控制与防滑

2024-11-02

控制与防滑（精选7篇）

控制与防滑篇1

0 引言

进入21世纪以来,随着航空技术、计算机技术以及控制技术的发展,对飞机的安全性、稳定性和可靠性提出了更高的要求,而作为机载设备的飞机防滑刹车系统对飞机的着陆起着非常关键的作用。因此,传统的集中式液压系统已经不能满足要求,故采用电作动成为航空技术发展的必然趋势,这就是多电飞机技术。而全电刹车系统就是多电飞机的一个重要的子系统,故对它的研究对我国多电飞机发展具有重大现实意义。

飞机全电刹车系统与传统液压刹车系统相比具有很大优势,本文设计了一种双余度的飞机全电刹车数字防滑控制器,控制器采用高性能的数字信号处理器,外围电路简单,实时性高并且容易实现,极大地提高了全电刹车系统的综合性能。

1 飞机防滑刹车控制系统的双余度设计

余度技术是一种具有自动屏蔽故障、切除故障部件,甚至具有故障自恢复能力的技术,它容许系统出现一次或一次以上的故障。余度技术的应用使得系统的可靠性和稳定性得以提高,所以现在的系统设计中多采用余度技术来提高系统性能。实现余度技术的方法通常是在系统中采用两个或两个以上部件、分系统或通道,并且每个都能独立执行给定功能;或者采用监控装置来进行故障检测、完成指示、自由切换或自动转换功能,也可以采用以上两种方法的组合在系统设计中应用。

采用非相似余度可以阻止共性故障的发生,增加系统的可靠性,所以在飞机数字防滑刹车控制系统中采用了硬件非相似双余度结构设计,即控制器中设计有主副两块控制板,分别选用不同的控制芯片及外围电路,并在不同的编程环境下进行软件程序的编写。图1为控制器双余度结构框图。其中主副控制板均可独立进行飞机防滑刹车控制,故障监控板在系统上电时完成对控制器的双通道自检,在进行防滑刹车时对主副控制板的输出信号进行实时监控,通过输出通道仲裁实现输出正常通道刹车控制信号,切除故障通道,从而增加了系统的可靠性。

2 系统的硬件设计

系统中主控制板在常用的TMS320F240基础上采用运算速率更快、功能更强、可靠性更高的TMS320F2812 DSP作为CPU;副控制板采用性能稳定的AVR系列单片机ATmega128作为CPU;故障监控模块选用AVR系列单片机ATmega16作为CPU。主/副控制板均可独立工作,并结合外围电路,实现对8路通道的飞机防滑刹车控制。故障监控模块在系统上电检测时可输出对控制板的检测信号,在刹车工作时进行主/副控制通道的故障监控,并根据故障情况进行通道切换,实现系统余度要求。下面介绍硬件设计中的几个关键部分。

2.1 通道切换电路

本文设计的双余度飞机刹车控制系统中,使用的是硬件非相似余度技术,两个通道硬件结构不同,互为备份,一个通道工作时,另一个通道作为热备份通道,当一个通道出现故障时,故障监控模块通过通道切换电路将故障电路切除,使备份通道进入系统工作。由于系统要求对多路模拟信号进行切换,所以在通道切换电路中使用多路切换芯片CD4053。

如图2所示,该切换电路可以实现8路信号的切换,一组信号从U1,U2,U3的ax,bx,cx(共九个输入通道)输入,另一组从ay,by,cy输入,通过A,B,C来控制切换,切换后的信号从U1,U2,U3的a,b,c输出。其中,切换信号由CPU芯片的I/O端口控制。

2.2 输出仲裁电路

系统输出仲裁电路中,使用CD4053进行主/副控制板的输出通道切换,切换控制信号电路由带复位功能的双路可再触发单稳多谐振荡器54HC123、光耦隔离器及相关的电阻电容组成。系统工作时54HC123的PIN9端口不断接收CPU输出的控制信号,其输出端CS输出高电平,在控制板故障时,PIN9接收不到控制信号,CS输出为低电平。控制信号经光耦隔离后,通过CD4053实现输出通道切换,即系统输出通道由故障板切换至备用板,实现余度切换技术。输出仲裁电路如图3所示。

2.3 整形电路

整形电路如图4所示,主要由电压比较电路、高通滤波电路及相关电阻电容等组成。LM358是内部包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,电路中将LM358接成正反馈方式以获得具有施密特特性的比较器,并通过抬高比较电平以提高系统的抗干扰能力。比较器负端的基准电平是与输入信号叠加而得到的,与正端的基准电平是不一样的,可以对低温漂移进行补偿。从轮速传感器发出的正弦波信号LSpeed经过由C30,R7组成的高通滤波器后,与基准电压叠加后进行比较,当输入电压高于正端电压时,Fout端输出低电平,反之输出高电平,即得到要求的方波信号。

2.4 频率电压(f/V)转换电路

频率电压(f/V)转换电路如图5所示,主要包括:由运算放大器组成的积分电路,由精密电阻R62,R69,C19组成的积分回路;由二极管VD15,VD12组成的分时导通电路;由R71,C37,C39组成的稳压电路。方波信号通过分时导通电路及积分电路,由于累加效应将其转换为与方波频率成正比的电压信号。

2.5 D/A输出电路模块

D/A输出电路模块中的转换器件采用美国AD公司的并行8位数模转换器AD7226,具有4通道输出,内部包括输出滤波器,完善的微处理器接口,外部需要接+10V参考电压。具体D/A转换电路如图6所示,CPU计算的防滑控制信号在输出时为数字量,经D/A转换器AD7226转换为电压信号;AD7226的数据总线接CPU的数据总线低8位,片选信号由相应译码电路获得,低电平有效。其4路输出通道由CPU的地址线控制,分别用于防滑控制信号的输出。

3 防滑刹车系统的软件设计

系统基于余度技术的非相似性思想,飞机数字防滑刹车控制器的主/副控制板采用不同的硬件设计,分别针对主/副控制板不同的控制芯片及外围设备进行软件程序的编写,主控制板的程序基于DSP芯片TMS320F2812,副控制板基于单片机ATmega128。软件主要采用C语言编程,部分子程序采用C语言与汇编语言混合编程。软件结构采用前后台系统设计,主程序是一个死循环结构,通过函数调用和全局变量与子程序进行参数传递。每一次控制过程的衔接是通过定时器中断来完成,对实时性要求较高的任务均采用中断服务程序的方式处理。

