基于负反馈预测的制动器试验台的控制方法-eecs.tufts.edu.PDF

基于负反馈预测的制动器试验台的控制方法 曹梦霏 （cmf@mail.ustc.edu.cn），林立，于雯，赵瑞 摘要 本案例研究了以能量等效为基础的车辆制动器试验台上制动器的制动模拟过程，然 而由于系统装置可精确模拟的能量等效对应的惯量数值类型有限使得模拟精度受限；因 此本文通过对试验台和路试及其之间的联系建立数学模型，提出以速度逼近和能量误差 最小为原则的电流扭矩补偿模型，达到试验台制动过程与路试制动过程一致的目的以便 于测出制动器精确的性能曲线。 本文从制动器稳定工作这一理想条件出发设计出最简模型Ⅰ并从数学和力学理论角 度证明了模型Ⅰ在其限定条件下的最优性；然后将条件扩宽，以微元分析为基础在尽量 小区间内运用模型Ⅰ，同时使用预测思想，得到自回归负反馈模型Ⅱ；最后在模型Ⅱ的 分析基础上，针对不同条件的给定依托内模原理，提出在先验知识丰富或者能够使用迭 代优化等情况下能具有更优效果的模型Ⅲ。在模型检验阶段，本文提出了利用给定数据 进行模型辨识从而获得实际制动器的计算机仿真模型用于实验；该模拟是通过控制理论 中模型辨识的一般方法得到，在一定程度上能消除随机误差、观测误差等因素的影响， 是对已有数据获得理想信息的有效处理。 最后，通过对模型的稳定性、鲁棒性的分析，以及实验中与题给数据的对比和在模 拟一般制动器工作状态的条件下控制模型的成果检验；本文提出的两个完整模型在理论 上和实验中都具有不错的效果。 关键词：制动器模拟；惯量补偿；负反馈；预测模型；内模原理 1 一、 问题提出/引言 汽车制动器是汽车制动系统的主要组成部分，使得汽车在行驶时减速或停止。其性 能的优劣直接影响着人身和车辆的安全，因此制动器的设计是检测车辆性能最重要的环 节之一。而对制动器设计的检验，是车辆应用前必须经过的步骤。理想的测试条件是在 道路上测试实际车辆制动器，即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。然而由于路试需要在各种情况 下大量进行，以便检测制动器的综合性能。因此，一个模拟性能好的制动器试验台是必 须的，用以模拟路试车辆上制动器的制动过程，使试验台上制动器的制动过程尽可能与 其一致；从而得到最接近制动器实际工作的性能曲线。 为了实现试验台工作系统与路式时承受载荷的车辆一致，依据动力学知识将载荷在 车辆平动时具有的能量等效的转化为试验台上飞轮和主轴等机构转动时具有的能量。然 而，一致性实现的问题在于与此能量相应的等效的转动惯量有时无法精确地用试验台上 的不可拆卸机构以及若干个飞轮的机械惯量来模拟；因此依据动力学原理，试验台上主 轴工作的规律与在相同状态的制动器制动下的车辆在实际路试时不同，从而影响制动器 的工作状态，因而无法得到该对应路试情况下的精确的制动器工作性能。本文采取的解 决方法是：使用驱动电流与其产生的扭矩成正比的电动机，让电动机在一定规律的电流 控制下参与工作提供扭矩，补偿由于机械惯量不足而缺少的能量，从而满足模拟实验的 原则。 由于制动器性能的复杂性，因此通过实验无法得到电动机驱动电流与时间之间连续 的精确关系。我们依据力学基本原理，采用一定的数值处理方法，将问题抽象出基于自 动控制理论的数学模型，从而构造了一种有效的对电动机驱动电流控制的模型；该方法 根据前一个时间段设定的控制电流和观测到的瞬时转速作为反馈，得到现在时间段的控 制电流值。一方面保证了试验台主轴转速速度与路试车轮基本一致，另一方面在能量误 差这个重要数量指标的衡量下得到了尽可能小的结果。 二、 模型假设 1. 路试时轮胎与地面的摩擦力为无穷大，轮胎与地面无滑动摩擦做功；忽略车轮自身 转动具有的能量。 2. 试验台采用的电动机的驱动电流与其产生的扭矩成正比，试验台工作时主轴的瞬时 转速与瞬时扭矩是可以观测的离散量。 3. 衡量试验台与路试的情况一致性的一个重要指标是能量误差，其定义为：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。 4. 不考虑观测误差和随机误差。 三、 模型分析 针对本检验问题，其核心内容是建立制动器试验台的电流控制数学模型从而得到最 切合实际工作的制动器性能。因此，建立模型的实际基本原则是能尽可能