第六章專題：引水岔管設(shè)計汽車線控轉(zhuǎn)向整車動力模型建立分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u14067汽車線控轉(zhuǎn)向整車動力模型建立分析案例概述 1274771.1線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的微分方程建立 1142561.2線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)模型建立 550051.3整車模型建立 712441.3線控轉(zhuǎn)向整車模型工況仿真 1528611.4線性二自由度參考模型建立 16此階段的主要任務(wù)為，建立以線控轉(zhuǎn)向為核心的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并建立相應(yīng)的整車動力學(xué)模型，為后續(xù)控制策略的開發(fā)提供基礎(chǔ)的仿真模型。以該模型為基礎(chǔ)進行多種試驗工況的分析。因此是否能夠建立一個能準確描述接近實車的動力學(xué)模型，對后續(xù)SBW控制策略開發(fā)起著決定性作用[32]。整車動力學(xué)模型的創(chuàng)建分為兩個部分，SBW系統(tǒng)動力學(xué)模型的建立和整車其余部分動力學(xué)模型的建立。在軟件MATLAB/Simulink中完成SBW系統(tǒng)的動力學(xué)模型的創(chuàng)建，而后對于整車模型的建立在軟件CarSim中去轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)，完成其他系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，即可建立整車動力學(xué)模型。最后進行CarSim/Simulink聯(lián)合仿真，將CarSim中設(shè)置的整車參數(shù)通過S-function接口導(dǎo)入到Simulink中成為其中的單元模塊，并與其中的SBW系統(tǒng)動力性模塊建立連接，由此完成SBW汽車的整車動力性模型搭建，并與CarSim中的傳統(tǒng)整車模塊進行對比，驗證模型的正確性[33]。1.1線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的微分方程建立汽車是一個由多個系統(tǒng)組成的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，因此要對汽車進行準確的線性動力學(xué)分析和描述是非常困難的[34]。系統(tǒng)同樣如此。因此我們要通過采用合適的建模方法，簡化系統(tǒng)，方便我們更好地理解分析系統(tǒng)。以降階建模的思想對SBW系統(tǒng)建模。如果對系統(tǒng)中的每個部件都進行動力學(xué)分析建模，便能得到系統(tǒng)的全階模型，如此確實能夠表現(xiàn)出完整的力學(xué)特性，但是會增加系統(tǒng)模型的復(fù)雜化和非線性化，導(dǎo)致系統(tǒng)精度降低，仿真的復(fù)雜度大大提高，使仿真成本提高。因此采用降階建模思想，該方法的核心是突出主要組件，提高主要組件的研究精度，忽略非必要組件，這樣便可以做到提高復(fù)雜模型的仿真精度，減少仿真過程的時間成本。最終，對SBW系統(tǒng)的建模簡化為對轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機系統(tǒng)三部分建模[35]。1.1.1轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向盤、路感電機和傳感器等部件組成。簡化結(jié)構(gòu)如圖1.1所示圖1.1方向盤系統(tǒng)Fig.1.1Steeringwheelsystem對方向盤進行動力學(xué)分析：路感模擬電機的動力學(xué)分析：路感電機的電平衡方程式為：1.1.2轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)的主要建模分析由轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向輪三部分組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示。圖1.2轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)Fig.1.2Steeringexecutionsystem轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機的動力學(xué)分析：轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機的電平衡方程式為：齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的動力學(xué)分析：對于齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，需要了解其齒輪齒條轉(zhuǎn)向器齒條位移與前左、右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系，即轉(zhuǎn)向器的特性曲線。