機電工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯
設(shè)計題目: ZQ1050型商用車制動系設(shè)計
譯文題目: 利用滑?？刂破髟鰪娋€控制動系統(tǒng)
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文獻出處：《動態(tài)系統(tǒng)，測量和控制》期刊 2016年4月，第138期
使用滑模控制器增強線控制動系統(tǒng)
Mostafa R. A. Atia,Salem A. Haggag ,Ahmed M. M. Kamal
(1.AASTMT工學(xué)院機電一體化,開羅,埃及2.Ain Shams大學(xué)工學(xué)院工學(xué)院工學(xué)院,開羅，埃及 3.AASTMT工學(xué)院機電一體化,開羅,埃及)
摘要：線控制動的重要性(BBW)系統(tǒng)擺脫它取代的事實所有傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)組件和電子信號之間的傳感器、控制模塊和電動制動執(zhí)行器。這種轉(zhuǎn)換已經(jīng)極大地導(dǎo)致了制動系統(tǒng)性能的響應(yīng)性,與其他車輛子系統(tǒng)的集成,和不同的適應(yīng)性行為駕駛環(huán)境。本研究的目的是調(diào)查的滑?？刂?SMC)策略提出BBW系統(tǒng)。為了實現(xiàn)這一目標,對BBW系統(tǒng)進行建模并通過實驗進行驗證。SMC策略應(yīng)用于模型和驗證實驗。此外,本研究著重于補償磨損的影響對制動性能墊。實驗研究表明,開發(fā)的系統(tǒng)模型給出了匹配結(jié)果與實驗工作。應(yīng)用SMC模型顯示了良好的性能在打破操作與可接受的錯誤。應(yīng)用的SMC試驗臺顯示了良好的性能和可接受的偏差。此外,實驗表明,該控制策略能夠補償制動磨損墊,保持跟蹤制動命令。
關(guān)鍵詞：線控制動；滑?？刂?；建模與仿真
1介紹
在機械系統(tǒng)中，線控制動是一種重要的安全裝置，制動器將運動系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使它的速度減慢。隨著行駛速度的增加以及系統(tǒng)的不斷增加，使得它很難停下來。這是由于產(chǎn)生的熱量和產(chǎn)生慣性力的增加，從而影響到機械部件。傳統(tǒng)上，使用機械，氣動和液壓系統(tǒng)的制動力[ 1 ]。這些系統(tǒng)包括大量的組件，具有高的慣性。這會導(dǎo)致反應(yīng)遲鈍和低可靠性。此外，該系統(tǒng)降低速度值，制動命令，停止時間是由操作員控制。此外，制動操作的環(huán)境條件和制動墊的變化，如磨損的影響，一些現(xiàn)代制動系統(tǒng)被引入來克服這些困難。電動摩擦制動系統(tǒng)采用電流直接控制制動力。它是用在中型拖車[ 2 ]。在汽車防抱死制動系統(tǒng)防止鎖定車輪幫助司機保持控制制動時在濕滑的條件[ 3 ]。楔式制動器是一種完全控制的機電制動系統(tǒng)。它將車輛的動能轉(zhuǎn)換成放大的制動力，使用楔機構(gòu)。在能源消耗、效率、重量、價格等方面都優(yōu)[4]。磁粉制動器采用感應(yīng)磁場將精細的懸浮鐵氧體顆粒連接到旋轉(zhuǎn)的制動軸。它具有消耗較低的電功率和產(chǎn)生更高的電阻轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點，同時具有較低的重量。磁流變（磁）液體制動由一種流體的剪切力傳遞轉(zhuǎn)矩。制動轉(zhuǎn)矩變化迅速響應(yīng)外部磁場強度[ 5 ]。
在制動系統(tǒng)中,快速從運營商和控制信號制動執(zhí)行機構(gòu)是至關(guān)重要的。因此,使用電信號代替液壓的意思是可取的。因此,X-by-wire的概念是建立在過去的幾年里,許多應(yīng)用程序[6]。在這個概念下,BBW之一應(yīng)用前景。電線的存在輸入/輸出子系統(tǒng)和控制單元之間的簡化相比傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的控制過程。這使得制動系統(tǒng)更安全、響應(yīng)迅速、可靠。此外,它促進了不同控制算法的使用實現(xiàn)高效的制動性能不同環(huán)境和操作條件[7]。主要有兩種類型的BBW[8]。第一個是電動液壓制動,液壓系統(tǒng)產(chǎn)生制動力對感官的反應(yīng)運營商的信號。另一種類型是機電制動器(EMB),電動機產(chǎn)生剎車力。
