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考虑到维护公平比赛的原则,这次对题目的评论在比赛过后才发出来。照例,仅代表个人观点,与组委会官方观点或标准无涉。欢迎大家讨论和指正。3 R! x* E" o% A+ \! p" l" W% l
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A题是典型的工控问题,而且并不复杂。制动器的测试无非是两种方法,试验台和路试。路试当然是最可信的试验方法,但是成本太高。试验台则是希望把路试的情况尽量真实地搬到实验室里,使试验成本降低。由于要尽量真实地反映路试情况,所以试验台的主轴转速要和真实车辆的车轴转速尽量相同,而角加速度等物理量也要尽量一致才行。至于飞轮应该具有多大的转动惯量才能模拟具有一定重量(也就是本题里所说的载荷)的车在刹车时的行为,这是较简单的物理问题,用相应的公式计算即可。/ `* r: X) m- e9 E
. s7 P! K/ w1 _( P3 g$ z ~7 H% `本题的关键是第三问。当飞轮的转动惯量不够大的时候,使用电动机给整个转子输入扭矩,能模仿出较大惯量的感觉。这就有如:令一个人推一个重10kg的物体并加速到某个速度,但是我现在手里没有10kg重的物体,只有一个5kg的物体。那么可以在反向施以合适的阻力,让这个人的感受和推一个10kg的物体一样(准确地说就是加速度一样)。问这个阻力应该是多大?这是很简单的问题,显然,阻力只要和推力满足一个简单的比例关系即可。当然“推力”(在本题里就是制动力矩)不知道。不过瞬时速度和总力矩都是可测量的,通过计算加速度,可以推算出制动力矩,或者直接测量总力矩,减掉电动机的驱动力矩,就是制动力矩了。我相信从原理上不再会包含什么更深层次的难题,真正控制的时候当然还有许多技术问题。有许多同学使用补充能量等角度来进行计算,但在我看来,从力矩的角度处理最简单干净,对模仿效果是否“像真”也容易判断。引入更加“深层”的物理量或者更加复杂的方法(例如有人试图预测总刹车时间),不见得对解决问题有什么帮助。老练凶狠的感觉不足,恐有花拳绣腿之疑。8 ^5 n# w b& k* L7 u1 f5 Q
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这里有两个技术问题最明显:
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8 `8 h3 F5 I$ Z ]1.误差控制。本来连续的过程被离散化就会带来误差,而且测量本身也会带来误差。而一个不真实的测量值(例如误以为制动力矩偏低,事实并不低)会导致驱动力矩降低,进而导致制动力矩的效应(即角加速度)更大。所以误差的影响应当加以研究。这里大概还蕴含着一个超调的可能:如果为了补偿刚才的效应,突然增加驱动力矩,又会导致角加速度降低,由于测量、调整电流等动作都是有延时的,所以过高和过低的调整可能引起振荡。在题目给的数据里,振荡的幅度就在慢慢增加──或许有发散的风险。
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2.预估。我们必须使用前一个时段的测量值来进行这个时段的控制。何况计算、调整电流等动作还需要时间。所以电动机驱动力矩的变化总要滞后一些时间。尽量减弱这种时滞效应,就要预估提前量。当然预估的方法不一定好用,估不准的话甚至可能诱发(或加重)振荡,总之这里是个不好圆满解决的问题。不过考虑到在踩刹车踏板时,力是基本不变的,所以在刹车力矩稳定以后,类似线性的预估大概是可行的方法(或许还应当借助前若干时段的值做一些平均)。当然更深层还可以考虑刹车片磨损、温度等问题,但这牵涉过分复杂的因素,不推荐进行明确的定量分析。有关时滞和振荡的控制,在2008年数学中国杯网络挑战赛的A题中曾专门涉及。专业工控知识若有不足,设计的方法可以简单朴素,但要有效。# G5 ^: L' |( a0 ?6 j5 K
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本问题可以考虑进行模拟以说明效果。simulink可以给出较好的结果,直接编程应当也不算困难。
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zan
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