車輛模型的轉(zhuǎn)向器的特性曲線見圖1.3右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向特性曲線和圖1.4左轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向特性曲線。圖1.3右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向特性曲線Fig.1.3Turningcharacteristiccurveofrightsteeringwheel圖1.4左轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向特性曲線Fig.1.4Turningcharacteristiccurveofleftsteeringwheel1.2線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)模型建立1.1.1MATLAB/Simulink軟件介紹Simulink是MATLAB中的一種圖形化仿真工具，是基于MATLAB的模塊設(shè)計場景，能夠進行各類系統(tǒng)建模，并對其進行仿真的一個內(nèi)置插件。在實際生產(chǎn)中，無論是對線性、非線性系統(tǒng)還是數(shù)字控制、信號處理等方面都有著廣泛應(yīng)用。在Simulink的環(huán)境下，只需要通過拖動模塊操作，并完成數(shù)塊連接，即可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)，而不需要大量的書寫公式。且適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點。同時有大量的第三方軟件和硬件可配套于Simulink。在此我們所用的CarSim軟件就是進行車輛聯(lián)合仿真時，與MATLAB/Simulink最常配合的軟件之一。1.1.2線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型根據(jù)在前一章節(jié)中建立的主要模塊的動力學(xué)微分方程，在Simulink中搭建動力學(xué)模型，搭建模型如圖1.5，圖1.6。圖1.5轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機動力學(xué)模型Fig.1.5Dynamicmodelofsteeringactuatormotor圖1.6齒輪齒條轉(zhuǎn)向器動力學(xué)模型Fig.1.6Dynamicmodelofrackandpinionsteeringgear因為SBW系統(tǒng)的機構(gòu)動作執(zhí)行靠的是電機驅(qū)動，因此在動力學(xué)模型建立初期，還需要實現(xiàn)對電機的簡單的控制。參照轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機動力學(xué)微分方程，選取轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機的電壓值作為電機的控制參量來實現(xiàn)電機的控制[36]。如圖1.7圖1.7執(zhí)行電機電壓控制Fig.1.7Performmotorvoltagecontrol對于轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機的電機電壓控制采用基礎(chǔ)的PID控制，將方向盤轉(zhuǎn)角經(jīng)過角傳動比控制器后獲得的轉(zhuǎn)向輪理想轉(zhuǎn)角與兩個轉(zhuǎn)向輪的實際轉(zhuǎn)角的均值做差，得到的差值e作為控制器的輸入，經(jīng)過PID控制器和傳遞函數(shù)后獲得執(zhí)行電機的控制電壓。1.3整車模型建立1.3.1CarSim軟件介紹CarSim是美國MSC(MechanicalSimulationCorporation)公司研發(fā)的一款汽車動力學(xué)性能仿真軟件?？梢詫崿F(xiàn)對汽車各個系統(tǒng)的參數(shù)化建模，并能夠模擬建立各種試驗工況來進行仿真試驗，進而分析評價汽車的各方面性能。由于CarSim中自帶有各類汽車的整車模型，因此還常用于對汽車控制系統(tǒng)的集成與開發(fā)。