当主程序开始后,首先调用初始化子程序,对系统硬件和定义的全局变量进行初始化,然后进行系统的上电检测,即通过故障监控模块对主副控制板进行故障检测,判断其是否正常,若正常无故障,则优先使用主控制板进行刹车控制,副控制板作为热备份,反之主控制板故障,系统直接切换至副控制板工作。上电检测结束后,当定时中断到来时,进入主循环体,首先对开关量进行采集,再启动A/D转换采集飞行员脚踩刹车压力及机轮速度信号、计算机轮速度信号和指令信号,接着确定刹车状态,以此来实施防滑刹车的具体分支操作。随后调用故障诊断子程序计算故障代码,继而进入防滑控制子程序。防滑控制子程序是系统中最关键的部分,采用了速度差加偏压控制(PBM+PD)控制策略,计算应输出的防滑刹车控制电流。由算法得出结果后,系统调用D/A转换,输出这一时刻的防滑刹车控制电流。最后在输出防滑刹车控制电流后,综合故障检测所得的故障代码及部分控制参数,利用ANRIC429总线通信向机载计算机发送故障字。系统软件流程框图如图7所示。

4 结语

本文分析了飞机双余度防滑刹车系统的基本组成及工作原理,详细论述了其核心部分防滑刹车控制系统的软硬件设计。目前已完成飞机防滑刹车控制器的软硬件联调试验,在完成基于速度差和压力偏调控制方式下数字防滑刹车控制盒研制的基础上,在惯性模拟实验台上进行了一系列的实验,其结果表明,该防滑刹车控制系统工作稳定可靠,结构简单,易于实现,能够满足飞机全电防滑刹车的要求。

飞机全电刹车的研究在我国还处于起步研究阶段,该课题的研究对于我国飞机刹车的发展具有重要意义。

摘要：飞机防滑刹车控制器是飞机制动系统的核心系统。设计了一种双余度的新型数字防滑刹车控制器,结合飞机防滑刹车系统的功能要求,提出了以多通道、硬件非相似双余度的刹车控制器设计方案,采用速度差加压力偏调(PBM+PD)控制算法,完成了飞机防滑刹车控制器的软硬件设计及系统调试。试验结果表明,该防滑刹车控制系统工作稳定可靠,结构简单,易于实现,能够满足飞机全电防滑刹车的要求。

关键词：防滑刹车,速度差加偏压控制,双余度,控制器

参考文献

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控制与防滑篇2

1 电子差速与驱动防滑控制系统设计

1.1 系统整体设计

整个控制系统分信号采集处理和驱动控制系统两部分。通过前轮转角传感器测得前轮转角、电子油门踏板传感器测得加速度, 并传给中央处理器进行分析, 得到前轮转向打角和油门开度;并基于电子差速策略得到两个后轮的速度值, 转换成PWM信号输出, 实现对后轮轮毂电机的差速闭环控制。无线调试模块NRF24L01将试验车的数据通过无线传给PC进行数据分析和调试。

1.2 整车控制器设计

1.2.1 控制器硬件设计

控制器硬件主要包括电源模块、单片机最小系统、信号调理电路、PWM输出电路模块、数据通信接口电路模块和测速模块的设计。

1.2.2 控制器软件架构

利用Coidwarrior编程环境, 采用程序模块化的开发思路, 采用PIT定时控制, 脉冲定时器和CD4040芯片读取两轮毂电机速度值。AD模块读得转角传感器和电子油门踏板值的值, 变换成前轮转角和加速度, 经PID控制PWM输出, 进而控制轮速。

2 电子差速控制试

2.1 电子差速基本原理

参考阿克曼 (Ackerman) 转向原理。可以知道当车体以某一转角转向时, 两者存在差速, 即线速度V1/V2=常数, 可以根据转角自动决策左右轮的转速, 使其实时配合前轮转角, 实现正确的转向。

2.2 电子差速实验

基于实验样车, 在操场上分别进行了直道和弯道实车试验。每种情况至少采集3组, 以确保数据的准确性。

综合以上四图, 在直道和弯道行驶时没有出现超调现象, 总体上达到控制要求。

3 驱动防滑控制试验研究

3.1 驱动轮滑移率测试原理

本文电子差速控制的基础上进行驱动防滑控制研究, 根据速度传感器, 以前轮传感器数值做为车速, 后轮传感器数值作为驱动轮速度, 根据滑移率计算公式δ= (Vt-Va) /Vt×100%, 进行滑移率的实时检测。

3.2 驱动轮滑移率实验

测得模拟冰面和模拟雪面滑动时u-S曲线, 然后把滑移率检测值与经验最优滑移率比较。进行PID闭环控制, 将滑移率始终控制在15%~20%之间, 从而提高牵引力和保持行驶稳定性。

4 电子差速与驱动防滑集成控制系统

基于自制实验样车, 用阿克曼模型的改进模型, 以驱动轮转矩为控制量, 以内侧驱动轮的滑移率为基准和外侧驱动轮滑移率与其均衡为目标进行电子差速控制策略, 并进行CARSIM离线仿真验证。基于轮胎与路面的附着特性参数动态变化特性进行路面和最佳滑移率的实时识别研究。依据电动轮驱动汽车的电子差速和驱动防滑控制的共性特点, 将两者集成控制。实验结果表明, 该控制系统设计正确, 能满足要求, 能基于试验样车实现分布式驱动电动汽车的电子差速与驱动防滑集成控制功能。

5 结语

电子差速与驱动防滑集成控制, 简化了整车结构, 提高了传动效率。XS128系列芯片具有16位微控制器的处理能力, CPU工作频率最高可达40MHz, 是一款广泛应用于汽车行业的可编程系统芯片。因此开发出一套完善的电动汽车电子差速与驱动防滑控制系统具有较强的新颖性和前沿性。

本课题的研究虽然取得了一定的结果, 对今后开发后轮驱动电动汽车电子差速和驱动防滑控制提供了一定的参考, 但由于本人专业水平有限、时间仓促及试验条件受限, 研究中难免存在一些不完善之处, 望批评指正。

摘要：本文主要研究整车电子差速控制与驱动防滑控制集成控制策略。研究开发了一款基于Freescale XS128单片机的轮毂电机整车驱动控制器, 根据电动汽车的特殊要求和运行环境, 采用模糊自整定PID控制策略。给出驱动控制器总体设计方案, 运用MatlabSimulink和Carsim进行联合仿真, 结果表明, 该控制系统设计正确, 能满足要求, 进而基于试验样车实现分布式驱动电动汽车的电子差速与驱动防滑集成控制功能。

关键词：电动汽车,后轮驱动,电子差速,驱动防滑

参考文献

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[3]杜志强, 陈慧等.四轮独立驱动电动汽车驱动防滑实车试验[J]湖北汽车工业学院报, 2008.

