 特点：计算机控制，程序设置后自动循环，可无人职守；直流电机驱动， 无级调速，速度直接设定；恒气压制动，压力源为压缩空气( 恒力矩制动方式按 用户要求) ；温度控制，可设定上下限温度；循环次数任意设定，完成后自动停机 报警；有冷却风机和排尘风机。 惯性台架式克劳斯试验机【8 l 1 ) 用途：用于轻、轿车制动器和刹车片的摩擦磨损性能试验，也可进行克劳 斯试验；配惯性飞轮系统后，可完成惯性试验。 2 ) 特点：采用的德国克劳斯技术。基础惯量小( 3 9 8k g 1 1 12 ) ；惯量级差小 ( 1 2 5k 唇m 2 ) ；惯量级数大( 1 4 4 级) 。飞轮采用齿形离合器，接分方便。齿形 带2 档传动。 3 ) 试验对象：载重量2 5 吨及以下轻型车、微型车、轿车盘式鼓式制动 器总成或刹车片、来令片。 4 ) 基本功能：具有克劳斯试验机的全部试验功能；配惯性飞轮后，具有惯性 试验台架的全部功能；具有恒力矩试验功能；具有恒液压试验功能；具有冷却风 速模拟功能；具有手刹车静力矩试验功能( 选择项目) ；具有涉水试验功能( 选 择项目) ；全面计算机控制，检测，绘图，打印报告；试验程序编程方便可执行 欧洲，美国，日本，中国等试验标准。可用英文或中文编制显示内容。 近年来，随着汽车工业的发展，试验手段的不段完善，国内的汽车制造厂、 制动专业生产厂、保修单位、研究机构所用设备，如制动器性能和强度试验台、 制动主缸试验台、制动轮缸试验台、气制动阀类试验台、制动气室和弹簧制动气 室试验台等，大多根据需要自行设计和研制。重庆汽车研究所、吉林大学机电设 备研究所、武汉市祥龙摩擦材料设备模具有限责任公司等单位都先后自行设计和 联合研制了单轮、双轮汽车制动器试验台及其他设备。 1 2 2 国外惯性式制动器试验台介绍 惯性测功机 9 1 该试验台主要用于制动器台架试验。 技术参数：惯量：i = 2 5 0 4 5 0 0k g n 1 2 ；电极功率：1 6 0 k w ；模拟范围：机械 惯量+ - 3 0 0k g m 2 ；传动比：1 ：2 ：5 ；转速范围：o 7 5 0 r m i n ：数据传输：1 6 通道 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 脉码调制遥测系统；最大制动力矩：6 0 0 0 0 n m ；压力控制单元：气液转换器； 数据采集和控制：3 2 位总线传输系统；制动器尺寸：最大直径7 0 0 m m 或6 8 5 f 轮 胎；轴负荷：最大2 2 t 。 克劳斯试验机【4 】 德国k l a u 5 $ 公司生产，用于制动器摩擦衬片的摩擦性能测试，最新型的克劳 斯机可以选择下列试验控制方式：恒定压力控制方式：( 0 - - - 5 0 b a r ，级差0 2 b a r ) ； 恒定扭矩控制方式：( 0 - - - 5 0 0 n i n ，级差2 n m ) ；恒定温度控制方式：( o 一8 0 0 ， 级差4 0 ) ；恒定速度控制方式：( o - - 1 5 0 0 m i n ，级差1 0 m i n ) ；而且压力、扭矩， 温度的上升梯度也是可控的。 上面列举了两个国外典型的试验台，还有日本的定速机，美国的c h a s e 试 验机，德国的惯性试验台等。由于执行的试验标准的差异，所做的项目也有所交 叉，因此，试验台架的名称也不尽相同。在我国影响比较大的国外汽车零部件试 验台制造公司有美国的m t s 公司，c h a s e 公司，l i n k 公司，德国的s c k e n c k 公司、k r a l 1 8 s 公司等。 1 3 汽车惯性式制动器试验系统的研究难点 根据标准q c t 4 7 9 1 9 9 9 货车、客车制动器台架试验方法 1 0 l 和标准 q c t 5 6 4 1 9 9 9 轿车制动器台架试验方法【l l 】的要求，控制系统在试验中必须具 备如下控制功能：恒气压自动控s j j ；恒油压自动控制；恒力矩自动控$ 1 h 恒减速度自动控制。汽车惯性式制动器试验系统采用常规单闭环p i d 控制，只 能控制气压和油压，无法控制力矩和减速度，无论怎么调节p i d 控制器参数制动 力矩控制曲线都振荡，无法控制，而制动减速度的调节时间过长，调节还未完成， 制动己结束。