圖1(a)SMC的開關(guān)函數(shù)和規(guī)則和(b)系統(tǒng)
BBW的最重要的一個特點是它的使用復(fù)雜的控制器或控制集成的能力在這樣的系統(tǒng)。許多研究人員已經(jīng)測試了不同自適應(yīng)控制等控制策略[9],人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10],以及滑模[11]。SMC方法是公認的作為一種最有效的工具用于設(shè)計健壯控制器對于復(fù)雜的高階非線性動態(tài)植物操作在不確定性條件下。在過去的二十年里,SMC方法得到了更多的關(guān)注國際控制社區(qū)[12]。SMC已經(jīng)應(yīng)用檢查各種系統(tǒng)類型包括非線性系統(tǒng)、多輸入多輸出系統(tǒng),離散時間模型,和隨機系統(tǒng)。SMC是最杰出的特性是完全不敏感系統(tǒng)參數(shù)不確定性和外部干擾[13]。
SMC利用高速開關(guān)控制律來驅(qū)動非線性植物的狀態(tài)軌跡到指定開關(guān)表面(S)通過改變開關(guān)信號(胡志明市(S)和統(tǒng)一切換收益。此外,切換增益(坐(s))可以多樣根據(jù)當前狀態(tài)之間的距離和滑動表面。這種方法叫做quasi-SMC(系統(tǒng))。圖1顯示了SMC的開關(guān)函數(shù)和規(guī)則和系統(tǒng)[14]。
電耦合
直流齒輪傳動電動機
譯碼器
交流電動機
飛輪
剎車圓盤
EMBBw
制動器
圖2實驗設(shè)置
2工作目標
斷開時的速度減速控制對斷時間和力的影響。破碎操作存在著許多不確定因素，如剎車片磨損，這會影響制動性能。大量的工作可以在文獻處理BBW主題發(fā)現(xiàn)。不同類型的BBW致動器進行建模、分析和控制，如楔形制動器[15– 19 ]。線性和非線性的控制策略，處理的制動系統(tǒng)和制動功能本身的復(fù)雜性質(zhì)提出[ 19，22 ]。這些方法保證了制動系統(tǒng)的性能，但不幸的是，沒有一個工作可以解決制動系統(tǒng)墊磨損問題，這可能會導(dǎo)致制動系統(tǒng)性能下降[ 23 ]。一些工作的磨損估計可以找到，這提供了在線和離線的方法，在剎車片磨損估計[ 24，26 ]。然而，尋找一種方法，該控制系統(tǒng)可以處理的非線性磨損問題似乎放棄了文學(xué)。本研究的目的是開發(fā)一種增強的滑動模式控制器，用于控制的速度減速和補償墊的磨損的影響。要完成這項任務(wù)，建立一個模型，打破系統(tǒng)的建立和實驗驗證。然后，一個SMC模型應(yīng)用于破碎模型和實驗驗證。
3 BBW實驗室設(shè)置
它連接到免費的轉(zhuǎn)軸與兩個飛輪,代表了機器慣性負載。機電BBW軸連接系統(tǒng)(EMBBW)。圖2展示了一個示意性的EMBBW。它包括從直流電(DC)齒輪減速電機,這是由速度控制的脈沖寬度調(diào)制器的電動機旋轉(zhuǎn)螺母機制,部隊的墊磁盤產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。一個精確的和可編程的編碼器微控制器是用來測量旋轉(zhuǎn)的速度飛輪軸。圖3顯示了系統(tǒng)框圖。
達到負載旋轉(zhuǎn)
剎車圓盤
譯碼器
剎車片
直流齒輪傳動電動機
螺母螺旋機構(gòu)
圖2 EMBBW系統(tǒng)示意圖
EMBBW制動器是控制旋轉(zhuǎn)減速。通過光學(xué)編碼器輸出轉(zhuǎn)速測量并與所需的速度。之間的誤差預(yù)期的和實際使用速度控制器,其中包含SMC算法來補償這種誤差和保證一個可接受的跟蹤系統(tǒng)所需的性能。
4 滑?？刂葡到y(tǒng)建模
圖3顯示，embbw系統(tǒng)由直流電機、絲杠螺母機構(gòu)、制動盤、旋轉(zhuǎn)慣性負載的方程，描述了機械系統(tǒng)，是由作者[ 27 ]發(fā)展。直流電動機的電氣和機械的方程可以如下所示：
圖3系統(tǒng)框圖