编组车辆的防滑控制篇3

1 编组车辆防滑控制系统的概要

铁路车辆的ABS一般是将1车4轴作为一组控制对象,由控制对象内的各轴速度,演算出减速度及与其他轴的速度差以检测车辆是否存在滑行。当检出处于滑行状态时,ABS会暂时降低相应车轴的制动力以摆脱滑行,如滑行状态持续或更为严重会进一步降低其制动力,当判断出已经脱离滑行状态时恢复原制动力大小。这样的动作特性是由于ABS能够判断“哪一时刻该增减哪种程度的制动力”。

虽然ABS会相应下调制动力,但却只能在滑行发生之后才进行处理。所以,单独提高ABS的性能对于防止“制动距离增大”和“车轮踏面损伤”有一定的局限性。近年开发了在“编组车辆制动控制系统”中加入ABS的“编组车辆防滑控制系统”,并已经被广泛应用于铁路车辆。

在“编组车辆防滑控制系统”中,由“编组车辆制动控制系统”维持编组全体车辆制动力不变,与此同时,考虑到头车易滑行的倾向,根据编组内各车辆滑行时的幅度( 滑行幅度) ,通过动态增减各车的制动力来减少反复滑行( 见图1) 。并且,搭载了编组车辆制动控制和ABS的车辆,即已搭载了“编组车辆防滑控制系统”,所以无需追加新的装置。

2 现车试验结果

现车试验结果如表1及图2所示。从表1可以看出,“编组车辆防滑控制系统”比独立使用ABS时制动距离和车轮损伤都大幅减少。从图2可以看出,与ABS陡峭的BC压排气曲线不同,“编组车辆防滑控制系统”的BC压呈平缓增减的状态。

注: ※1: 数值是现车试验的平均值。※2: 滑行时钢轨和车轮之间摩擦产生的损伤。

3 结束语

控制与防滑篇4

汽车驱动防滑控制系统 (ASR) 是通过自动控制驱动车轮的驱动力矩, 在汽车驱动起步、加速或减速时使驱动轮不致过度滑转, 以提高汽车的驱动性、稳定性及安全性能的控制系统。

汽车驱动防滑控制系统是在ABS的基础上发展起来的, 很多控制元件是共用的。1971年, BUICK公司研制了驱动防抱死系统, 成为ASR的雏形。该系统是通过电子控制装置自动中断发动机点火, 以减小发动机输出转矩, 防止驱动车轮发生滑转。1985年, VOLVO公司试制了电子牵引力控制系统。该系统通过调节燃油供给量来调节发动机输出转矩, 控制驱动轮滑转率, 提高驱动性能。第二年, BOSCH研制牵引力控制系统。但是, 仅依靠控制输出扭矩未能达到最佳控制效果, 随着ABS技术的不断发展和成熟, 采用制动干预控制的ASR系统通常与ABS集成在一起, 形成ABS/ASR系统。该系统可以更好控制滑转率, 达到最佳控制目标。同年12月, B0SCH公司率先推出ABS/ASR防滑控制系统, 具有防抱死制动和驱动防滑转功能。

ASR主要作用是为了防止汽车在低附着路面上驱动轮滑转, 提高车辆行驶的稳定性、转向操纵能力、加速性能和安全性能[1]。

1 ASR基本原理

驱动防滑控制系统目标是控制驱动轮的滑转率, 而驱动轮的滑转受轮胎和路面之间作用力的影响。汽车加速行驶时, 如果驱动轮上的驱动力过大, 车轮将发生滑转, 车身速度由于车轮滑转而降低, 车轮处于既滚动又滑转状态。那么车轮的瞬时速度Vw与车身相对于路面的瞬时速度Vr之间的关系, 称为滑转率λD。

λD=[ (Vw-Vr) /Vw]×100%

由于汽车行驶的环境具有不确定性, 而且发动机又是动态工况, 对汽车行驶状况产生很多变数, 譬如:当车辆在附着条件一样的路面, 发动机输出功率突然提高, 驱动轮转矩Mn随之增加并超过附着极限时, 车辆驱动力并不随功率提高而加大, 导致车轮产生滑转, 使车辆丧失稳定性和正常操纵性;还有, 当功率突然变小 (仍处于驱动工况) , 且由于发动机制动而使车轮转速受到限制时, 在低附着路面上驱动轮会产生滑转;另种情况, 路面附着系数突然变小, 使得驱动轮附着力随之突然变小而驱动力瞬间超过附着力极限, 驱动轮滑移使车辆丧失稳定性与正常操纵性。

驱动防滑控制系统不仅要能自适应控制驱动力, 还要能根据不同的路面附着系数采用不同的控制方式, 而且要求反应要迅速精确。如何更好识别路面附着系数达到最佳目标滑转率成为ASR研究难点。附着系数大小取决于车轮和地面本身的状况及二者之间的运动状况。由大量的实验证明, 附着系数与滑转率之间存在一定的相互关系, 如图1所示。从图中可以看到, 滑转率随纵向附着系数的增大而增大SS;当滑转率达到某一值时, SS达到最大值;滑转率继续增加, SS反而随之下降;当滑转率达到100%时, 车轮发生纯滑转。横向附着系数Sα随滑转率的增大而急剧减小。因此, 要控制滑转率在最佳目标范围, 如图1中的灰色区域。此处得驱动轮的较大SS, 同时也有比较大的Sα, 不仅具有最大的驱动力, 而且具有较大转向力和防止侧滑的侧向力。

