Система управления электромеханическим устройством торможения транспортных колес

 

Система управления электромеханическим устройством торможения транспортных колес относится к области систем правления электромеханическими объектами и может быть использована для управления электромеханическими устройствами торможения транспортных колес с пневматическими шинами, нелинейные упругие характеристики которых вкупе с сухим трением их о поверхность покрытий создают предпосылки к возникновению неустойчивых аварийных режимов торможения, для предотвращения которых система управления электромеханическим устройством торможения транспортных колес, содержащая транспортное колесо с датчиком угловой скорости, кинематически соединенное с электрическим тормозным генератором, подключенным через управляемый выпрямитель с датчиком тока торможения к нагрузочному сопротивлению, второй вывод которого подключен ко второму входу управляемого выпрямителя, а также блок вычисления скольжения транспортного колеса и последовательно соединенные программатор, первый сумматор, регулятор скольжения, второй сумматор и регулятор тока торможения, выход которого соединен с управляющим входом управляемого выпрямителя, первый и второй входы блока вычисления скольжения транспортного колеса соединены соответственно с выходом датчика угловой скорости транспортного колеса и со вторым выходом программатора, выход блока вычисления скольжения подключен ко второму (отрицательному) входу первого сумматора, а выход датчика тока торможения соединен со вторым (отрицательным) входом второго сумматора, дополнительно содержит последовательно соединенные настраиваемая модель электромеханического устройства торможения транспортного колеса, третий сумматор, блок нелинейной коррекции настраиваемой модели и фильтр, а также модальный регулятор электромеханического устройства торможения, причем первый, второй и третий входы настраиваемой модели соединены соответственно с выходами первого сумматора, блока нелинейной коррекции и третьего сумматора, второй выход настраиваемой модели соединен со входом модального регулятора и вторым входом блока нелинейной коррекции, третий и четвертый входы первого сумматора соединены соответственно с выходами модального регулятора и фильтра, а второй (отрицательный) вход третьего сумматора соединен с выходом датчика угловой скорости транспортного колеса. 1 н.п. ф-лы, 1 илл.

Заявляемая полезная модель относится к области систем управления электромеханическими объектами, характеризующимися нелинейными упругими деформациями, изменениями параметров и нелинейных характеристик, недоступностью измерению с помощью датчиков части переменных состояния объектов, а также действием на них неопределенных возмущений, в частности, может быть использовано для управления электромеханическими устройствами торможения транспортных колес с пневматическими шинами, нелинейные упругие характеристики которых вкупе с сухим трением их о поверхность покрытий создают предпосылки к возникновению неустойчивых аварийных режимов торможения, характеризующихся скачкообразными фрикционными колебаниями и срывами торможения.

Эффективное управление проскальзыванием (далее, скольжением) колес в режиме торможения или разгона является одной из наиболее известных и в то же время далеких от полного разрешения проблем в области конструирования колесного транспорта. Очевидно, что на поверхностях, характеризуемых так называемым сухим трением, наиболее эффективным является торможение вообще без скольжения колеса со значениями момента торможения, близкими к моменту «покоя» («трогания»), который соответствует максимальному значению момента трения, а значит, и наилучшему торможению. В действительности, осуществляемое самолетными и автомобильными автоматами торможение определяется не столько самим фактом отсутствия блокировки колес, сколько попыткой удержать режимы торможения колес на грани начала их проскальзывания по поверхности покрытия. При этом при скольжении по поверхностям с сухим трением реальный процесс торможения (осуществляемый с помощью автоматов торможения) носит импульсный (скачкообразный) характер, колеса скользят толчкообразно, режимы качения перемежаются с режимами скольжения.

При этом среднее значение скольжения не является управляемой величиной, а определяется каждый раз состоянием поверхности покрытия и быстродействием самих автоматов торможения.

Применение электромеханических устройств торможения колес транспортных средств позволяет обеспечить автоматическое управление процессом торможения с поддержанием заданного среднего значения скольжения.