模型模擬使用了MATLAB軟件包。然后使用實驗室設(shè)置,測試進行了驗證的模型步制動輸入。仿真和測試結(jié)果圖4所示。結(jié)果表明,該模型表示真實系統(tǒng)具有良好的協(xié)議。
時間
系統(tǒng)速度（RPM）
模擬輸出
實際輸出
圖4步制動的仿真和實際測試結(jié)果的輸入
5 SMC
在這一節(jié)中，所提出的滑?？刂破鬟M行了解釋，建模和驗證?？紤]的系統(tǒng)是一個很好的例子，變結(jié)構(gòu)的動態(tài)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以分解為2個結(jié)構(gòu)。第一可變結(jié)構(gòu)是在制動襯墊不在磨損階段的接觸制動鼓。二是接觸相，當墊接觸鼓，從而導(dǎo)致主動制動功能。SMC是行之有效的處理這類系統(tǒng)的滑動動作是在這兩個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[ 12 ]之間的切換發(fā)生。雙控制器設(shè)計研究。第一個是QSMC，二是提出了有界的滑?？刂破鳎˙SMC）兩邊界：上下。該控制器是用來降低抖振現(xiàn)象的影響，這似乎在原SMC單滑動面。圖6顯示了2個控制器的切換函數(shù)和規(guī)則。QSMC方法[ 12,28 ]彌補制動片磨損的非線性性質(zhì)的著名的魯棒性。在這種方式中，所提出的方法確保了一致的制動功能，這是一個重要的縱向車輛制動動力學(xué)的要求
使用MATLAB / EMBBW系統(tǒng)模擬仿真軟件方案。在圖7中,仿真軟件屏幕顯示的快照仿真框圖。仿真軟件框圖圖7表示滑模算法。因為它可以看到實際的和預(yù)期的速度之間的誤差信號致動器的控制命令切換直流電機進行補償對于任何非線性導(dǎo)致錯誤之間輸入和輸出。仿真結(jié)果的樣本所示圖8所示。在這個模擬過程中,慣性負載的起動速度1500 rpm,停車時間是20年代。減速命令是線性的610 rpm的邊界。結(jié)果表明,所需的制動時間達到可接受的精度?；瑒用?代表所需的速度剎車,后面是和速度范圍內(nèi)。
圖6(a)的開關(guān)函數(shù)和規(guī)則BSMC和(b)系統(tǒng)
電涌保護器的車輛
圖7的仿真軟件的屏幕快照BSMC框圖
6實驗和結(jié)果
已經(jīng)進行了一些實驗，以驗證所提出的控制器的有效性。QSMC和所得的策略被應(yīng)用到embbw試驗臺。慣性負載的起動轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)。停止時間變化從10到20秒的速度減少命令是線性的邊界為610轉(zhuǎn)和620轉(zhuǎn)。此外，測試進行了新的和磨損墊。圖8顯示一個測試結(jié)果的樣本。數(shù)字顯示了所需的速度減少命令，它代表的滑動模式表面的上限和下限是SMC的界限。
系統(tǒng)速度
時間
下限
上限
模擬輸出
期望速度
圖8的模擬結(jié)果EMBBW使用BSMC(制動時間是20s，誤差為610 rpm)的邊界
圖9顯示了應(yīng)用QSMC目標停止時間20秒610轉(zhuǎn)的邊界直線命令的結(jié)果。結(jié)果表明：實際停車時間為19.93秒，平均速度跟蹤絕對誤差為30轉(zhuǎn)，標準偏差為18轉(zhuǎn)。而運用類似的試驗條件下所得試驗結(jié)果如圖10所示。在本次試驗中，實際停留時間為19.99秒，平均速度跟蹤絕對誤差為33轉(zhuǎn)，標準偏差為25轉(zhuǎn)。在兩種情況下，停止時間的誤差太小，所需的和實際速度之間的偏差是大的，在第一個5秒，隨時間的推移而減小。平均絕對誤差及其標準偏差被接受在這種類型的應(yīng)用程序。此外，還有QSMC和BSMC結(jié)果之間無顯著性差異。
圖11和圖12顯示的應(yīng)用與磨損墊embbw所得試驗結(jié)果。所需的停止時間為10秒的線性制動命令的邊界為610轉(zhuǎn)和620，分別為在窄邊界的610轉(zhuǎn)的情況下，停止時間是9.8秒，平均速度跟蹤絕對誤差是32.6轉(zhuǎn)的標準偏差為36轉(zhuǎn)。而在寬界限的620轉(zhuǎn)的情況下，停止時間為10.1秒，平均速度跟蹤絕對誤差為44轉(zhuǎn)，標準偏差為34轉(zhuǎn)。眾所周知，墊的磨損可能會導(dǎo)致在制動系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題。這種易變性使得車輛駕駛員承擔全控制車輛縱向動力學(xué)更難。因此，安全是一個重大問題，特別是在現(xiàn)在的情況下避免事故，車輛隊列，和危險動作。結(jié)果表明，所提出的控制器是成功地能夠?qū)崿F(xiàn)所需的停機時間與小錯誤。系統(tǒng)速度的平均絕對誤差較小的情況下，窄的邊界比寬的一個。而標準差的標準偏差沒有顯著差異。此外，在新和舊墊幾乎是類似的案例加以表現(xiàn)。