2 ASR系统基本的控制方式

如何控制车辆的滑转率达到最佳目标是ASR研究的主要内容。为了更好控制滑转率大小, 达到最佳目标值, 本文主要研究如何自适应地控制驱动力及制动力, 详细介绍以下控制方式。

2.1 发动机转矩调节方式

发动机转矩调节方式是驱动防滑控制系统最早采用的控制方式, 也是目前最广泛采用的调节方式。它主要是自适应地调节发动机的输出转矩, 使作用于驱动车轮的驱动力矩适度调节, 就可对驱动车轮的滑转率大小进行控制。调节发动机输出转矩的途径主要有调节发动机的进气量、调节发动机的供油量和调整发动机的点火参数[3]。随着汽车电控技术的发展, 汽车发动机的动态参数可以通过电控单元自适应的控制, 而且可以做到更迅速更精确。

2.2 驱动轮制动控制方式

如果只对发动机输出转矩进行控制, 未能达到理想的控制目标。B0SCH公司率先研制ABS/ASR防滑控制系统, 同时具有防抱死制动和驱动防滑转功能。驱动轮制动控制是在发生打滑的驱动轮上施加制动力矩, 使车轮转速下降, 把滑转率大小控制在理想的范围内。但是, 在车轮高速运转情况下, 制动控制方式会导致车辆顿挫抖振, 影响车辆稳定性及车内人的舒适性。如果将制动控制方式配合发动机输出转矩控制是驱动防滑的最佳方式。特别在左右车轮的路面附着系数不一样时, 某个车轮高速运转情况下, 施加适当制动力矩能够起到控制差速作用, 改善汽车的通过性。

2.3 差速锁控制方式

差速锁控制主要是采用锁止式差速器, 它是对普通差速器的革新与改进, 克服了普通差速器只能平均分配转矩的缺点, 大大提高了汽车在对开路面上的动力性和通过性。它通过差速器锁止改变输出转矩的分配, 从而使车辆的运动性能得到了很大的改观。如采用普通开式差速器, 车辆行驶在附着系数差别较大路面时, 左右轮输出扭矩相同, 高附着系数一侧驱动轮的驱动力得不到充分发挥, 限制了车辆的牵引性。如果采用锁止式差速器, 当汽车起步时, 调节差速器的锁止, 能使驱动力充分发挥, 提高车速与行驶稳定性;当左右驱动轮在不同的附着系数路面上或者弯道上行驶时, 能提高汽车通过泥泞路面的能力。差速锁控制方式可以提高车辆的行驶能力、转弯能力及舒适性等。但该方法成本较高, 应用不广泛。

2.4 控制发动机与驱动轮间的联接[4]

控制发动机与驱动轮间的联接, 控制对象是传动系统的传动比。目前, 汽车上可以通过液压系统及电控系统来控制传动比, 从而可以自适应地控制输出转矩。但此方法受机械传动及液压传动本身的限制, 效率不高, 而且控制范围较小。

3 小结

由于以上各种控制方式都有一定的局限性, 所以一般不单独使用某一种控制方式, 而是组合采用。为了更好体现驱动防滑控制效果, 通过比较各种控制方式在单独控制或与其他方式组合调节对汽车牵引性、操纵性、稳定性、舒适性和经济性等性能, 如表1, 可以得出, 点火参数+燃油供给+制动力矩控制这种组合对车辆的操纵性及稳定性表现较好。综合考虑各控制方式的优缺点, 以及实际成本问题, 目前研究大部分采用发动机转矩调节方式和驱动轮制动控制组合方式。

表中:“- -”表示很差, “-”表示较差, “++”表示很好, “+”表示较好, “0”表示基本上无影响

参考文献

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汽车液压防滑电子控制系统分析篇5

1 液压防滑电子控制系统概述

目前普遍应用的汽车电子防滑控制系统是由ABS系统和ASR系统两者共同构成的。ABS系统最先应用在汽车上, 它可以避免汽车制动时因车轮无法及时运转而产生路面滑移的现象, 这对于一些新手驾驶员来说更是至关重要的。ASR系统也就是驱动防滑系统, 可以说这是ABS的升级和补充版, 该系统是为了防止汽车驱动的防滑而诞生的。因为随着汽车数量增加和普及, 人们发现不仅在制动过程中, 汽车驱动车轮也会发生打滑等现象, 这使得汽车的不可操纵性大大增加, 增加了汽车驾驶的危险性。而ASR恰好可以解决这些问题, 提升汽车的安全性, 而且由于其对驱动的控制调节使汽车可以获得更大的驱动力, 在一定程度上提高了汽车行驶的加速度, 也正是如此ASR越来越受到人们的青睐, 得到了良好的发展。

汽车的液压防滑控制系统由来已久, 但是通过电子单元进行控制却是近些年才发展起来。目前我国的汽车制造业相对于发达国家来说还是存在较大的差距, 因而相关技术的自主研发能力也比较弱。但是随着近些年来经济的发展以及国家对行业的重视, 目前的汽车相关技术的研究已经开始逐步发展而且态势良好。

2 ABS和ASR系统原理

2.1 ABS系统工作原理

ABS对汽车的制动车轮进行控制保证汽车的正常行驶。液压电子汽车防滑控制系统是通过对液压压力大小的调节来控制制动力的大小, 从而使制动车轮可以稳定进行转动, 提高汽车的稳定性和安全性。目前普遍采用的ABS系统是液压系统, 采用电子元件对其进行控制。ABS系统分为制动主缸、轮缸、蓄能器、回油泵等部分, 这些部分之间还有电磁线圈进行控制, 也就是控制信号的传导。首先当控制信号发出后通过电磁线圈进行传导, 通过主缸和轮缸之间的换向阀进行液压的控制, 从而控制制动力的大小。当动力过大时需要将液压降低, 这时就需要通过回油泵将多余的油液泵回主缸, 维持整体的稳定。蓄能器的作用如同它的名字一样, 它充当制动液的暂存地, 位于主缸和轮缸的中间部位。换向阀通过控制制动液的流向来控制液压系统内的压力大小, 控制动力的稳定。以上这些部件间的控制信息的传递都是通过电磁线圈内的电流来实现的, 也就是说当汽车行驶状态触发某个命令时控制中芯片通过电流向换向阀发送信号, 换向阀再通过电流对主缸、轮缸、蓄能器的进行控制, 从而达到控制制动液液压大小即制动压力大小的目的。