Так, в известном устройстве (патент на изобретение RU 2369856, МПК G01M 17/02, опубликован 10.10.2008) система управления электромеханическим устройством торможения колеса транспорта выполнена на основе двух электрических машин постоянного тока: тормозного генератора и нагрузочного двигателя, якорные обмотки которых соединены друг с другом встречно-параллельно, причем тормозной генератор кинематически соединен с тормозящим транспортным колесом, а нагрузочный двигатель постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения кинематически соединен с независимой осью несущих колес транспорта, имеются датчик тока торможения тормозного генератора, датчик тока возбуждения обмотки возбуждения нагрузочного двигателя с управляемым источником возбуждения, блок вычисления скольжения колеса транспорта, последовательно соединенные программатор, вырабатывающий заданное скольжение торможения транспортного колеса, первый сумматор, регулятор скольжения транспортного колеса, второй сумматор, регулятор тока торможения, третий сумматор и регулятор тока возбуждения нагрузочного двигателя, выход которого соединен с управляющим входом управляемого источника возбуждения нагрузочного двигателя, а выходы вычислителя скольжения, датчика тока торможения и датчика тока возбуждения подключены соответственно ко вторым (отрицательным) входам первого, второго и третьего сумматоров.

Достоинством известной системы управления двухдвигательным электромеханическим устройством торможения колеса транспорта является возможность широкого диапазона регулирования скольжения тормозящего колеса от величин, близких к нулю, до торможения «юзом», т.е. с полной блокировкой колес, когда скольжение равно 1,0.

Однако недостатками известной системы являются громоздкость двухмашинного электромеханического каскада и эксплуатационная ненадежность таких уязвимых узлов используемых электрических машин постоянного тока, как коллекторы и щеточные токосъемные механизмы.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является система управления электромеханическим устройством торможения транспортного колеса (патент на полезную модель RU 118753, МПК G01M 17/02, G01M 17/10 опубликован 27.07.2012), содержащая транспортное колесо с датчиком угловой скорости, кинематически соединенное с электрическим тормозным генератором, подключенным через управляемый выпрямитель с датчиком тока торможения к нагрузочному сопротивлению, второй вывод которого подключен ко второму входу управляемого выпрямителя, а также блок вычисления скольжения транспортного колеса и последовательно соединенные программатор, первый сумматор, регулятор скольжения, второй сумматор и регулятор тока торможения, выход которого соединен с управляющим входом управляемого выпрямителя, первый и второй входы блока вычисления скольжения транспортного колеса соединены соответственно с выходом датчика угловой скорости транспортного колеса и со вторым выходом программатора, его выход подключен ко второму (отрицательному) входу первого сумматора, а выход датчика тока торможения соединен со вторым (отрицательным) входом второго сумматора.

Данная система, принятая за прототип, хотя и обладает несколько меньшим диапазоном регулирования скольжения, чем предыдущая система, так как в ней невозможен редко применяемый на практике режим торможения «юзом», зато она лишена недостатков приведенной выше системы, так как выполнена на базе одной электрической машины, в качестве которой может быть использован, например, трехфазный (бесколлекторный) синхронный генератор с индуктором, выполненным на постоянных магнитах.

Однако принятая за прототип система управления электромеханическим устройством торможения колес транспорта имеет недостатки, снижающие эффективность торможения. В ней принципиально невозможно выбрать постоянные значения настроек регуляторов скольжения и тока торможения, подавить возникающие при торможении фрикционные колебания, вызванные наличием упругости пневматика и действием сухого трения, до приемлемо малых амплитуд. Кроме того, параметры возбуждаемых фрикционных колебаний (амплитуда и частота) изменяются в зависимости от фрикционных свойств покрытия, определяемых погодными условиями и наличием осадков, и установленные постоянные значения настроек регуляторов, обеспечивающих достаточно эффективное торможение в одних условиях, могут оказаться неэффективными и даже привести к срыву торможения в других условиях.

Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является предотвращение неустойчивых аварийных режимов торможения транспортных колес путем подавления средствами управления фрикционных колебаний, возникающих при трении с проскальзыванием упругого пневматика о поверхность покрытия.