時間
系統(tǒng)速度
絕對錯誤
實際速度
下限
期望速度
上限
圖9應(yīng)用系統(tǒng)的測試結(jié)果EMBBW(制動時間是20年代610 rpm)的邊界
時間
系統(tǒng)速度
絕對錯誤
實際速度
下限
上限
期望速度
圖10測試結(jié)果應(yīng)用BSMC EMBBW(制動時間是20年代610 rpm)的邊界
實際輸出
絕對錯誤
下限
上限
期望輸出
圖11測試結(jié)果應(yīng)用BSMC EMBBW與穿墊(制動時間是10年代610 rpm)的邊界
預(yù)期的和實際的區(qū)別速度提出了絕對誤差。結(jié)果總結(jié)如表1所示。
實驗
邊界
(轉(zhuǎn))
想要阻止時間(年代)
平均絕對速度誤差(rpm)
錯誤的標準
偏差(rpm)
實際停止
時間(年代)
QSMC
±20
20
43.2726
37.84
19.93
QSMC
±10
20
30.22
17.99
19.933
BSMC
±20
20
34.675
30.371
19.89
BSMC
±10
20
33.789
25.649
19.992
BSMC
±20
15
48.04
37.555
15.12
BSMC
±10
15
46.059
30.178
14.92
BSMC
±20
10
44.23
34.589
10.139
BSMC
±10
10
32.64
36.76
9.846
表1總結(jié)的結(jié)果
7結(jié)論
在本研究中，機電BBW系統(tǒng)的設(shè)計、研究、建模和模擬。的embws模型和仿真實驗的一個專門開發(fā)的試驗驗證。結(jié)果表明模擬和實驗工作之間可以接受的匹配。兩種滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，擬有界，應(yīng)用于embws。兩控制器進行仿真的結(jié)果表明，預(yù)期的和實際制動時間和制動減速度的命令之間的匹配。進行了幾個測試，以驗證模擬工作?？刂撇呗允浅晒Φ模趯崿F(xiàn)所需的停止時間與高精度和命令的速度減少，可以接受的錯誤。此外，使用2個控制器之間沒有顯著差異。然而，該所得是簡單的，不需要在控制制動器的速度值。此外，試驗進行了磨損墊和所得控制器。結(jié)果表明，在實現(xiàn)的實際和期望的速度減少制動命令的停止時間和可以接受的匹配的高精度。因此，擬議的控制器成功地補償磨損墊的效果。作為一個最終的結(jié)論，BSMC控制成功地應(yīng)用于embws在新和舊墊的情況下，所需的停止時間和減速命令達到可接受的精度。
命名法
a^=螺紋角
Cm=粘性摩擦系數(shù)
Cv=旋轉(zhuǎn)慣性粘性阻尼系數(shù)
Dm=螺紋中徑
Faxial=螺桿軸向力
Im=電機相電流
Is=螺釘和螺母之間摩擦系數(shù)
Jm=電動機慣性
Jv=旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性矩
K=EMB致動器的剛度
Kemf=電機反電動勢不變
Ktm=電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)
Lm=感應(yīng)電動機階段
Ps=螺紋螺距
Rm=電動機相抗
Rmp=剎車片的平均半徑轉(zhuǎn)子接觸摩擦區(qū)域
Tb=旋轉(zhuǎn)磁盤制動轉(zhuǎn)矩
Tg=電動機轉(zhuǎn)矩
Vm=電機電壓
θg=輸出角位置的電動機
Θv=旋轉(zhuǎn)慣性角位移
Θm=電機角速度
Θm=運動角加速度
Μp=剎車片轉(zhuǎn)子動態(tài)摩擦系數(shù)
12
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附件：外文資料原文
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