2.2 ASR系统工作原理

ASR通过对驱动车轮的控制来提升汽车行驶的稳定性, ASR系统是在ABS系统的基础上发展起来的, 因而与ABS系统之间有着密切的关系。ASR系统包括电子控制元件、传感器和命令执行部件几个部分。传感器主要是为了感测车轮速度, 再将感测结果通过电子元件传回中心控制系统, 从而判断汽车的行驶状态从而确定是否要做出防滑措施。ASR的电子控制元件也是ABS的电磁线圈, 两个系统中的电子控制元件的功能相同, 而且共同使用, 两个系统都通过这些元件进行信息的传递, 这些元件也是ABS和ASR进行良好配合的关键。执行结构包括步进电机调节和系统整体压力调节两个部分。首先电控元件通过对传感器传回的车辆行驶数据的分析判断汽车所处的状态, 一旦汽车状态出现异常, 电控元件便向步进电机传达减小副节气门开启程度的命令, 从而减小汽车的驱动力, 进而对汽车的车速进行控制, 防止打滑。但是当副节气门的减小无法降低车速时这时ASR系统的电控元件就向ABS发送减小制动力的命令, 通过对制动压力的调节控制保证汽车行驶的平稳性。

2.3 ABS系统与ASR系统的关系

首先ASR是在ABS的系统上发展起来的, ASR系统对ABS的一些构成元件进行借鉴和优化从而达到对驱动车轮的控制, 但是其很多部分都是直接套用了ABS系统的构成。而且ASR和ABS的电控元件在液压防滑电子控制系统中是共用的, 传感器的原理也大致相似, 且ASR的执行机构还包括对制动压力的控制, 也就是当ASR的驱动压力调节无法实现对车速的控制时需要ABS调节的配合。现有汽车使用的综合系统也是通过ASR和ABS系统两者的相互配合来实现对制动车轮和驱动车轮的整体控制, 两者的配合提高了车辆的防滑性能和可操纵性。

3 液压电子防滑控制系统的控制方式

3.1 ABS系统的控制方式

ABS对汽车制动压力的控制分为提高压力、保持压力稳定和减小压力3个方面。首先是当汽车行驶速度过慢时的压力升高控制, 也可简单称为升压。由于行驶速度过低这时电控元件一般不传达控制信息, 这时的换向阀控制主缸的制动液向轮缸方向流动, 蓄能器以及回油泵都不工作, 这是为了保证汽车不因为行驶速度过慢打滑而进行的升压控制。当汽车行驶速度达到一定的限度时ABS开始进行保压控制, 也就是保证制动动力的稳定。根据车辆性能以及控制装置的不同速度的限定也会有所不同, 当保压命令触发时, ABS主缸和轮缸之间的制动液通道关闭, 制动液不发生流动, 从而保证轮缸内制动压力的稳定。最后是ABS的减压控制, 也就是通过系统内液压的降低减小系统的制动力。这时的电控元件开始进行工作, 电磁换向阀打开轮缸与蓄能器之间的阀门, 并控制轮缸内的制动液向蓄能器的方向流动, 通过降低轮缸内的液压达到降低制动力的目的。

3.2 ASR系统的控制方式

ASR可以通过调节发动机的转矩以及驱动轮的制动力来达到对驱动车轮的控制, 来实现防滑的目的。首先是对发动机的转矩调节。当传感器传回的数据反映车速过快存在危险时, 这时ASR系统的电控元件就开始向执行结构传达命令, 要求其减小发动机的驱动力, 这时步进电机就会对副节气门的开合程度进行调节, 通过减小副节气门的开度减小发动机的空气进量, 进而达到减小发动机动力的目的。除此之外还可以通过动发动机的供油量以及发动机的温度来控制发动机的驱动动力。驱动轮的制动调整也是ASR控制的重要方式。当车速超过一定的界限时ASR的电控元件下达制动的命令, 这样的瞬间制动可以增大制动系统的摩擦力, 从而达到降低车速的目的, 但是这种瞬间制动存在导致制动系统的温度升高, 因而不建议经常采用该种方式。另外一些高端的汽车的ASR通过配备差速锁的方式进行防滑控制。

4 结语

随着人们生活水平提高, 私家车的数量与日俱增, 人们对于汽车安全性、稳定性以及可控制性的要求也日益提高, 而这种将制动与驱动相结合的液压电子防滑控制系统恰恰满足了这些需求, 因而也被广泛应用在汽车上。相关的汽车制造业的科技人员也要注重对于汽车防滑控制系统的研究完善, 不断推动我国汽车制造业的发展。

参考文献

[1]李明, 宋娟.汽车液压防滑电子控制系统研究[J].液压与气动, 2012 (11) :68-70.

[2]魏玉, 尹金楷.汽车驱动防滑控制系统工作性能分析[J].河北北方学院学报, 2013 (4) :25-28.

[3]陈英文.浅谈汽车防滑控制系统的故障判断与维修[J].民营科技, 2011 (6) :140.

控制与防滑篇6

1101工作面系八宝井综采首采工作面, 现处于巷道准备阶段, 即将正式生产。该工作面位于八宝深部-600水平, 上顺标高为-522m、下顺标高为-545m, 工作面平均走向长240m, 平均斜长45m。含煤地层为二迭系山西组之一层煤, 煤层平均厚度5.1m, 煤层倾角38~44°, 平均倾角40°。一般情况下, 煤层倾角大于18°的工作面称之为大倾角工作面。

1 大倾角综采工作面设备下滑分析

1.1 大倾角工作面综采支架受力分析

1.1.1 支架支撑状态受力分析

支架在支撑状态受自身重力G、顶板压力N1、底板支撑力N2和与顶底板间的摩擦力F1、F2。支架的受力分析如图1所示。

式中G—支架的自重;