Для достижения указанного технического результата предлагается система управления электромеханическим устройством торможения транспортных колес, содержащая транспортное колесо с датчиком угловой скорости, кинематически соединенное с электрическим тормозным генератором, подключенным через управляемый выпрямитель с датчиком тока торможения к нагрузочному сопротивлению, второй вывод которого подключен ко второму входу управляемого выпрямителя, а также блок вычисления скольжения транспортного колеса и последовательно соединенные программатор, первый сумматор, регулятор скольжения, второй сумматор и регулятор тока торможения, выход которого соединен с управляющим входом управляемого выпрямителя, первый и второй входы блока вычисления скольжения транспортного колеса соединены соответственно с выходом датчика угловой скорости транспортного колеса и со вторым выходом программатора, его выход подключен ко второму (отрицательному) входу первого сумматора, а выход датчика тока торможения соединен со вторым (отрицательным) входом второго сумматора. Кроме того, в нее дополнительно введены последовательно соединенные настраиваемая модель электромеханического устройства торможения транспортного колеса, третий сумматор, блок нелинейной коррекции настраиваемой модели и фильтр, а также модальный регулятор, причем первый, второй и третий входы настраиваемой модели соединены соответственно с выходами первого сумматора, блока нелинейной коррекции и третьего сумматора, второй выход настраиваемой модели соединен со входом модального регулятора и вторым входом блока нелинейной коррекции, третий и четвертый входы первого сумматора соединены соответственно с выходами модального регулятора и фильтра, а второй (отрицательный) вход третьего сумматора соединен с выходом датчика угловой скорости транспортного колеса.

На фиг.1 показана функциональная схема системы управления электромеханическим устройством торможения транспортных колес.

Предлагаемая система управления электромеханическим устройством торможения транспортных колес (см. фиг.1) содержит транспортное колесо (ТК)1 с датчиком угловой скорости (ДУС ТК)2, кинематически соединенное с электрическим тормозным генератором (ТГ)3, подключенным через управляемый выпрямитель (УВ)4 с датчиком тока торможения (ДТТ)5 к нагрузочному сопротивлению (НС)6, второй вывод которого подключен ко второму входу управляемого выпрямителя (УВ) 4, а также блок вычисления скольжения (БВС ТК)7 транспортного колеса и последовательно соединенные программатор (П)8, первый сумматор (1С)9, регулятор скольжения (PC)10, второй сумматор (2С)11 и регулятор тока торможения (РТТ)12, выход которого соединен с управляющим входом управляемого выпрямителя 4, первый и второй входы блока вычисления скольжения 7 транспортного колеса соединены соответственно с выходом датчика угловой скорости 2 транспортного колеса и со вторым выходом программатора 8, его выход подключен ко второму (отрицательному) входу первого сумматора 9, а выход датчика тока торможения 5 соединен со вторым (отрицательным) входом второго сумматора 11. Кроме того, в систему дополнительно введены последовательно соединенные настраиваемая модель (НМ)13 электромеханического устройства торможения транспортного колеса, третий сумматор (3С) 14, блок нелинейной коррекции (БНК)15 настраиваемой модели и фильтр (Ф)16, а также модальный регулятор (МР)17, причем первый, второй и третий входы настраиваемой модели 13 соединены соответственно с выходами первого сумматора 9, блока нелинейной коррекции 15 и третьего сумматора 14, второй выход настраиваемой модели 13 соединен со входом модального регулятора 17 и вторым входом блока нелинейной коррекции 15, третий и четвертый входы первого сумматора 9 соединены соответственно с выходами модального регулятора 17 и фильтра 16, а второй (отрицательный) вход третьего сумматора 14 соединен с выходом датчика угловой скорости 2 транспортного колеса.

Сущность предлагаемой системы управления электромеханическим устройством торможения транспортных колес состоит в следующем. Пусть объектом управления предлагаемой системы является электромеханическое устройство торможения транспортных колес, содержащее транспортное колесо 1 с датчиком угловой скорости 2 и блоком вычисления скольжения 7, кинематически соединенное с электрическим тормозным генератором 3, выполненным на базе трехфазной синхронной электрической машины с индуктором на постоянных магнитах и подключенным через управляемый трехфазный выпрямитель 4 с датчиком тока торможения 5 к нагрузочному сопротивлению 6, и пусть объект управления характеризуется электромагнитными динамическими процессами в статорных обмотках синхронного генератора 3, формирующими электромагнитный тормозной момент генератора, передаваемый на транспортное колесо, и динамическим поведением транспортного колеса 1, характеризующимся упругими свойствами пневматической шины и действием сухого трения в «пятне» контакта шины с покрытием, характеристика которого в зоне малых скольжений имеет нелинейный характер, проявляющийся в нарастании момента трения при деформации участка шины, примыкающей к пятну контакта, и достижении максимального значения в момент, предшествующий «страгиванию» площадки контакта относительно поверхности покрытия, а затем резким падением момента трения в самом начале скольжения шины. Этот нелинейный эффект, названный эффектом Штрибека, вкупе с упругими свойствами шины, приводит к упругим фрикционным колебаниям момента торможения и скольжения, амплитуда и частота которых нелинейно зависят от таких неопределенных факторов, как силы прижатия колеса; скорости продольного движения Vo оси колеса, скольжения шины относительно покрытия в пятне контакта; состояния поверхности покрытия (сухое, влажное, мокрое, слякоть, снег, изморозь); продольной жесткости деформируемых участков шины и инерции их масс, и др.

