機(jī)電工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)外文資料翻譯
設(shè)計(jì)題目: ZQ1050型商用車制動(dòng)系設(shè)計(jì)
譯文題目: 利用滑模控制器增強(qiáng)線控制動(dòng)系統(tǒng)
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文獻(xiàn)出處：《動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，測(cè)量和控制》期刊 2016年4月，第138期
使用滑?？刂破髟鰪?qiáng)線控制動(dòng)系統(tǒng)
Mostafa R. A. Atia,Salem A. Haggag ,Ahmed M. M. Kamal
(1.AASTMT工學(xué)院機(jī)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(jī)電一體化,開羅,埃及)
摘要：線控制動(dòng)的重要性(BBW)系統(tǒng)擺脫它取代的事實(shí)所有傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)組件和電子信號(hào)之間的傳感器、控制模塊和電動(dòng)制動(dòng)執(zhí)行器。這種轉(zhuǎn)換已經(jīng)極大地導(dǎo)致了制動(dòng)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),對(duì)BBW系統(tǒng)進(jìn)行建模并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。SMC策略應(yīng)用于模型和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。此外,本研究著重于補(bǔ)償磨損的影響對(duì)制動(dòng)性能墊。實(shí)驗(yàn)研究表明,開發(fā)的系統(tǒng)模型給出了匹配結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(cuò)誤。應(yīng)用的SMC試驗(yàn)臺(tái)顯示了良好的性能和可接受的偏差。此外,實(shí)驗(yàn)表明,該控制策略能夠補(bǔ)償制動(dòng)磨損墊,保持跟蹤制動(dòng)命令。
關(guān)鍵詞：線控制動(dòng)；滑?？刂?；建模與仿真
1介紹
在機(jī)械系統(tǒng)中，線控制動(dòng)是一種重要的安全裝置，制動(dòng)器將運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(lái)。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(jī)械部件。傳統(tǒng)上，使用機(jī)械，氣動(dòng)和液壓系統(tǒng)的制動(dòng)力[ 1 ]。這些系統(tǒng)包括大量的組件，具有高的慣性。這會(huì)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(dòng)命令，停止時(shí)間是由操作員控制。此外，制動(dòng)操作的環(huán)境條件和制動(dòng)墊的變化，如磨損的影響，一些現(xiàn)代制動(dòng)系統(tǒng)被引入來(lái)克服這些困難。電動(dòng)摩擦制動(dòng)系統(tǒng)采用電流直接控制制動(dòng)力。它是用在中型拖車[ 2 ]。在汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)防止鎖定車輪幫助司機(jī)保持控制制動(dòng)時(shí)在濕滑的條件[ 3 ]。楔式制動(dòng)器是一種完全控制的機(jī)電制動(dòng)系統(tǒng)。它將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成放大的制動(dòng)力，使用楔機(jī)構(gòu)。在能源消耗、效率、重量、價(jià)格等方面都優(yōu)[4]。磁粉制動(dòng)器采用感應(yīng)磁場(chǎng)將精細(xì)的懸浮鐵氧體顆粒連接到旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)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(diǎn)，同時(shí)具有較低的重量。磁流變（磁）液體制動(dòng)由一種流體的剪切力傳遞轉(zhuǎn)矩。制動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化迅速響應(yīng)外部磁場(chǎng)強(qiáng)度[ 5 ]。
在制動(dòng)系統(tǒng)中,快速?gòu)倪\(yùn)營(yíng)商和控制信號(hào)制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是至關(guān)重要的。因此,使用電信號(hào)代替液壓的意思是可取的。因此,X-by-wire的概念是建立在過(guò)去的幾年里,許多應(yīng)用程序[6]。在這個(gè)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(jiǎn)化相比傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的控制過(guò)程。這使得制動(dòng)系統(tǒng)更安全、響應(yīng)迅速、可靠。此外,它促進(jìn)了不同控制算法的使用實(shí)現(xiàn)高效的制動(dòng)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(gè)是電動(dòng)液壓制動(dòng),液壓系統(tǒng)產(chǎn)生制動(dòng)力對(duì)感官的反應(yīng)運(yùn)營(yíng)商的信號(hào)。另一種類型是機(jī)電制動(dòng)器(EMB),電動(dòng)機(jī)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(gè)特點(diǎn)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(cè)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(rèn)的作為一種最有效的工具用于設(shè)計(jì)健壯控制器對(duì)于復(fù)雜的高階非線性動(dòng)態(tài)植物操作在不確定性條件下。在過(guò)去的二十年里,SMC方法得到了更多的關(guān)注國(guó)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(shí)間模型,和隨機(jī)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(lái)驅(qū)動(dòng)非線性植物的狀態(tài)軌跡到指定開關(guān)表面(S)通過(guò)改變開關(guān)信號(hào)(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(dāng)前狀態(tài)之間的距離和滑動(dòng)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(dòng)電動(dòng)機(jī)
譯碼器
交流電動(dòng)機(jī)
飛輪
剎車圓盤
EMBBw