由于本系统是一个电气液的、强非线性、时变、时滞的复杂系统， 因此研究的难点在于如何建立汽车惯性式制动器试验系统较为真实的数学模型， 构造系统的仿真平台以及选取何种控制方式来实现恒力矩和恒减速度快速控制， 适应性好，并保证良好的控制精度和鲁棒性。 1 4 主要研究内容 目前，双闭环控制、p i d 控制和模糊控制已取得许多应用成果，本文综合几 种控制算法的优点，开发研制出适用于汽车惯性式制动器试验系统的控制系统， 实现恒力矩和恒减速度快速控制。为此，本文主要完成以下几方面的工作： 建立汽车惯性式制动器试验系统的数学模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 构造系统的仿真平台。 分析双闭环控制、p i d 控制和模糊控制三种控制技术的特点和模糊p i 控制 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 器的几种结构。 鉴于常规单闭环p i d 控制力矩和减速度的不足，结合几种控制技术的优点， 提出恒力矩和恒减速度控制的双闭环模糊p i 控制方案，并在仿真平台上进行仿真 验证。 设计控制系统的总体结构和基于组态软件w i n c c 的监控系统人机界面。 1 5 本章小结 本章首先介绍了课题提出的背景及意义，介绍了汽车惯性式制动器试验台的 国内外发展概况，然后指出了汽车惯性式制动器试验系统的控制难点，最后介绍 了本文的主要研究内容。 4 重庆大学硕士学位论文 2 系统模型研究 2 系统模型研究 2 1 汽车惯性式制动器试验系统介绍 2 1 1 系统工作原理及结构 汽车惯性式制动器试验系统通过模拟汽车制动过程，以台架试验的方式来测 试制动器总成的制动效能、热稳定性、衬片磨损以及强度等各项性能，大体由电 动机、传动机构、主动轴及惯性飞轮组、从动轴、连接法兰、控制与测试系统等 组成。汽车惯性式制动器试验系统中，惯性式汽车制动器试验台是主体，图2 1 为 汽车惯性式制动器试验台实物照片。目前常用的惯性式汽车制动器试验台有单轮、 双轮和四轮等形式，图2 2 所示为一单轮惯性式制动器试验台的基本结构示意图。 图2 1 汽车惯性式制动器试验台实物照片 f i g2 1p h o t o g r a p ho f a u t o m o b i l ei n e r t i a - b r a k e - t e s t - b e d 惯性式制动器试验台的基本原理是通过电动机、传动机构驱动惯性飞轮组， 并带动制动鼓旋转，从而模拟汽车运行状况，当装在从动轴上的制动蹄动作时， 汽车的制动过程就再现出来，从而可以很方便地测试制动器的各种参数。控制制 动蹄的动作，就可模拟各种制动过程。对不同型号种类的汽车，可调整惯性飞轮 组进行模拟。 作为一个完整的试验系统，除图2 2 所示的试验台本体以外，还应有气压或液 压系统；吹风与吸尘装置；以计算机为核心的试验程序自动控制系统；试验数据 采集与数据处理系统。 重庆大学硕士学位论文2 系统模型研究 1 - 司_ 糖嗍i2 壤 节i ，蕾速霜| 锗瞳ii - 飞轮i6 - 圭辅拄兰； 斌件 删动鼓) i 晷_ 试件( 幸i 珊) ，纠凡辅栏兰i1 蝴磅舳i1 1 执动轴座 图2 2 惯性式制动器试验台的结构示意图 f i g2 2s t r u c t u r a ls k e t c hm a po f i n e r t i a - b r a k e - t e s t - b e d 在本节中主要介绍轿车和载货车台架试验方法，轿车的质量比较小，载货车 质量比较大，两者的试验方法相似，但评价指标有许多差别，下面分别加以介绍。 制动时，汽车的动能包含汽车平移质量运动的动能和旋转机件旋转时所贮藏的动 能两部分。本文中的汽车惯性式制动器试验系统是采用旋转的惯性飞轮模拟汽车 的上述两部分动能，并略去了非制动器的制动作用来进行制动器总成试验的，在 制动器台架试验中，要使被试制动器总成与装在汽车上的制动器总成的工作状态 相同，工作负荷相同。图2 3 是用来显示制动器总成在汽车和试验台上的动能关系。 ，么j 永竺 f 纠衲一 适f 剐一 刮创1 吒一巧 f q 一吗 图2 3 惯性式制动器试验台工作原理 f i g2 3o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f i n e r t i a - b r a k e - t e s t - b e d 由动能的概念可知： 三m 矿2 = 三砌2 22 由此可知汽车的动能与试验台的动能有如下的关系： 鼍( 2 叻+ 鲁( v 0 2 - 哟= 每 ( 争2 一争2 】 经推导得出： 6 ( 2 1 ) 重庆大学硕士学位论文2 系统模型研究 l ：g a + 6 g o ，2 g ( 2 3 ) 式中：l 汽车等价转动惯量l ( g m s2 ；g 0 汽车空载质量k g ；q 一汽车满载质 量k g ：，一车轮滚动半径m ；开始制动时车速m s 一；巧一制动终了时车速 m s 一；c o 汽车车轮角速度i r a d s ；j 一汽车转动机件的当量空车质量系数。 以上推导出的是整个汽车质量与试验台惯量的关系式，试验中一般只对一个制 动器或两个制动器进行试验测定。汽车上四个车轮中每个车轮承担的负荷，要考 虑到前后制动器的制动力分配比： = 鲁 ( 2 4 ) 式中：，一前、后车轮的制动力分配比；弓前轮制动器的制动力小；c 后轮 制动器的制动力n 。 这样每一个前后制动器负荷所对应的转动惯量为 ，：生g o + 6 g o ，2 l + p2 9 l ：上g 坠，： l + 2 9 ( 2 5 a ) f 2 5 b ) 式中：，一前制动器相对应的转动惯量l 喀m s2 ；一后制动器相对应的转动惯量 k g m s 2 ；万一当量空车质量系数，载货车试验中取为7 。 台架试验中，还要保持试验台主轴转速与试验车速的对应关系： 1 0 0 0 矿：2 彻，( 2 6 ) 6 0 式中：矿一车速_ k m h 一；栉试验台主轴转i g r m i n 一。 统一单位换算后得： 一：2 6 5 v ( 2 7 ) ， 以上的推导即为惯性式汽车制动器试验台的工作原理。在试验中，首先应该保 证试验条件与制动器实际工况一致，然后给被试制动器施加一定的驱动力，就可 以测得制动器的制动气压、制动油压、制动力矩、制动减速度、制动时间以及制 动器的温度等。 q c t 4 7 9 1 9 9 9 货车、客车制动器台架试验方法标准中给出的公式形式与上 述的公式形式相同，但在q c t5 6 4 1 9 9 9 轿车制动器台架试验方法标准中，前 后轴制动器转动惯量的计算公式不同，轿车前、后轴制动器的转动惯量为： 7 重庆大学硕士学位论文 2 系统模型研究 ，：堡：! 鲨：鱼：丝，： ：垒垡掣，2( 2 - 8 b ) l 式中：q 汽车满载总质量k 毋汽车轴距m ； 。汽车满载时质心高度m ； b 质心至后轴距离m ；a 一质心至前轴距离m 。 驻车试验转动惯量及速度计算方法也不同于货车和轿车行车制动器试验的计 算方法。 试验转动惯量按下式进行计算： ( 2 9 ) 式中；，一试验转动惯量y k g m2 ；g 汽车总质量屉毋r - - 车轮滚动半径m ；一 驻车制动器数量：f 一车轮至驻车制动器间的总减速比。 试验减速度按下式计算： m ， 归i了(2ao) 式中：4 试验减速度m s 4 ；m 试验制动力矩n m ；其他符号含义同式( 2 9 ) 。 试验台轴转速按下式计算 开：2 6 5 v x i ， ( 2 1 t ) 式中：行试验台轴转速r r a i n 一；矿试验车速l 曲h 一；其他符号含义同式( 2 9 ) 。 2 1 2 系统控制要求及原理 惯性式汽车制动器试验台采用气动伺服的控制方式，这是由于汽车制动时， 若测试系统的响应频率在2 0 h z 左右，则所记录的各种参数几乎就没有失真，经过 各种计算、试验及仿真论证后，系统采用气动伺服的响应频率能达到响应频率2 0 h z 左右，远远大于液压伺服的响应频率，而且相对与液压伺服而言，系统价廉，市 场潜力很大。 制动器试验台架要完成标准q c t 4 7 9 1 9 9 9 货车、客车制动器台架试验方法 和标准q c t5 6 4 - 1 9 9 9 轿车制动器台架试验方法的试验要求，控制系统在试验 中必须能具备如下控制功能： 恒气压自动控制； 恒油压自动控制； 恒力矩自动控制； 恒减速度自动控制。 