Для составления расчетной модели, описывающей упругие крутильные деформации пневматической шины введем приближенную двухмассовую упругую механическую систему, состоящую из двух дисков с моментами инерции Jст и Jоб, соединенных невесомой упругой связью с коэффициентом упругости рпн, где Jст объединяет инерцию ступицы и вращающихся частей шины, примыкающих к ступице; J об объединяет инерцию участков обода шины, прилегающих к пятну контакта, перемещающемуся по окружности шины при ее качении со скольжением. Очевидно, что параметры

J=J ст(·); Jоб=Jоб(·); р пнпн(·)

являются неопределенными функциями, нелинейно зависящими от момента трения Мтр (·), скольжения Sтк(·) тормозного колеса, силы прижатия колеса и других неучтенных факторов.

С учетом введенных обозначений математическая модель объекта управления - электромеханического устройства торможения колеса, состоящего из блоков 1÷7, описывается следующим дифференциальными уравнениями:

где Iт - выпрямленный ток торможения; об, тк - угловые скорости соответственно обода шины и ступицы транспортного колеса; МT - тормозной момент генератора; my - упругий момент, возникающий при деформации шины; Lя, Rя - индуктивность и сопротивление статорных обмоток тормозного генератора, приведенные к цепи выпрямленного тока; Rнс - нагрузочное сопротивление; Uув - напряжение управляемого выпрямителя; kе, k m - конструктивные параметры тормозного генератора.

Система управления электромеханическим устройством, принятая за прототип, содержит последовательно соединенные программатор 8, первый сумматор 9, регулятор скольжения 10, второй сумматор 11 и регулятор тока торможения 12, выход которого соединен с управляющим входом управляемого выпрямителя 4, первый и второй входы блока вычисления скольжения 7 транспортного колеса соединены соответственно с выходом датчика угловой скорости 2 транспортного колеса и со вторым выходом программатора 8, его выход подключен ко второму (отрицательному) входу первого сумматора 9, а выход датчика тока торможения 5 соединен со вторым (отрицательным) входом второго сумматора 11, и описывается следующими алгебраическими уравнениями

где uртт, uрс , ртт, рс - выходные сигналы и коэффициенты усиления регуляторов тока торможения 12 и скольжения 10 соответственно; kув - коэффициент передачи управляемого выпрямителя 4, kдтг - коэффициент передачи датчика тока торможения 5; Sо, Sтк - сигналы соответственно программного (заданного), вырабатываемого программатором 8, и действительного, вычисляемого блоком вычисления 7, скольжения транспортного колеса 1; о - угловая скорость свободного качения транспортного колеса, соответствующая линейной скорости Vo движения его оси.

Очевидно, что принятая в прототипе система управления электромеханическим устройством торможения транспортного колеса, описываемая системами уравнений (1), (2) и имеющая двухконтурную структуру с двумя обратными связями по двум измеренным переменным скольжения Sтк (пропорционального угловой скорости тк) и тока торможения Iт и двумя контурными регуляторами 10 и 12 с постоянными настройками рc и ртт, принципиально не может обеспечить подавление упругих фрикционных колебаний момента торможения Мт и скольжения Sтк транспортного колеса и, следовательно, эффективность торможения, так как в ней не реализуются обратные связи по не доступным измерению с помощью датчиков переменным угловой скорости обода об и упругого момента my и не учитываются постоянными настройками контурных регуляторов 10 и 12 неопределенность и нелинейный характер изменения параметров Jоб(·), Jст(·) и рпн(·), т.е. в прототипе не учитываются такие свойства, характеризующие сложность электромеханического устройства торможения транспортного колеса, как объекта управления описываемого уравнениями (1), как неопределенность, нелинейность, упругость и неполная измеримость.