N1—顶板对支架的压力;N2—底板对支架的支撑力;α—工作面倾角;f1—煤层顶板与支架间的静摩擦因数;f2—煤层底板与支架间的静摩擦因数。

一般的可以近似认为f1、f2相等均为f。则支架下滑的条件为

在正常情况下支架的工作阻力相当于支架的自重的20~40倍, (N1+N2) 是 (N2-N1) 的30~50倍, 支架对岩石的滑动摩擦因数一般为0.3~0.4, 静摩擦因数会更大, f N2+N1N2-N1的值会远大于10, 支架下滑要求tanα>10, 即工作面煤层倾角α>80°。而1101区综采工作面煤层倾角不超过45°, 所以在支架支撑状态不必考虑向下滑动。

1.1.2 支架在移架过程中的受力分析

支架在移架过程中, 主要受自身的重力G、底板的支撑作用力N、支架与底板间的摩擦力F、移溜千斤顶的拉力和支架侧向千斤顶的侧推力F′作用。如图2所示。

对支架进行受力分析:

式中G—支架自重;α—煤层倾角;N—煤层底板对支架的支撑力;F—煤层底板与支架间的摩擦力;F′—支架侧调千斤顶的推力。

支架下滑的条件为Gsinα> (F+F′) 。由方程组 (2) 有:

tanα> (F+F′) /N

其中F=Nf (f≈0.3~0.4) , 支架的侧调千斤顶的侧向推力F'一般为支架自重的0.6~0.8倍, 故tanα>1, 所以在工作面倾角小于45°的情况下, 支架也不会发生向下滑动。

通过以上分析, 工作面倾角小于45°时, 无论支架在支撑状态还是移动过程中都不会因支架自身重力作用下发生向下滑动, 同理输送机也不会克服摩擦阻力向下滑动;导致工作面支架及输送机上窜下跳的主要原因是由于工作面倾斜方向分力的作用使支架与回采方向发生偏移。

1.2 大倾角综采支架及输送机下滑

1.2.1 运输机下滑

引起运输机下滑的因素较多, 但主要原因为下列因素共同作用的结果: (1) 自重下滑:由于运输机有一定的重量, 在斜面上运输机静止不动时自身就有一个向下的分力, 运输机在移动时就会向下滑。 (2) 管理不善引起的下滑:由于运输机下货点高度不够或搭接不好, 运输机底链带回煤, 造成运输机阻力增大及支架与运输机连接不垂直, 支架尾梁上摆, 推运输机时有一个向下的分力引起运输机下滑。 (3) 采机上行割煤时的牵动使运输机下滑。 (4) 由于作业人员操作不当, 当运输机有下滑的趋势时, 没有及时调整作业方式, 仍由上向下推移运输机造成运输机下滑。

1.2.2 支架失稳

支架失稳主要表现为支架倾倒和下滑。支架失稳不仅影响支架对顶板的控制能力, 造成冒顶事故, 严重倒架还会造成支架咬架、挤架, , 使支架拉移困难, 工作面推进缓慢, 造成顶板压力大, 顶板下沉, 已出现冒顶事故, 严重影响工作面正常生产。其主要原因是:

(1) 在移架过程中, 支架在本身重量作用下产生一个下滑力。 (2) 升架时, 支架在升架力的作用下, 支架底座沿煤层倾斜方向的分力大于支架底座与底板的摩擦力, 使支架产生下滑。 (3) 由于运输机下滑牵动支架下滑。

2 大倾角综采工作面设备防滑措施

2.1 将工作面调成伪倾斜开采

为平衡工作面运输机、支架在推进中引起的下滑, 将工作面调成伪倾斜, 即运输机头超前运输机尾。当支架与运输机相互向前推进移动时, 工作面设备每移动一个循环, 就会产生一定量的相对向上的位移, 若伪倾斜角度适当, 就能使上移量和下滑量相互抵消, 从而起到控制设备下滑的作用。工作面调成伪倾斜开采, 伪倾角是个经验数值, 不仅与工作面倾角有关, 还与工作面底板岩性、底板起伏状态及工作面设备有关, 它的超前距离一般在8~12m之间, 超前过大, 工作面仰斜开采, 硬帮易片帮, 威胁安全, 超前少, 不能控制设备下滑, 所以伪倾斜超前距离必须根据现场观察, 随时进行调整。

2.2 运输机防滑

(1) 根据煤层倾角变化, 并注意观察运输机头尾位置变化, 及时调整伪倾角。 (2) 工作面采取单向割煤、单向推移运输机的方式作业。即采煤机下行割煤, 上行空牵, 采煤机空牵时自下而上追机推移运输机。 (3) 运输机头与机道转载机搭接要合理, 高度合适, 防止运输机带煤粉, 增大负荷, 造成运输机下滑。

结束语

大倾角综采工作面设计在充分考虑工作面配套设备造型的同时, 还要针对不同的支架和输送机特性设置相应的调整支架与输送机相对方向的技术措施。对液压支架和运输机必须加强科学管理, 制定严格的管理措施, 防止支架和运输机下滑及支架失稳, 促进大倾角综采工作面安全生产, 高产高效。

摘要：从综采支架受力分析、工作面输送机和支架相互作用力分析的角度, 对大倾角综采工作面输送机、支架下滑机理进行研究, 并提出相应的防滑措施。

关键词：大倾角,综采工作面,防滑,控制技术

参考文献

[1]陈炎光.中国采煤方法[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1991.

控制与防滑篇7

2009年5月8日收到变结构控制的快速性和鲁棒性非常适合工作环境复杂的飞机防滑刹车系统,但是抖振问题的存在已成为变结构控制应用的主要障碍,越来越多的学者正在研究抖振的消除方法[1]。本文采用变结构控制方法设计了飞机刹车系统控制器,并采用Ambrosino切换函数法和改进指数趋近律法来抑制抖振。

1 刹车系统变结构控制器设计

1.1 滑模切换面的定义

滑模切换面设计的目的在于保证系统的稳定性和满足性能指标要求的动态特性,保证系统状态一旦进入滑模面便能沿其稳定地趋向状态原点。设计的任务是选择滑模函数s=0。

本文中,飞机防滑刹车控制系统控制的目标是,维持滑移率保持在最佳值σp恒定不变。滑移率的公式为:

$σ = \frac{x_{1} - R_{v b} x_{2}}{x_{1}} (1)$

(1)式中:x1为飞机速度,x2为机轮角速度,Rvb为机轮滚动半径。

因此在整个刹车控制过程中,要调节机轮的刹车力矩使飞机机轮的滑移率σ=σp恒定不变,其跟踪误差为零,即使x1和x2保持比率

$\frac{x_{1}}{x_{2}} = \frac{R_{v b}}{1 - σ_{p}} (2)$

针对刹车系统的控制目标,可以定义系统的滑模切换面为:

$s (x) = C x = [\frac{1 - σ_{p}}{R_{v b}} - 1] x = x_{1} \frac{1 - σ_{p}}{R_{v b}} - x_{2} (3)$

1.2 等价控制力矩的计算

等价控制的几何意义在于:在切换面s = 0上的控制力矩是间断的,可能是正向的力矩,也可能是反向的力矩。我们用某种意义下的平均值代替此切换控制,使系统沿着s = 0的切换面上走,这样才能保证滑动模态的产生。

对于系统在滑模面的运动,它恒满足:

$s (x) = 0 ‚ \dot{s} (x) = 0$ 。

由于

$s (x) = x_{1} \frac{1 - σ_{p}}{R_{v b}} - x_{2}$ 。

展开 $\dot{s} (x) = 0$ 得:

$\dot{s} (x) = \dot{x}_{1} \frac{1 - σ_{p}}{R_{v b}} - \dot{x}_{2} = 0 (4)$

滑动动力学即由(4)式决定,根据

$\dot{s} (x) = f_{1} (x) \frac{1 - σ_{p}}{R_{v b}} - f_{2} (x) + u_{e q} \frac{k_{b}}{Ι} = 0 (5)$

从(5)式中即可解得系统等价控制为

$u_{e q} = [f_{2} (x) - f_{1} (x) \frac{1 - σ_{p}}{R_{v b}}] \frac{Ι}{k_{b}} (6)$

1.3 切换面的可达性证明

当系统状态不在切换面上或偏离切换面时,需要在总体控制信号中加入另一个控制项,驱动系统状态到达或返回切换面。

这里,可以定义控制器的输出即制动力矩为

u=ueq-uh·sgn(s) (7)

若切换面可达,则须满足条件为:

$s \dot{s} \leq - η | s | ‚ η > 0 (8)$

以下证明所定义的切换面是可达的。

由(5)式和(7)式得

$\begin{array}{l} s \dot{s} = s {f_{1} (x) \frac{1 - σ_{p}}{R_{v b}} - f_{2} (x) + [u_{e q} - u_{h} sgn (s)] \frac{k_{b}}{Ι}} = \\ s [- u_{h} sgn (s) \frac{k_{b}}{Ι}] = - s u_{h} \frac{| s |}{s} \frac{k_{b}}{Ι} = - u_{h} \frac{k_{b}}{Ι} | s | (9) \end{array}$

令

$u_{h} = k η, k \geq \frac{Ι}{k_{b}} (10)$

则

$- u_{h} \frac{k_{b}}{Ι} | s | \leq - η | s |$ 。

即 $s \dot{s} \leq - η | s |$ 成立,满足切换面的可达性。

1.4 刹车系统变结构控制律设计

通过以上对滑模切换面、等价控制的设计以及切换面可达性证明,由(6)式、(7)式可得飞机防滑刹车系统变结构控制律为

$u = [f_{2} (x) - f_{1} (x) \frac{1 - σ_{p}}{R_{v b}}] \frac{Ι}{k_{b}} - k η sgn (x_{1} \frac{1 - σ_{p}}{R_{v b}} - x_{2}) (11)$

2 Ambrosino切换函数法削弱抖振

2.1 Ambrosino切换函数法

抖振的问题是变结构控制系统的固有问题,它的存在将严重影响控制器的控制效果,甚至对整个系统造成损害。因此设计变结构控制器必须考虑削弱抖振的问题。

如(7)式所述,制动力矩可以选定为:

u=ueq-uhsgn(s)。

在切换面附近邻域,由于惯性与滞后的影响,在滑动运动上通常有一个抖振的叠加分量;另一方面切换开关的非线性,也将引起抖动。抖振不仅会损坏系统的可执行元件,而且还会引起自激运动,从而导致系统的不稳定。削弱抖振可以有多种方法供选择,本文采用Ambrosino切换函数法来削弱变结构控制中的抖振情况。用

$f_{s w} = \frac{s}{| s | + δ} (12)$

来代替sgn(s)函数,其中,δ>0。

从(12)式可以看出,当δ=0时,fsw(s)与sgn(s)完全相同;当δ增大时,fsw(s)函数的斜率变得平滑了。实际上,δ调整控制输入已使动态系统的状态变量进入变结构控制的切换面。δ在满足大于零的条件下,其取值越小达到滑动模态的时间越短,因此变结构控制的鲁棒性越高。

2.2 刹车系统变结构控制律实现

引入Ambrosino切换函数代替以上符号函数后的控制律为

$u = [f_{2} (x) - f_{1} (x) \frac{1 - σ_{p}}{R_{v b}}] \frac{Ι}{k_{b}} - k η \frac{s}{| s | + δ} (13)$

(13)式中, $s = x_{1} \frac{1 - σ_{p}}{R_{v b}} - x_{2}$ 。

2.3 变结构控制器参数的调整

根据仿真时对参数调整的经验及式(13)的方程,主要调整的是kη和δ的值。kη决定系统响应速度,该值变大响应速度变大,将引起抖振和鲁棒性增强,该值变小响应速度变小kη在不同的跑道上有不同值,一般随着结合系数的减小而减小。δ值决定影响系统敏感性,当其变小时,系统鲁棒性强并引起抖振,当其变大时,将减弱鲁棒性和削减抖振。

2.4 系统仿真及结果分析

在MATLAB7.1/SIMULINK环境下,对某型飞机的防滑刹车系统在干跑道情况下进行仿真。仿真采用变步长方式,ode45算法,飞机速度初值x(0)=[72.2 180.6]。在采用Ambrosino函数消除抖振的方法中,取δ=0.05,kη=100,仿真结果如图1。同时给出了采用一般变结构的仿真结果进行对照,如图2。

从图2可以看出,飞机刹车系统采用一般变结构控制方法时,滑移率和结合系数都有抖振现象存在,将仿真图局部放大后,滑移率和结合系数的抖振非常明显,如图2(c)和图2(d)。说明刹车系统在工作过程中会围绕滑模面作反复穿越运动,产生刹车机构磨损和刹车不平稳的负面效果。