使用CarSim對車輛模型進行動力學(xué)仿真，具體內(nèi)容概括為車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)界面的參數(shù)設(shè)置，試驗工況界面的試驗工況的設(shè)置（包括有道路參數(shù)、駕駛操作過程參數(shù)、外部環(huán)境參數(shù)等），仿真時間的相關(guān)設(shè)置（仿真步長、仿真終止條件等），需要獲得的數(shù)據(jù)曲線設(shè)置等內(nèi)容。如圖1.8所示圖1.8CarSim軟件主界面Fig.1.8ThemaininterfaceofCarSim各個內(nèi)容界面見圖1.9~圖1.11。車輛參數(shù)界面：在該界面可以對汽車的外形參數(shù)、3D模型、驅(qū)動系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、汽車動力學(xué)系統(tǒng)以及制動系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置，也可以選用軟件自帶模型進行簡單分析。工況參數(shù)界面：在該界面可以進行三方面參數(shù)設(shè)置，1）汽車的執(zhí)行動作信息設(shè)置，即在仿真條件下汽車即將以怎樣的速度、制動力、驅(qū)動力及變速條件進行試驗；2）對仿真環(huán)境下的路面狀況進行設(shè)置，如路面條件、道路形狀、道路障礙物等；3）對仿真后要觀察的結(jié)果進行選擇。圖1.9車輛參數(shù)界面Fig.1.9Interfaceofvehicleparameters工況參數(shù)界面：該界面主要是數(shù)據(jù)分析界面，包括有對汽車仿真試驗直接觀察的3D仿真過程動畫，對汽車仿真試驗的試驗仿真數(shù)據(jù)結(jié)果圖像以及對仿真結(jié)果圖像的處理工具等。圖1.10工況參數(shù)界面Fig.1.10Interfaceofdrivingconditionsparameters圖1.11仿真結(jié)果界面Fig.1.11Simulationresultsinterface圖1.12輪胎參數(shù)模型Fig.1.12Interfaceoftireparameters對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能優(yōu)劣的評價指標(biāo)，最終是基于對汽車行駛穩(wěn)定性，且后續(xù)需要參照線性二自由度模型，與搭建的SBW汽車進行對照分析。因此，輪胎模型的選取對于仿真試驗的結(jié)果有著很大的影響。輪胎的模型參數(shù)選取CarSim軟件的車輛模型數(shù)據(jù)庫中自帶的輪胎Pacejka5.2Model模型[37]。該模型是荷蘭教授Pacejka基于“復(fù)合滑移”理論搭建的輪胎模型，并提出汽車輪胎的“魔術(shù)公式（MagicFomula）”可以實現(xiàn)對不同的路況實現(xiàn)近似處理，還能夠?qū)υ囼灁?shù)據(jù)進行差值算法，得到車輪的受力狀況，如側(cè)向力、縱向力和車輪的回正力矩等。輪胎的參數(shù)模型見圖1.12。輪胎的特性參數(shù)側(cè)偏剛度，無法通過參數(shù)模型直接讀取，因此還需要依據(jù)輪胎的側(cè)向力隨轉(zhuǎn)角變化特性曲線進行計算。在CarSim的輪胎模型中，找到不同載荷下的輪胎側(cè)向力隨轉(zhuǎn)角變化曲線，將數(shù)據(jù)保存并導(dǎo)入MATLAB中，利用CurveFittingTool對特性曲線進行擬合計算，得到輪胎的側(cè)偏剛度。結(jié)果見圖1.13，圖1.14。圖1.13前輪側(cè)偏剛度圖1.14后輪側(cè)偏剛度Fig.1.13FrontwheelcornerstiffnessFig.1.14Rearwheelcornerstiffness計算得，前后輪胎的的側(cè)偏剛度k1=-5111.8N/rad；k2=-39539N/rad。1.3.2CarSim/Simulink聯(lián)合仿真建立線控轉(zhuǎn)向整車模型主要的研究核心為SBW系統(tǒng)的控制策略，且Carsim軟件與MATLAB/Simulink有較好的聯(lián)合兼容性能，通過SendtoSimulink功能在Simulink中創(chuàng)建S-function接口模塊實現(xiàn)兩款軟件的聯(lián)合仿真功能。之后將之前在Simulink中搭建好的SBW系統(tǒng)的動力學(xué)模型與S-function模塊相關(guān)聯(lián)即可完成整車模型建模過程。需要注意的是在創(chuàng)建S-function接口模塊之前需要將CarSim中整車模型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)模型關(guān)閉，具體實現(xiàn)操作為，在車輛參數(shù)界面將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)模塊選擇Nolinkedlibrary和設(shè)置駕駛員控制參數(shù)OPT_DRIVER_ACTION=0屏蔽CarSim模型中的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。