制動(dòng)器
圖2實(shí)驗(yàn)設(shè)置
2工作目標(biāo)
斷開時(shí)的速度減速控制對(duì)斷時(shí)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(huì)影響制動(dòng)性能。大量的工作可以在文獻(xiàn)處理BBW主題發(fā)現(xiàn)。不同類型的BBW致動(dòng)器進(jìn)行建模、分析和控制，如楔形制動(dòng)器[15– 19 ]。線性和非線性的控制策略，處理的制動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)功能本身的復(fù)雜性質(zhì)提出[ 19，22 ]。這些方法保證了制動(dòng)系統(tǒng)的性能，但不幸的是，沒有一個(gè)工作可以解決制動(dòng)系統(tǒng)墊磨損問(wèn)題，這可能會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)性能下降[ 23 ]。一些工作的磨損估計(jì)可以找到，這提供了在線和離線的方法，在剎車片磨損估計(jì)[ 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(wèn)題似乎放棄了文學(xué)。本研究的目的是開發(fā)一種增強(qiáng)的滑動(dòng)模式控制器，用于控制的速度減速和補(bǔ)償墊的磨損的影響。要完成這項(xiàng)任務(wù)，建立一個(gè)模型，打破系統(tǒng)的建立和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。然后，一個(gè)SMC模型應(yīng)用于破碎模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
3 BBW實(shí)驗(yàn)室設(shè)置
它連接到免費(fèi)的轉(zhuǎn)軸與兩個(gè)飛輪,代表了機(jī)器慣性負(fù)載。機(jī)電BBW軸連接系統(tǒng)(EMBBW)。圖2展示了一個(gè)示意性的EMBBW。它包括從直流電(DC)齒輪減速電機(jī),這是由速度控制的脈沖寬度調(diào)制器的電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)螺母機(jī)制,部隊(duì)的墊磁盤產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。一個(gè)精確的和可編程的編碼器微控制器是用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)的速度飛輪軸。圖3顯示了系統(tǒng)框圖。
達(dá)到負(fù)載旋轉(zhuǎn)
剎車圓盤
譯碼器
剎車片
直流齒輪傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)
螺母螺旋機(jī)構(gòu)
圖2 EMBBW系統(tǒng)示意圖
EMBBW制動(dòng)器是控制旋轉(zhuǎn)減速。通過(guò)光學(xué)編碼器輸出轉(zhuǎn)速測(cè)量并與所需的速度。之間的誤差預(yù)期的和實(shí)際使用速度控制器,其中包含SMC算法來(lái)補(bǔ)償這種誤差和保證一個(gè)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(jī)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、制動(dòng)盤、旋轉(zhuǎn)慣性負(fù)載的方程，描述了機(jī)械系統(tǒng)，是由作者[ 27 ]發(fā)展。直流電動(dòng)機(jī)的電氣和機(jī)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(shí)驗(yàn)室設(shè)置,測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證的模型步制動(dòng)輸入。仿真和測(cè)試結(jié)果圖4所示。結(jié)果表明,該模型表示真實(shí)系統(tǒng)具有良好的協(xié)議。
時(shí)間
系統(tǒng)速度（RPM）
模擬輸出
實(shí)際輸出
圖4步制動(dòng)的仿真和實(shí)際測(cè)試結(jié)果的輸入
5 SMC
在這一節(jié)中，所提出的滑?？刂破鬟M(jìn)行了解釋，建模和驗(yàn)證。考慮的系統(tǒng)是一個(gè)很好的例子，變結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以分解為2個(gè)結(jié)構(gòu)。第一可變結(jié)構(gòu)是在制動(dòng)襯墊不在磨損階段的接觸制動(dòng)鼓。二是接觸相，當(dāng)墊接觸鼓，從而導(dǎo)致主動(dòng)制動(dòng)功能。SMC是行之有效的處理這類系統(tǒng)的滑動(dòng)動(dòng)作是在這兩個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[ 12 ]之間的切換發(fā)生。雙控制器設(shè)計(jì)研究。第一個(gè)是QSMC，二是提出了有界的滑模控制器（BSMC）兩邊界：上下。該控制器是用來(lái)降低抖振現(xiàn)象的影響，這似乎在原SMC單滑動(dòng)面。圖6顯示了2個(gè)控制器的切換函數(shù)和規(guī)則。QSMC方法[ 12,28 ]彌補(bǔ)制動(dòng)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(dòng)功能，這是一個(gè)重要的縱向車輛制動(dòng)動(dòng)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?yàn)樗梢钥吹綄?shí)際的和預(yù)期的速度之間的誤差信號(hào)致動(dòng)器的控制命令切換直流電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償對(duì)于任何非線性導(dǎo)致錯(cuò)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(gè)模擬過(guò)程中,慣性負(fù)載的起動(dòng)速度1500 rpm,停車時(shí)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(dòng)時(shí)間達(dá)到可接受的精度?；瑒?dòng)面,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(hù)器的車輛
圖7的仿真軟件的屏幕快照BSMC框圖
6實(shí)驗(yàn)和結(jié)果
已經(jīng)進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)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(yàn)臺(tái)。慣性負(fù)載的起動(dòng)轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)。停止時(shí)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(cè)試進(jìn)行了新的和磨損墊。圖8顯示一個(gè)測(cè)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(dòng)模式表面的上限和下限是SMC的界限。
