论文研究-基于Modleica的操纵稳定性实时仿真方法研究.pdf

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针对传统汽车操纵稳定性设计中缺少经验导致参数匹配不合理、数字仿真分析模型建立过程复杂、数字仿真模型与实时仿真验证模型不一致等问题,在汽车操纵稳定性原理分析基础上,建立了基于刚体力学理论的三自由度操纵稳定性数学模型;采用Modelica语言的陈述式建模方法建立了其数字仿真模型,简化了建模过程;通过Simulink中Modelica模型导入接口,建立了其实时仿真模型,实现了数字仿真模型直接转换为实时仿真模型,为操纵稳定性实时仿真验证提供了技术支持,并以某型号车辆操纵稳定性分析为对象,对该方法进行了应用验证。
张洪昌,丁建完:基于 Modleica的操纵稳定性实时仿真方法研究 2015,51(3)3 其中,Fy方向合力等于轮胎受地面作用Y方向力之和,5实时仿真方法研究及实现 且在关系:F=F,F=Fb;并且,此处采用简化的 基于 Modelica的建模伤真方法,对于复杂数学模型 轮胎模型来计算得到地面作用于轮胎的力,因此, 表达具有很好的优势,但其无法直接支持半物理实时仿 ∑Fr=F+Fn=-2Ka1-2Ka= 真应用。因此,必须研究 Modelica模型与实时仿真L 具的结合应用方法 2K( Q-)-2K(-E)( Matlab / Simulink是当前应用最为广泛的半物理实时 K,、K为前、后轮有效侧偏刚度,E八、E为前、后轮侧倾仿真建模L具软件,通过其代码生成模块,支持 dSPACe、 转向系数,δ为前轮转向角。 RT-Lab、 xPC Target等多数半物理实时仿真目标机2;其 绕X轴外力矩之和为: 外部运行模式,可以将数字仿真模型生成一个独立的运 2M=-(D,+D)P-(, +C, -. 28)9 (5)行程序,在普通计算机上即可实现实时仿真应用,为基 C、C为前后悬架侧倾角刚度,DA、D为前、后悬架侧于日标机的半物理实时仿真应用提供了初步的模型实时 倾角阻尼 性测试验证。因此,研究解决 Modelica模型至 Simulink 绕Z轴外力矩之和为 模型的转换技术,即可实现基于 Modelica模型的半物理 ∑M2=lF/-l,F (6) 实时仿真应用 根据模型编译仿真原理,模型均是转换为中问表达 语言程序,之后再生成计算程序。对于 Modelica模型 4数字仿真方法研究及模型建立 和 Simulink馍模型,其中问表达语言程序均为C语言程序 根据上述复杂数学公式如采川 Simulink方法姓立并且 Simulink中的S函数支持C语言释序在 Simulink模 数字仿真模型,其建模过程十分繁琐和复杂,模块之间信 型中的集成应用。因此,可以借助 Modelica模型的 号流连接混乱;并且需要人工处理代数环问题,这往往 导致仿真结果与工程实验测量结果之问出现很大偏差。 建模仿真软件 MWorks,将 Modleica模型生成 Simulink 中的S雨数支持的C语言程序架构,从而实现 Modelica模 图像相兼容的建棋仿其机理,很好地避免了此类问题型至Sm山校型的转挑。基于 Modelica FUl Simulink的 的出现。因此,对于复杂的汽车操纵稳定性数学模汽车操纵稳定性联合仿真模型如图5所示。 型,非常适宜采用基于 Modelica的建模仿真方法。基于 Modelica建立的汽车操纵稳定性的y轴轮胎力和X、Z 轴力矩的数字仿真模型如图3所示。采用 Modelica文 本公式建模方法,建模过程简单,所建立的数字仿真模 b Scope 型与数学模型表达形式相似,易于理解。 Fy=-2*Kf(h+A r/*Int p-d)-2Kr(b-B"r/l-Er*Int p); Scope2 Mx--(Df+Dr) *der(Int p)-(Cpf+ Cpr)*Int p+ Ms*g*H*I Mz=A*fy f-B"fy r+2(Nf+ Nr)*b-Nfd Modelicablock Scoped Mu(r+ der(b))-Ms*Hder(p)-Fy Scope x der(p)+ Ixz *der(r)-Ms"H*u*(r+dcr(b))=Mx 图5 Simulink与 Modelica联合仿真模型 Iz*der(r)+ Ixz*der(p)=Mz: 图3基于 Modelica文本公式的建模方法 在汽车操纵稳定性仿真分析过程中,设计人员一般 基于 Modelica语言建立的完整三自由度汽车操纫在仿真环境中反复多次调整模型相关参数。