Потому в систему управления дополнительно введены последовательно соединенные настраиваемая модель (НМ)13 электромеханического устройства торможения транспортного колеса, третий сумматор (3С) 14, блок нелинейной коррекции (БНК)15 настраиваемой модели и фильтр (Ф)16, а также модальный регулятор (МР)17 электромеханического устройства торможения, причем первый, второй и третий входы настраиваемой модели 13 соединены соответственно с выходами первого сумматора 9, блока нелинейной коррекции 15 и третьего сумматора 14, второй выход настраиваемой модели 15 соединен со входом модального регулятора 17 и вторым входом блока нелинейной коррекции 15, третий и четвертый входы первого сумматора 9 соединены соответственно с выходами модального регулятора 17 и фильтра 16, а второй (отрицательный) вход третьего сумматора 14 соединен с выходом датчика угловой скорости 2 транспортного колеса.

Дифференциальные и алгебраические уравнения настраиваемой модели 13 соответствуют структуре дифференциальных и алгебраических уравнений (1), (2), но точно неизвестные и нелинейные функции - параметры Jоб (·), рпн(·), Jст(·), заменяются в них некоторыми усредненными постоянными значениями , , (их выбор, вообще говоря, произволен или определяется некоторым рабочим режимом колеса), и они имеют следующий вид:

причем уравнение для Uув получено подстановкой друг в друга уравнений (2).

В уравнениях (3) введены следующие обозначения: , , - оценки действительных переменных , , , вырабатываемые настраиваемой моделью 13; - векторный выходной сигнал блока нелинейной коррекции 15; - выходной сигнал третьего сумматора 14 (ошибка оценки угловой скорости транспортного колеса); - векторный сигнал третьего входа настраиваемой модели 13; l1, l2, l3 - коэффициенты обратных связей настраиваемой модели 13; u, - выходные сигналы первого сумматора 9 и фильтра 16 соответственно; верхний индекс «т» - знак транспонирования; uмр - выходной сигнал модального регулятора 17.

Блок нелинейной коррекции 15 вырабатывает векторный релейный (переключающийся) сигнал коррекции дифференциальных уравнений настраиваемой модели 13, компоненты которого имеют следующий вид:

где hi, - положительные коэффициенты; fi - скалярные функции оценок переменных, определяемые далее; - релейная (переключающая) функция.

Модальный регулятор 17 вырабатывает скалярное управление в виде линейной комбинации оценок переменных, вырабатываемых настраиваемой моделью 13, с расчетными весовыми коэффициентами ki, i=1, 2, 3:

Фильтр 16 является сглаживающим и вырабатывает сигнал «сглаженной» релейной коррекции объекта управления по следующему уравнению:

где - малая постоянная времени фильтра первого порядка, b i - расчетные положительные коэффициенты, некоторые из которых могут быть нулевые; - компоненты векторного релейного (переключающегося) сигнала коррекции вида (4), - сигнал сглаженной релейной коррекции подается на вход первого сумматора 9.

Предлагаемая система управления электромеханическим устройством торможения работает следующим образом. Пусть в исходном режиме ось транспортного колеса 1 движется с некоторой линейной скоростью Vo, тогда угловая скорость свободного качения транспортного колеса будет равна , где Rтк - радиус транспортного колеса. Если в исходном режиме системы сигнал задающего программного скольжения, вырабатываемый программатором 8 и подаваемый на первый вход первого сумматора 9, равен нулю (Sо=0), то сигнал управления, и подаваемый на вход вырабатываемый на выходе регулятора тока торможения 12 управляемого выпрямителя 4, равен нулю, цепь управляемого выпрямителя 4 разомкнута, ток торможения, а значит, и момент торможения тормозного генератора 3, приложенный к транспортному колесу 1, так же равен нулю, и транспортное колесо 1 катится свободно с угловой скоростью о.