兩款軟件的聯(lián)合仿真關(guān)系如圖1.15。圖1.15聯(lián)合仿真模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1.15Thestructurediagramoftheco-simulationmodel建立的SBW汽車聯(lián)合仿真模型，如圖1.16圖1.16SBW汽車仿真模型Fig.1.16Carsimulationmodelofsteer-by-wiresystem分析上圖的SBW汽車仿真模型可知，將車速和方向盤轉(zhuǎn)角作為輸入，經(jīng)過變傳動比控制器模塊獲得理論轉(zhuǎn)角。再將理論轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角做差，獲得差值e，作為電機控制的輸入，實現(xiàn)對執(zhí)行電機的電壓Ua2控制[38]關(guān)于SBW系統(tǒng)和整車的部分主要參數(shù)見表1.1表1.1主要參數(shù)參數(shù)單位數(shù)值整車質(zhì)量950前軸距離1.45后軸距離1.45執(zhí)行電機轉(zhuǎn)動慣量0.00015執(zhí)行電機阻尼系數(shù)0.0017執(zhí)行電機扭轉(zhuǎn)剛度132執(zhí)行電機電阻0.4執(zhí)行電機電感0.2執(zhí)行電機反電動勢比例系數(shù)0.0031電磁扭矩系數(shù)0.065電機堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩4齒條質(zhì)量1.5分度圓半徑0.005齒條阻尼系數(shù)1700前輪饒主銷轉(zhuǎn)動慣量0.7855前輪繞主銷阻尼系數(shù)203執(zhí)行電機減速器減速比-16.5前輪側(cè)偏剛度57111.8后輪側(cè)偏剛度395391.3線控轉(zhuǎn)向整車模型工況仿真汽車仿真試驗的主要目的就是在系統(tǒng)設(shè)計完成初期，利用軟件搭建仿真試驗工況，讓車輛模型在虛擬的條件下進行試驗，來驗證功能的完整性和穩(wěn)定性。仿真試驗有著較低的試驗成本，較高的試驗效率。因此現(xiàn)如今，汽車開發(fā)過程中仿真試驗占據(jù)著越來越重要的地位。搭建的模型主要是針對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能進行驗證，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接影響著汽車的操縱穩(wěn)定性和汽車安全性能。針對該方面進行驗證，主要進行的汽車試驗有方向盤角階躍試驗、單移線試驗、雙移線試驗、側(cè)向風(fēng)試驗、方向盤余弦工況試驗、魚鉤試驗等試驗工況。在這之中方向盤角階躍試驗是最簡單直接能夠體現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向特性的試驗工況，而雙移線工況時最能綜合體現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向性能的試驗工況。為確保CarSim/Simulink聯(lián)合搭建的裝備有SBW系統(tǒng)汽車的動力學(xué)模型能夠較好的完成轉(zhuǎn)向功能，驗證模型的正確性。對整車動力學(xué)模型輸入角階躍轉(zhuǎn)向信號和雙移線工況信號來對SBW整車動力學(xué)模型進行仿真驗證。角階躍工況設(shè)置：在附著系數(shù)0.85路面，車速為72km/h，方向盤轉(zhuǎn)角在0到0.5秒從0°增加到90°，得到的SBW車輛模型的仿真結(jié)果如圖1.17，圖1.18。圖1.17橫擺角速度圖1.18側(cè)向加速度Fig.1.17YawrateFig.1.18Lateralacceleration雙移線工況設(shè)置：路面附著系數(shù)為0.85，車速為72km/h的雙移線仿真工況。雙移線工況是一種綜合測評汽車操縱穩(wěn)定性的閉環(huán)試驗，是研究“人—車—路閉環(huán)系統(tǒng)”最有效的試驗工況之一。下圖為SBW車量模型的仿真結(jié)果，如圖1.19，圖1.20。圖1.19橫擺角速度圖1.20側(cè)向加速度Fig.1.19YawrateFig.1.20Lateralacceleration對兩個試驗工況仿真結(jié)果進行分析，觀察分析其橫擺角速度和側(cè)向加速度的變化曲線。首先對于角階躍工況分析，在方向盤轉(zhuǎn)角突變后，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角能夠及時反應(yīng)，車輛的穩(wěn)定狀態(tài)參量也及時變化，且經(jīng)過