重庆大学硕士学位论文2 系统模型研究 图2 3 为汽车惯性式制动器试验系统原理图f 2 l 。从气源入口到制动气缸推杆 这部分是汽车惯性式制动器试验台的执行机构，采用气动伺服控制，从制动主缸 油壶到制动蹄这部分是制动器试件，采用液压伺服控制，从动轴发兰、支承销、 从动轴座这部分是汽车惯性式制动器试验台的工装及基座。从图中可以看出，整 个汽车惯性式制动器试验系统是一个电气液伺服的复杂系统。制动过程中，气源 通过过滤器、溢流减压阀、油雾器、气罐稳定后，送到控制比例阀进气口，控制 比例阀的两个出气口和控制气缸的两个进气口相连，控制气缸的前进和后退，控 制气缸的活塞杆推动制动主缸活塞杆，制动主缸活塞控制油路的油压，制动主缸 在油压的作用下推动制动轮缸活塞，制动轮缸活塞推动制动蹄动作，作用于制动 鼓，从而产生制动力。这就是制动的开环控制过程。系统要达到恒气压自动控制、 恒油压自动控制、恒力矩自动控制、恒减速度自动控制，还必须通过气压传感变 送器、油压传感变送器、力矩传感变送器、减速度传感变送器将各个被控制量送 到控制计算机，控制计算机通过计算得出相应的控制量，再通过控制比例阀驱动 器控制比例阀作出响应的动作，达到闭环控制的目的。 卜越滤器l2 镒漉减压辩；3 一压力计；4 泊雾器 5 气罐t6 - - 比例流星圈；7 - - 控制 气缸；籼崩气缸推杆；9 - - 制动事缸推杆；1 0 - - 制动蔓缸油蠢 1 1 - - 镧动皇缸# l 醐动 管路 n 一制动摩擦片l1 4 - - - 试件( 制动鼓) l1 5 - - - 书动轴法兰；l 洲动轮缸：1 7 - - - 翻动回位 弹簧；l 酬件( 钳动蹄) ；l f f - - 从动轴法兰( 部分) t2 0 一支承销f2 1 帆动轴座 图2 4 汽车惯性式制动器试验系统原理图 f i g2 4p r i n c i p l ed i a g r a mo f a u t o m o b i l ei n e r t i a - b r a k e s y s t e m 2 2 汽车惯性式制动器试验系统的数学建模 在推导系统数学模型的时候，作了如下假设：忽略气缸连接管路的阻力及 管道动态，气缸内压力即为阀出口压力；气缸内热力过程为绝热过程；气缸 9 重庆大学硕士学位论文 2 系统模型研究 与外界以及两腔之间没有泄漏；油壶的供油压力一定，忽略系统各部分的非定 常流动；忽略油液的压缩性，油温一定，油液没有泄露；工作油液只在流经 控制窗口时产生压力损失。液压管路中的孔的特性符合液压阀口的流量特性。 本文未对模型在工作点进行线性化处理，而是直接建立系统的非线性模型，这样 会更加真实的反应系统实际运行情况。 2 2 1 比例流量阀模型 比例阀为电一气比例方向阀，工作方式为三位五通，图形符号如图2 5 。中位 时所有气口封闭，控制气缸处于停止状态；正位时进气口1 通气口2 ，回气口3 封闭，回气由气口4 通回气口5 ，控制气缸向前运动；反位时气口2 和4 进出反 向，进气口1 通气口4 ，回气口5 封闭，回气由气口2 通回气口3 ，控制气缸向后 运动。 该比例方向阀的结构特点是直动式滑阀，内带阀芯位移控制器，输入控制电 压0 - 5 1 0 v ，5 v 为其中位。如图2 6 所示为该阀的流量特性曲线，输入控制电压 0 - 5 v 对应阀门正位，进气口l 通气口2 ，流量由最大到零；输入控制电压5 1 0 v 对应阀门反位，进气口1 通气口4 ，流量由零到最大。 图2 5 控制阀图形符号 f i g2 5g r a p hs y m b o lo f c o n t r o lv a l v e 电压，v 图2 6 控制阀流量特性曲线 f i g2 , 6 f l o w c h a r a c t e d s t i c c u l v e o f c o n t r o l v a l v e 我们考虑到比例阀的频带很宽，相比系统动态而言，完全可以忽略，所以输 入电压与比例阀的阀芯位移可以认为近似成线性关系，把比例阀模型简化为一比 例环节，其动态特性数学方程为： t = k 。u ( 2 1 2 ) 式中：一阀芯位移m ；置，一比例系数m v 一；u 输入电压v 。 