但由于模 型设计参数较多、紧密耦合,且参数的非直观性,该方式 稳定性分析数字仿真模型如图4所示。 易导致出现参数混淆、数据遗漏等错误操作,影响仿真 分析应用效果,降低工作效率。因此,提取模型中相关 Suspension Predigest 参数,并作可视化处理,将很好地解决这一问题。 Matlab/GUI是动态系统仿真和图像处理的应用工 具,支持M文件的程序执行方式基于GUI界面调 turtTime-0 Tire MF DOF3 1 DOF3 wgq1 用和显示汽车操纵稳定性仿真分析参数,可以很好地实 d F厂 b 现人机信息交互;并且,基于M文件开发数据通讯接 M、 口,可以实现人机信息交互程序与外部模式中的实时仿 真模型程序之间的数据通讯,以及实现人机信息交互程 图4堪于Ⅵ modelica的三自由度操纵稳定性模型 序与 xPC Target半物理实时仿真目标机之间的数据通 34 015,51(3) Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 讯。基于GU和M文件开发的汽车操纵稳定性人机信 (1)轮胎侧偏刚度影响。如图(a)所示,安装侧偏刚 息交互界面如图6所示。 度较大的轮胎可以使反应时间(按理想阶跃输入丌始到 反应值増至90%稳态值的时间)减少,同时也减小超调 量,过渡时间也显著缩短,说明侧偏刚度较高的轮胎可 以改善汽车对方向盘角指令 (2)车速影响。如图(b)所示,提高车速,反应时间 减少不明显,但超调量与过渡时间显著增大,因此,随着 车速的提高,汽车的转向稳定性下降。 (3)轮胎侧倾转向系数影响。如图(c所示,适度增 大后轮侧倾转向系数对汽车的转向性能有所改善,但影 响不大,综合这三者可以看出,过度增大后轮侧傾转向 图6基于GUI的操纵稳定性人机信息交互界面 系数,不但不能改啻汽车的揀纵稳定性,而且会使反应 程序的主要输入变量为整车质量、悬挂质量、质心性能严重恶化 至前后轴距等14个参数,通过计算求解输出的主要有 4)重心位置影响。由图(d)和图(e)可以看出,在 横摆角速度、质心侧偏角、悬架上下质量相对侧倾角、侧低速时,重心后移使汽车的可操纵性变坏;在车速较高 倾角速度等数据。 吋,重心后移有利于改善汽车的操纵稳定性。随着重心 的前后移动,前后轮的侧偏刚度也随着轴荷成正比的改 6操纵稳定性参数敏感度仿真分析应用验证 变,这表明重心的前后移动对转向角阶跃输入反应几乎 基于 Modelica和 Simulink模型及 Matlab/GUI具完个没有影响。 开发汽车三自由度操纵稳定性分析软件的主要作用是: 方面可提供操纵稳定性设计与优化参考:另一方囿 结论 可以分析出操纵稳定性对相关参数敏感度。以CA770 基于 Modelica建模语言和 Simulink联合仿真的汽 型汽车作为研究对象,对该分析方法进行应川测试验车操纵稳定性分析方法,充分发挥了 Modelica语言的非 证,输入相关模型数据凹,可以实现对轮胎侧偏刚度、车因果及其文本建模的直观简便的建模机理优势,降低了 速轮胎侧倾转向系数、重心未知等参数敏感度进行分建模难度和复杂度;并且通过 Simulink中S函数功能, 析,操纵稳定性的仿真分析结果如图7所示。 实现了 Modelica模型与半物理实时仿真的应用结合 1.4 14 21.2 1.0 图0.8 的二0.6 巴蚁汪 二 瞅烟 0.5 0.4 E=0 0.2 =23147,k=38318 F=04 F=20 mis k,=23147×11,k=38318×1.1 I=40m oE.=10 00.51.01.52.02.5303.540 0.51.01.52.02.53.03.54.0 0.51.01.5202.53.03.54.0 时间 时间ts 时间ts (a)轮胎侧偏刚度影响 (b)车速影响 (c)轮胎侧倾转向系数影响 .4 二1.5 送想0.6 做三1.0 l=1.84,l=1.88、V=20 涵0.5 0.2 l=1.84,4,=1.8,p=40 l1=224,l=1.48,=20 51.01.52.02.53.03.540 时间ts 时间ts (d)20m/s车速时重心后移影响 (e)40m/s车速时重心后移影响 图7汽乍操纵稳定性仿真分析结果 (下转108页)

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