Подадим на вход системы управления (на первый вход первого сумматора 9) от программатора 8 некоторый отличный от нуля сигнал Sо>0 и пусть для определенности этот сигнал постоянен Sо=cont. После его прохождения через первый сумматор 9, регулятор скольжения 10, второй сумматор 11 и регулятор тока торможения 12 (регуляторы 10 и 12 можно считать в простейшем случае блоками пропорционального усиления с коэффициентами усиления рc и ртт соответственно) этот сигнал преобразуется в выходной сигнал uртт управления системы и поступает на вход управляемого выпрямителя 4, напряжение на его выходе возрастает, появляется отличный от нуля выпрямленный ток торможения Iт и тормозной генератор 3 начинает работать в тормозном режиме, создавая тормозной момент Мт, приложенный к транспортному колесу 1. При постоянном воздействии входного сигнала Sо программатора 8, тормозной момент тормозного генератора 3 увеличивается до тех пор, пока транспортное колесо 1 не начнет проскальзывать, замедляя свое вращение, появляется отличное от нуля скольжение Sтк, угловая скорость тк транспортного колеса 1 начнет уменьшаться по сравнению с угловой скоростью свободного качения о (соответствующей линейной скорости Vo движения его оси, т.к. , где Rтк - транспортного колеса 1). Сигнал реального скольжения Sтк транспортного колеса 1, вырабатываемый блоком вычисления скольжения 7, начнет уменьшаться, и на выходе первого сумматора 9 появляется сигнал, пропорциональный (с учетом соответствующего масштабирования) разности (Sо-S тк), тем самым начинает действовать отрицательная обратная связь по скольжению Sтк, образующая главный контур отрицательной обратной связи по скольжению транспортного колеса 1. В то же время на отрицательный вход второго сумматора 11 подается сигнал с выхода датчика тока торможения 5, образуя внутренний контур отрицательной обратной связи по току торможения. Скольжение под действием отрицательных обратных связей по скольжению и току торможения возрастает, уменьшая разность Sо-S тк, до тех пор, пока его величина не станет близкой (почти равной) величине программного скольжения Sо, предписываемой задающим сигналом Sо программатора 8.

Если объект управления, описываемый уравнениями (1), предлагаемой системы управления ведет себя как жесткий (рпн=+) с постоянными параметрами , , т.е. шина транспортного колеса 1 принимается абсолютно жесткой, то удовлетворительный процесс непрерывного торможения жесткого транспортного колеса без фрикционных упругих колебаний обеспечивается в рамках предлагаемой в прототипе системы управления торможением, построенной на базе блоков 1-12 с соответствующими связями, описанными выше. При этом в процессе торможения в рамках предлагаемой в прототипе системы управления обеспечивается необходимое торможение колеса 1 с одновременным автоматическим поддержанием заданного программного скольжения Sо в виде произвольной функции времени или, в частном случае, в виде постоянной величины Sо=const независимо от величины преодолеваемого им момента трения Мтр(·), создаваемого продольной силой трения скольжения Fтр(t), приложенной к пятну (точке) контакта шины транспортного колеса 1 с аэродромным или автодорожным покрытием, что обеспечивается не мгновенно, а во времени с быстродействием и точностью, определяемой выбором настроек коэффициентов усилений рс и ртт регуляторов скольжения 10 и тока торможения 12 главного и внутреннего контуров обратных связей по скольжению и току торможения соответственно.

При этом контурные регуляторы скольжения 10 и тока торможения 12 настроены на такое максимально возможное быстродействие рассматриваемой в прототипе системы управления с жесткой шиной, что более медленные динамические процессы в дополнительных блоках 13-17 с настраиваемой моделью 13, блоком нелинейной коррекции и модальным регулятором (уравнения (3) не оказывают существенного влияния на более быструю динамику двухконтурной системы управления торможением с жесткой шиной,

Теперь рассмотрим, как работает предлагаемая система управления электромеханическим устройством торможения в условиях, когда имеет место такое существенное влияние упругих свойств пневматической шины и сухого трения, которые могут привести к возбуждению в предлагаемой в прототипе быстродействующей двухконтурной системе управления упругих фрикционных колебаний, нарушающих задаваемый программатором 8 процесс торможения транспортного колеса 1.

При этом упругие колебания являются дополнительным движением, которое накладывается на «быстрое» жесткое движение системы управления, соответствующей прототипу, и задачей дополнительных блоков 13÷17 и связей подавить это дополнительное упругое движение.

Так как настраиваемая модель 13 выполнена по уравнениям (4), описывающим систему управления с упругой шиной (3) с некоторыми усредненными постоянными параметрами

то в ней всегда возбуждаются упругие колебания с постоянной собственной частотой, равной

Сначала рассмотрим случай, когда реальные параметры системы управления торможением колеса с упругой шиной в уравнениях (1)

тоже постоянны и совпадают по величине с усредненными параметрами (7), принятыми в настраиваемой модели (3).