由假设知，通过阀口的气体流动过程可近似看作理想气体通过收缩管的一维等 熵流动，采用s a n v i l l e 流量公式可得比例阎的非线性阀1 ：3 流量方型1 2 l ： q m = c q 似函捌尝 l o 重庆大学硕士学位论文 2 系统模型研究 式中： 删= ( 剖吉后 o s f 笠 o 5 2 8 l p ij r 2 1 4 ) 式中：巳一流量系数；w 一比例阀的开口面积梯度m ；一比例阀的阀芯位移m ； p ，一比例阀的进气口压力p a ；p 。一比例阀的出气口压力p a 。 2 2 2 控制气缸模型 p 图2 7 控制气缸模型 f i g2 7m o d e lo f c o n t r o lc y l i n d e r 图2 7 为简化后的控制气缸模型。取活塞处于气缸中间位置时x = o ，在这里 作如下假定：活塞由左往右运动方向为x 轴正向，如图2 9 所示。活塞处于中间位 置两腔体积如下式： 1 = + 爿s i = l ，2 ( 2 1 5 ) 二 为是气缸两腔的不变容积和阀与气缸连接管道容积之和，4 为气缸活塞面积，s 为气缸的有效行程。当活塞偏离中间位置时有： 巧= k o + 血 ( 2 1 6 a ) 巧= k o a x 由于气缸两腔气体变化为绝热过程， p 舟常数 p z - i ) ：常数 此时两腔气体满足： ( 2 1 6 b ) 根据热力学第一定律可得如下绝热方程式： ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 重塑i 2 1 墨堡主堂堡垒奎 ! 墨竺堡型堑壅 只巧= m r 互i = 1 ，2 警：f - - 1 , 2 言2 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 只，墨，分别为压力、温度和质量的变化量，由式( 2 1 7 ) ( 2 2 0 ) 可得： 直巧+ 慨k = k r r , i = 1 ，2 ( 2 2 1 ) 由式( 2 1 6 ) ， ( 2 1 7 ) ， ( 2 2 1 ) 可得气体左右腔的压力微分方程为： a 2 瓦j 石印z 蜴一一a 铆( 2 2 2 a ) p 22 瓦 石僻l 奶m p 2 出) ( 2 2 2 b ) 式中：p 1 ，p 2 气缸左右腔压力p a ；k - - 4 亭# t f $ 1 t ；r 气体常数；l 左右腔 气体温度依；彳气缸活塞面m2 ；，气缸左右腔初始容积m 3 ；9 。，奶。一 气缸左右腔质量流量k g s ；善气缸活塞位移m 。 控制气缸动力学方程为： ，。彳( a 一融) = e 野+ 巧膏+ 酌r( 2 2 3 ) 式中：，一负载力n ；肘一活塞和惯性负载质量l 【g ；足，一负载阻力系数； 置一 负载弹性刚度n m 。 2 2 3 制动主缸模型 对于汽车惯性式制动器试验系统中的制动主缸，可以简化成如图2 8 的理论模 f 卜 图2 8 制动主缸模型 f i g2 8m o d e lo f b r a k er a a s t e rc y l i n d 舒 制动主缸的连续流量方程为：旦k 生d t = 一生d t q ( 2 2 4 )， 式中：q 主缸流入油管的流量m3 s 一；彳主缸活塞面积m z ；，一主缸油压伊a ； 矿一主缸容积m3 ；置一液体的体积弹性模量伊a ；膏一主缸活塞位移m 。 1 2 重庆大学硕士学位论文2 系统模型研究 制动主缸的动力学方程为：研害：f p 一一c 冬一缸 ( 2 2 5 ) a t 一 口f 式中：所一主缸活塞质量k g ；f 一气缸活塞杆的推力n ：七一主缸弹簧弹性刚度 n n l ；c 一阻力系数。 2 2 4 制动管路模型 液压制动管路由硬管和软管组成。制动硬管的管壁为刚性材料，制动软管一 般采用钢丝编制的液压胶管。模型如图2 9 。 硬管 软管 图2 9 制动管路模型 f i g2 9m o d e l o f b r a k ep i p e 制动管路的连续流量方程为：喜罢= 蜴一q ( 2 2 6 ) 置疵 式中：，一制动管路油压p a ；矿一制动管路容积m3 ；q 1 一主缸流入制动管路的 流量m 3 s 一：q 2 一制动管路流入轮缸的流量m 3 s 一。 在主缸与管路及管路与轮缸连接处截面突然缩