从两个仿真的对比中可以看出,控制器非线性部分的切换函数用Ambrosino光滑函数代替后,抖振基本消除。未消除抖振时,控制器非线性部分只存在两个作用相反的大力来回切换作用,必然引起系统抖动。但引进光滑函数后,这种将系统拉回滑模面的力可以随着s的大小变化而适当变化,这样就可以大大削弱抖动。

从图1(a)可以看出,在干跑道上应用变结构控制时,刹车系统在0.36 s到达最佳滑移率0.117,并基本保持恒定。从图1(b)可以看出,干跑道变结构控制的结合系数能够跟随滑移率很快到达最大值0.8,并基本保持恒定。飞机速度下降到0.3 m/s时,飞机防滑刹车系统工作9.29 s,刹车距离为340 m。仿真说明,采用变结构控制方法的飞机刹车系统能够快速达到最佳工作状态,并且运行比较稳定,刹车效率较高。但是在图1(a)中可以看出,在飞机速度下降到一定程度后,滑移率有下降趋势。

3 改进指数趋近律法消弱抖振

3.1 指数趋近律研究

产生抖振的原因:一是由于系统的惯性;二是运动点以一定的速度冲向切换面,导致运动点在滑模切换面附近来回抖动。因此,很好地设计运动点趋近律,既保证运动点快速趋近切换面,又减小运动点到达切换面附近时的速度,这样有利于削弱抖振。1989年Chan S. P. and Gao W. B 提出了指数趋近律[2]

$\dot{s} = - ε sgn (s) - Κ s (14)$

考虑下面一类单输入线性系统

$\dot{x} = A x + B u (15)$

取切换函数

s=Cx (16)

(16)式对时间求导

$\dot{s} = C \dot{x} = C (A x + B u) = - ε sgn (s) - Κ s (17)$

由(17)式解得

u=(CB)-1(-CAx-εsgn(s)-Ks) (18)

控制系统采用一般的指数趋近律(14)式,如果增加常数ε,正常运动阶段收敛速度加快,但滑动模态阶段的抖振将加强;如果减少常数ε,滑动模态阶段的抖振减弱,但正常运动阶段收敛速度变慢。因此,抖振和快速性是一对矛盾。一般的指数趋近律通常是根据保证正常阶段的快速性和减少滑动模态的抖振进行折衷而确定常数的,没有很好地解决这对矛盾。为了既保证系统的响应速度,又要减少系统滑模切换面上的抖振,下面对一般的指数趋近律进行改进。

3.2 指数趋近律的改进

一般的指数趋近律(14)式由两项组成,其中 $\dot{s} = - Κ s$ 是指数趋近项,趋近速度从较大的值逐步减少到零,不仅缩短了趋近时间,而且使运动点到达切换面时的速度很小; $\dot{s} = - ε sgn (s)$ 是等速趋近项。本文为了提高变结构控制系统动静态性能,对等速趋近项进行了改进,采用变速趋近项 $\dot{s} = - ε s^{2} sgn (s)$ ,这样趋近速度大小与s2成正比。当状态点离切换面远时,趋近速度大大提高;当状态点离切换面近时,趋近速度又大大减小。所以,采用了变速趋近项代替一般指数趋近律中的等速趋近项既能增加系统的快速性,又能削弱滑动模态的抖振。

本文改进的指数趋近律表达式为:

$\dot{s} = - ε s^{2} sgn (s) - Κ s (19)$

因为

$\dot{s} s = - ε s^{3} sgn (s) - Κ s^{2} = - ε s^{2} | s | - Κ s^{2} ＜ 0 (20)$

所以,改进的指数趋近律依然满足滑动模态存在性和到达条件。式(14)微分方程的解:

$s (t) = - \frac{ε}{Κ} + [s (0) + \frac{ε}{Κ} sgn (s)] e^{- Κ t} (21)$

式(19)微分方程的解:

$s (t) = \frac{1}{- \frac{ε}{k} sgn (s) + [\frac{1}{s (0)} + \frac{ε}{Κ} sgn (s)] e^{Κ t}} (22)$

两种趋近律的曲线s(0)均取8,其中ε=1,K=6。如图3,从图可以看出,在正常运动阶段改进方法的趋近速度明显快于一般的指数趋近律,而到达滑动模态区的速度又较慢,抖振明显削弱甚至基本消除,一般的指数趋近律存在较大的抖振。这样看来,改进的指数趋近律既保证快速性又削弱了抖振,效果优于一般的指数趋近律控制策略。

3.3 刹车系统改进指数趋近律实现

根据指数趋近律方法,定义制动力矩为:

u=ueq-εs2sgn(s)-ks (23)

根据(6)式可得等效控制:

$u = [f_{2} (x) - f_{1} (x) \frac{1 - σ_{p}}{R_{v b}}] \frac{Ι}{k_{b}} - ε s^{2} sgn (s) - k s (24)$

(24)式中, $s = x_{1} \frac{1 - σ_{p}}{R_{v b}} - x_{2}$ 。

3.4 系统仿真及结果分析

仿真中,取ε=0.01,k=100,其他参数同2节,仿真结果如图4。

4 结论

从图4(a)中可以看出,在干跑道上采用改进指数趋近律的变结构控制时,刹车系统在0.12 s到达最佳滑移率0.117并保持稳定,比采用Ambrosino切换函数的变结构控制方法快了0.24 s,而且克服了后者在刹车末尾阶段滑移率下降的不足。

飞机速度下降到0.3 m/s时,飞机防滑刹车系统工作9.212 s,刹车距离为335 m,比采用Ambrosino切换函数法少5 m。可以看出,采用改进指数趋近律比使用Ambrosino切换函数法的刹车系统效率更高,这主要得益于在刹车起始阶段采用指数趋近律方法能够更加快速的到达滑模面。

参考文献

[1]Koshkouei A J,Zinober A S.Sliding mode observers for a class of nonlinear systems.Proceeding of the American Control Conference,2002:2106—2111

[2]Wang C H.Fuzzy linear pulse-transfer function-based sliding-mode control for nonlinear discrete-time systems.IEEE Trans on Fuzzy Sys-tems,2002;(10):187—197

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