Тогда настраиваемая модель (3) ведет себя как известный в линейной теории управления (см. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами. - М.: Наука, 1976. - 424 с. [1] и В.В.Путов, В.Н.Шелудько. Адаптивные и модальные системы управления многомассовыми нелинейными упругими механическими объектами. СПб.: ООО «Техномедиа» / изд-во «Элмор», 2007. - 244 с. [2]) асимптотический идентификатор (наблюдатель) состояния полного (в данном случае, третьего) порядка, модельные переменные которого асимптотически стремятся к реальным переменным, т.е. выполняются предельные соотношения

При этом любые наперед заданные показатели быстродействия и формы переходных процессов по ошибкам наблюдателя

обеспечиваются (согласно линейной теории [1, 2]) выбором коэффициентов l1, l2, l 3 внутренних обратных связей настраиваемой модели (наблюдателя), согласно системе уравнений (3), тогда и только тогда, когда упругий объект полностью наблюдаем по измеряемой переменной тк, что имеет место, как показано в [2].

Модальный регулятор 17 является, в соответствии с линейной теорией систем [1, 2], линейной комбинацией обратных связей по оценкам переменных состояния вида (5) и, если параметры упругого объекта (1) линейные и постоянные вида (7), а упругий объект (1) полностью управляемым по входу первого сумматора 9, что имеет место, как показано в [2], то коэффициенты k1 , k2, k3 обратных связей могут быть выбраны по условию обеспечения любых наперед заданных показателей быстродействия и формы переходных процессов динамики линеаризованной системы управления торможением транспортного колеса с упругой шиной с настраиваемой моделью (наблюдателем) 13 и модальным регулятором 17. В нашем случае, коэффициенты усилений ki, i=1, 2, 3, модального регулятора 17 рассчитаны так, чтобы при усредненных постоянных параметрах (7) упругого объекта (1) обеспечить динамику системы управления, замкнутой модальным регулятором 17 по оценкам переменных состояния вида (5), близкой к динамике системы управления торможением транспортного колеса с жесткой шиной и, таким образом, в системе управления упругим объектом с усредненными параметрами (7) упругие фрикционные колебания не возбуждаются и быстродействие системы управления электромеханическим устройством торможения транспортного колеса с упругой шиной близко к максимально достижимому быстродействию системы управления торможением с жесткой шиной, и тем самым достигается заявленный технический результат.

Теперь рассмотрим случай, когда параметры объекта управления - электромеханического устройства торможения транспортного колеса с упругой шиной и сухим трением, описываемого уравнениями (1), являются нелинейными функциями (9) и точно неизвестны. В этом случае можно записать, что параметры (9) являются нелинейными функциями соответствующих переменных состояния объекта (1), и, в общем случае, времени t, а именно:

причем точно неизвестны ни числовые параметры, ни вид функциональных зависимостей (12), можно лишь предположить, что они являются, в общем случае, функциями бесконечного роста по модулю при бесконечном росте по модулю их аргументов - переменных об, my, тк, (а в частности, глобально ограниченными и по этим переменным). Тогда очевидно, что они как нелинейные функции параметров упругих механических (или электромеханических) объектов мажорируются соответствующими степенными функциями

с показателями степени pi , i=1, 2, 3 не выше второй, как следует из описания механических объектов уравнениями Лагранжа второго рода или уравнениями Лагранжа-Эйлера (см. [4]), т.е.

Теперь, когда параметры упругого объекта (1) не являются постоянными, как в случае (7), оценки настраиваемой модели уже не могут выбором коэффициентов внутренних обратных связей l1, l2, l3 удовлетворить предельным соотношениями (10), и настраиваемая модель (3) уже не ведет себя подобно линейному асимптотическому идентификатору (наблюдателю) переменных состояния. Поэтому здесь для восстановления функций наблюдателя на помощь приходит блок нелинейной коррекции 15, который вырабатывает сигналы , i=1, 2, 3, релейной (переключающейся) коррекции скоростей изменения оценок переменных , , , подключенные к входам интеграторов настраиваемой модели (3), на выходах которых вырабатываются сами оценки , , . Эти сигналы релейной коррекции, как видно из уравнений вида (4), являются знаковыми (переключающими) функциями ошибки оценки угловой скорости тк вычисляемой с помощью датчика угловой скорости 2 и третьего сумматора 14, зависят от степенных (мажорирующих) функций (13) и коэффициентов , , i=1, 2, 3, усилений знаковых функций, определяющих уровень (высоту «полки» переключения) переключающих функции (4).