系統(tǒng)速度
時(shí)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(dòng)時(shí)間是20s，誤差為610 rpm)的邊界
圖9顯示了應(yīng)用QSMC目標(biāo)停止時(shí)間20秒610轉(zhuǎn)的邊界直線命令的結(jié)果。結(jié)果表明：實(shí)際停車時(shí)間為19.93秒，平均速度跟蹤絕對(duì)誤差為30轉(zhuǎn)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為18轉(zhuǎn)。而運(yùn)用類似的試驗(yàn)條件下所得試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。在本次試驗(yàn)中，實(shí)際停留時(shí)間為19.99秒，平均速度跟蹤絕對(duì)誤差為33轉(zhuǎn)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為25轉(zhuǎn)。在兩種情況下，停止時(shí)間的誤差太小，所需的和實(shí)際速度之間的偏差是大的，在第一個(gè)5秒，隨時(shí)間的推移而減小。平均絕對(duì)誤差及其標(biāo)準(zhǔn)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(wú)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(yàn)結(jié)果。所需的停止時(shí)間為10秒的線性制動(dòng)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(shí)間是9.8秒，平均速度跟蹤絕對(duì)誤差是32.6轉(zhuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為36轉(zhuǎn)。而在寬界限的620轉(zhuǎn)的情況下，停止時(shí)間為10.1秒，平均速度跟蹤絕對(duì)誤差為44轉(zhuǎn)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為34轉(zhuǎn)。眾所周知，墊的磨損可能會(huì)導(dǎo)致在制動(dòng)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問(wèn)題。這種易變性使得車輛駕駛員承擔(dān)全控制車輛縱向動(dòng)力學(xué)更難。因此，安全是一個(gè)重大問(wèn)題，特別是在現(xiàn)在的情況下避免事故，車輛隊(duì)列，和危險(xiǎn)動(dòng)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(jī)時(shí)間與小錯(cuò)誤。系統(tǒng)速度的平均絕對(duì)誤差較小的情況下，窄的邊界比寬的一個(gè)。而標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間
系統(tǒng)速度
絕對(duì)錯(cuò)誤
實(shí)際速度
下限
期望速度
上限
圖9應(yīng)用系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果EMBBW(制動(dòng)時(shí)間是20年代610 rpm)的邊界
時(shí)間
系統(tǒng)速度
絕對(duì)錯(cuò)誤
實(shí)際速度
下限
上限
期望速度
圖10測(cè)試結(jié)果應(yīng)用BSMC EMBBW(制動(dòng)時(shí)間是20年代610 rpm)的邊界
實(shí)際輸出
絕對(duì)錯(cuò)誤
下限
上限
期望輸出
圖11測(cè)試結(jié)果應(yīng)用BSMC EMBBW與穿墊(制動(dòng)時(shí)間是10年代610 rpm)的邊界
預(yù)期的和實(shí)際的區(qū)別速度提出了絕對(duì)誤差。結(jié)果總結(jié)如表1所示。
實(shí)驗(yàn)
邊界
(轉(zhuǎn))
想要阻止時(shí)間(年代)
平均絕對(duì)速度誤差(rpm)
錯(cuò)誤的標(biāo)準(zhǔn)
偏差(rpm)
實(shí)際停止
時(shí)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(jī)電BBW系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研究、建模和模擬。的embws模型和仿真實(shí)驗(yàn)的一個(gè)專門開發(fā)的試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明模擬和實(shí)驗(yàn)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(jìn)行仿真的結(jié)果表明，預(yù)期的和實(shí)際制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)減速度的命令之間的匹配。進(jìn)行了幾個(gè)測(cè)試，以驗(yàn)證模擬工作?？刂撇呗允浅晒Φ?，在實(shí)現(xiàn)所需的停止時(shí)間與高精度和命令的速度減少，可以接受的錯(cuò)誤。此外，使用2個(gè)控制器之間沒有顯著差異。然而，該所得是簡(jiǎn)單的，不需要在控制制動(dòng)器的速度值。此外，試驗(yàn)進(jìn)行了磨損墊和所得控制器。結(jié)果表明，在實(shí)現(xiàn)的實(shí)際和期望的速度減少制動(dòng)命令的停止時(shí)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(bǔ)償磨損墊的效果。作為一個(gè)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(shí)間和減速命令達(dá)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(jī)相電流
Is=螺釘和螺母之間摩擦系數(shù)
Jm=電動(dòng)機(jī)慣性
Jv=旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性矩
K=EMB致動(dòng)器的剛度
Kemf=電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)不變
Ktm=電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)
Lm=感應(yīng)電動(dòng)機(jī)階段
Ps=螺紋螺距
Rm=電動(dòng)機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩
Tg=電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩
Vm=電機(jī)電壓
θg=輸出角位置的電動(dòng)機(jī)
Θv=旋轉(zhuǎn)慣性角位移
Θm=電機(jī)角速度
Θm=運(yùn)動(dòng)角加速度
Μp=剎車片轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)
12
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附件：外文資料原文
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