汽车系统动力学第2版喻凡基本课件第16章节MATLAB环境下车辆系统建模仿真与控制器设计.ppt

尚辅网 / 第十六章MATLAB环境下车辆系统建模、仿真与控制器设计实例　　　 □第一节　MATLAB/Simulink软件介绍 □第二节　实例1 □第三节　实例2 □第四节　实例3 第一节　MATLAB/Simulink软件介绍 MATLAB涵盖了数学运算、数字信号处理、系统识别、自动控制、优化设计、神经网络、化学、统计学等各个领域。 Simulink是基于MATLAB的图形设计环境,主要用于对工程问题进行建模和动态仿真,其适用范围广,可对任何可用数学来描述的系统进行建模。 MATLAB的功能主要是由各种工具箱 (Toolbox) 来实现的,其核心工具箱可分为两类,即功能性工具箱和学科性工具箱。 功能性工具箱可应用于多学科,主要可用来扩充其符号计算功能,如符号计算工具箱(Symbolic Math Toolbox)、图形建模仿真功能、文字处理功能,甚至还发展到可以实现与硬件实时交互功能,如Real Time Workshop工具箱。 学科性工具箱专业性较强,如控制系统工具箱(Control System Toolbox)、优化工具箱(Optimization Toolbox)、信号处理工具箱(Signal Processing Toolbox)、系统辨识工具箱(System Identification Toolbox)等,这些工具箱都是由该领域的专业人员编写的,针对研究问题不同,用户可方便地选择使用。 第二节　实例1——制动动力学计算机建模、 仿真及ABS控制器设计 一、动力学建模 1.单轮模型 某车辆简化后的单轮制动动力学模型如图16-1所示。其中单轮模型质量为m,车轮滚动半径为rd,车轮转动惯量为Iw,车轮旋转角速度为ω,车轮轮心前进速度为uw,地面制动力为Fxb,作用于车轮的制动力矩为Tb。若忽略空气阻力与车轮滚动阻力,则系统的运动方程如下: 式中,地面制动力Fxb等于地面作用于车轮的法向反力Fz与路面附着系数μ的乘积,其中μ为制动滑移率sb的函数。 图16-1　单轮制动动力学模型 第二节　实例1——制动动力学计算机建模、 仿真及ABS控制器设计 2.分段线性的轮胎模型 根据第三章中介绍的有关轮胎纵向特性的内容,路面附着系数与车轮滑移率之间存在一定的非线性关系。如果用两段直线来近似表示路面附着—滑移曲线,可得到分段线性化的附着系数μ与车辆滑移率sb的关系,如图16-2所示。 式中,地面制动力Fxb等于地面作用于车轮的法向反力Fz与路面附着系数μ的乘积,其中μ为制动滑移率sb的函数。 图16-2　线性化的路面附着系数与车轮滑移率关系曲线 表达式如下: 二、控制算法 这里以门限值控制算法(threshold algorithm)为例,说明ABS控制器设计及制动系统动力学的仿真过程。所谓门限值控制算法,其基本思想就是保证车轮滑移率在所设定的理想范围之内。制动开始后,随着制动压力的升高车轮转速ω相应减小,车轮出现滑移;当车轮滑移率达到理想范围的上限值smax时,减小制动压力;随着制动压力的减小,滑移率又逐渐减小,直至减小到滑移率下限值smin时再增大制动压力。循环往复这一过程直至车辆停止。因此,在ABS控制器起作用的过程中,滑移率总保持在设定的理想范围之内,从而保证车辆理想的制动性能及其对方向的控制能力。 第二节　实例1——制动动力学计算机建模、 仿真及ABS控制器设计 三、仿真流程及参数输入 由上可知,ABS控制器所用到的一些重要参数有: 1) 由路面附着系数μ与滑移率sb的关系曲线所表示的轮胎模型; 2) 滑移率控制上限smax、下限smin; 3) 车辆模型参数及初始车速uw0; 4) 制动器作用力矩变化率ki和kd等。 根据分析可知,控制逻辑实现的关键是计算当前车轮滑移率sb(t)并与预先确定的门限值(smin,smax)进行比较,来判断对制动液压控制系统的增压或减压操作,仿真流程如图16-3所示。 第二节　实例1——制动动力学计算机建模、 仿真及ABS控制器设计 四、实例分析 对图16-1所示的单轮制动动力学模型而言,其等效模型参数由表16-1给出。设式(16-3)定义的路面附着系数分别为μmax=0.8,μs=0.6。以门限值控制算法设计ABS控制器,使车轮滑移率sb保持在最优值(sopt=0.2)附近,这里分别取smin=0.18,smax=0.22。 第二节　实例1——制动动力学计算机建模、 仿真及ABS控制器设计 参数 符号 单位 数值 参数 符号 单位 数值 车轮等效质量 m kg 300 初始制动力矩 Tb0 N·m 600 车轮动力半径 rd m 0.25 作用力矩变化率(增) ki N·m/s 4500 车轮转等效动惯量 Iw kg·m2