Выбирая параметры hi, , i=1, 2, 3, и вид мажорирующих функций (13) можно обеспечить на скользящих (релейных) режимах близкую к нулю сходимость модуля ошибки

где d - произвольно малая величина, зависящая от выбора параметров уравнений (4), (13) блока нелинейной коррекции 15.

Тогда вслед за соотношением (15) необходимо будут выполняться и соотношения

на скользящих режимах настраиваемой модели (3) с релейной коррекцией (4), (13).

Таким образом, с точностью до некоторой малой ошибки, определяемой d-окрестностью соотношений (15), (16), релейно настраиваемая модель (3) будет вырабатывать оценки переменных состояния нелинейного упругого объекта (1) системы управления, которые, по-прежнему, могут использоваться в соотношениях (5) модального регулятора 17 с коэффициентами k1, k2, k3 , рассчитанными, как в предыдущем случае, предполагающем постоянные усредненные параметры (7).

Однако модальный регулятор в условиях действительного изменения нелинейных параметров (9) упругого объекта уже не будет обеспечивать такое эффективное подавление упругих фрикционных колебаний, как в предыдущем случае предположения постоянства параметров (7), и поэтому на вход первого сумматора 9 подается дополнительный корректирующий сигнал управления вида (6), сформированный из линейной комбинации с весовыми коэффициентами bi, i=1, 2, 3, релейных корректирующих сигналов , усредненной с помощью сглаживающего фильтра 16. Этот сигнал, вырабатываемый на сигналах релейной коррекции вида (4) настраиваемой модели (3), сыграет такую же роль коррекции динамического поведения, нелинейного упругого объекта (1) контролируемого модальным регулятором (5), в условиях, когда параметры (9) отклоняются от усредненных значений (7), чем будет обеспечиваться задача подавления упругих фрикционных колебаний, и, следовательно, сохраняется эффективность торможения колеса.

Сказанное позволяет сделать вывод, что в заявляемой системе управления электромеханическим устройством торможения транспортным колесом достигается технический результат, состоящий в предотвращении неустойчивых аварийных режимов торможения транспортных колес путем подавления средствами управления упругих фрикционных колебаний, возникающих при трении с проскальзыванием упругой пневматической шины о поверхность аэродромного или автодорожного покрытия.

Система управления электромеханическим устройством торможения транспортных колес, содержащая транспортное колесо с датчиком угловой скорости, кинематически соединенное с электрическим тормозным генератором, подключенным через управляемый выпрямитель с датчиком тока торможения к нагрузочному сопротивлению, второй вывод которого подключен ко второму входу управляемого выпрямителя, а также блок вычисления скольжения транспортного колеса и последовательно соединенные программатор, первый сумматор, регулятор скольжения, второй сумматор и регулятор тока торможения, выход которого соединен с управляющим входом управляемого выпрямителя, первый и второй входы блока вычисления скольжения транспортного колеса соединены соответственно с выходом датчика угловой скорости транспортного колеса и со вторым выходом программатора, выход блока вычисления скольжения подключен ко второму (отрицательному) входу первого сумматора, а выход датчика тока торможения соединен со вторым (отрицательным) входом второго сумматора, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены последовательно соединенные настраиваемая модель электромеханического устройства торможения транспортного колеса, третий сумматор, блок нелинейной коррекции настраиваемой модели и фильтр, а также модальный регулятор электромеханического устройства торможения, причем первый, второй и третий входы настраиваемой модели соединены соответственно с выходами первого сумматора, блока нелинейной коррекции и третьего сумматора, второй выход настраиваемой модели соединен со входом модального регулятора и вторым входом блока нелинейной коррекции, третий и четвертый входы первого сумматора соединены соответственно с выходами модального регулятора и фильтра, а второй (отрицательный) вход третьего сумматора соединен с выходом датчика угловой скорости транспортного колеса.



 

Похожие патенты:

Железнодорожные композитные полимерные шпалы относятся к верхнему строению железнодорожного пути, предназначеного служить опорой рельсов, являются основанием для деталей рельсового скрепления, воспринимают от рельсов и скреплений эксплуатационные усилия и передают их на балластный слой и могут найти применение на магистральных железнодорожных линиях, в том числе, высокоскоростных, в тоннелях, метрополитенах и на подъездных железнодорожных путях промышленных предприятий.

Малогабаритный датчик уровня давления (дд) относится к области измерительной техники и может быть использован для измерения давления газов и жидкости.

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для построения испытательных стендов новых систем управления электроприводом и автоматизации
Наверх