MATLAB/Simulink&Simdriveline在汽车理论教学中的应用

摘 要:汽车理论是汽车工程类专业的重要基础课,针对汽车理论这门课程理论性强、内容概念抽象、计算复杂、不易理解的特点,提出了采用基于MATLAB之下Simulink和Simdriveline仿真软件来辅助课堂教学。在教学过程中,以汽车驱动力与行驶阻力的关系为例,通过搭建仿真平台,对New York City Cycle (NYCC)纽约城市循环工况的仿真演示,清晰动态地反映出汽车动力特性对于工况在各个时域图的响应状况。实践证明,Simulink和Simdriveline辅助教学可以使抽象的汽车理论变得形象化,从而有利于学生的理解,提高课程的教学效果。

关键词:汽车理论 Simulink Simdriveline 建模 仿真

中图分类号:G434 文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 03-141-04

汽车理论是高等学校汽车及机械工程类专业的主干基础课之一,它为进一步学习专业课程奠定了基础,在教学中发挥着承前启后的作用。该课程重点介绍了汽车的七大性能指标,内容涉及动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、行驶平顺性、通过性、排放及噪声污染等多个方面知识。这样侧重于理论性与概念教学的课程,它是反映事物本质的物理概念、数学概念与工程概念三者结合的产物。在实际的教学过程中,学生普遍反映该课程概念抽象,计算推导过程较多,涉及大量的数学知识且计算繁杂,以致难于对其中的基本理论和分析方法很好地理解和掌握。汽车理论是一门理论性和实用性很强的课程,传统的课堂教学和简单的硬件验证实验相结合的教学方法已难以满足教学的要求。寻求一种新的教学方法成为当前教学中急需解决的问题。

1在汽车理论教学中,使用MATLAB/Simulink& Simdriveline的优势

在汽车理论教学中,存在大量的数值计算、推演及数学模型理论,这一直是教学中的难点,而MATLAB在图形和计算上的优势使其成为解决我们在汽车工程专业教学中所遇问题的最佳工具。MATLAB以其模块化的计算方法,可视化与智能化的交互功能,丰富的矩阵运算,图形绘制和数据处理函数,以及模块化图形组态软件仿真工具成为科学计算、动态仿真、系统控制、图形处理、信号处理、数据统计等领域最受欢迎的软件系统 。

MATLAB提供了大量的数值计算函数和符号计算函数,通过调用MATLAB提供的函数和其附带的模块工具进行分析和计算,不但可以准确地画出图形,计算出相应的性能指标,大大提高工作效率,而且能有效地调动学生的积极性。对于汽车工程领域中的计算问题,主要包括多项式和矩阵运算、数值微分和积分以及符号微积分、方程求解等,使用MATLAB能使学生能跳出繁琐的数学计算,集中精力于专业知识的学习。

MATLAB的模拟仿真模块为试验模拟提供了优秀的工作平台,使得实验可以在无硬件支持的条件下实施,并且可以实时反映数据变化,这是传统实验不具备的。Simulink是MATLAB提供的进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它支持线性和非线性系统,Simulink提供的图形用户界面GUI上,用户只要对所需系统模块进行鼠标的简单拖拉操作,就可构造出复杂的仿真和分析模型 。在Simulink环境中,用户可以在仿真进程中改相关参数,实时地观察系统变化,并能将分析计算结果保存在MATLAB的工作空间中,并借助MATLAB语言所具有的众多分析工具进行数据操作。同时,Simulink提供了丰富的模型库供构建系统模型使用,它具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点 ,可以大大提高仿真的效率和可靠性;它具有高度的开放性,用户可以根据自己的需要开发模型,并通过封装后添加到模型库中,以后就如同调用Simulink自身提供的模型库一样直接调用即可。利用这种特性,可在课堂上开设的仿真实验,以加深学生对理论的理解与接受。

数据分析模块为数据分析和处理提供了方便,使数据处理不再是困扰学生的最大难题;MATLAB强大的图形处理和数值计算功能在汽车设计和综合控制上显示出其不可替代的优越性,使设计过程简单化,MATLAB的优化工具箱为工程优化提供了最简单高效的工具。

Simulink工具箱中的Simdriveline模块是专门为车辆动力传动系统建模仿真设计的。与传统的数学模型不同,Simdriveline采用基本元素法,即按照实际物理结构来搭建,可以直接选用转动惯量、离合器、变速器、车轮和自定义模块。Simdriveline模型接口以机械力矩传递为主,数据信号传递为辅,具有双向性,动态特性很好。同时,由于Simulink与Simdriveline强大的交互性,利用该软件设计的CAI,学生可改变相关计算参数,就可实时看到计算及仿真结果。

针对学生对于汽车控制策略难于理解和掌握的情况,引入Stateflow工具箱知识能很好帮助学生对控制策略形成全新的认识。Simulink/Stateflow是为建模和仿真时驱动系统的集成设计工具,包含复杂的逻辑管理。在Stateflow中提供图形界面支持的设计优先状态机的方法,它允许用户建立起有限的状态,并可以用图形的形式绘制出状态迁移的条件,从而构成整个状态机系统 。采用Stateflow建立系统控制模型,可以快速对整车在不同工况下进行性能分析、比较,从而可以预选控制参数,达到最佳控制状态。利用Stateflow在PID控制、模糊控制、神经网络控制和最优化控制方面的优势 ,可以迅速建立不同车型的数学模型,进行各种控制方法的仿真研究,继而开发出有效、实用的控制器,真正实现虚拟开发。

在教学中使用MATLAB数字仿真,可以大大增强课堂的信息量,提高教学效率以及课堂的交互性和趣味性,使教学过程更加开放、生动,方便学生理解和掌握抽象的理论知识,有助于学生独立思考和创新能力的培养;另一方面,利用MATLAB对汽车理论课程中所涉及的内容进行仿真,形式生动、形象直观、启发性强,能增强学生的感性认识,加强其对授课内容的理解,也使学生能够掌握MATLAB这一工程实践中经常用到的数学仿真软件,可谓一举多得。

2MATLAB/Simulink在汽车理论教学中的应用实例

下面用MATLAB/Simulink仿真软件结合汽车理论课程中的汽车驱动力与行驶阻力的关系为例进行建模分析。

2.1汽车驱动力与行驶阻力的关系

分析汽车动力性时,汽车驱动力与行驶阻力平衡图与动力特性图是一个非常重要的概念。

其行驶方程式为

即

当发动机的转速特性、变速器传动比、主减速比、传动效率、车轮半径、空气阻力系数、汽车迎风面积以及汽车质量等参数确定后,便可利用此公式分析汽车在性能良好的典型路面上的行驶能力 。上述表达式描述了汽车行驶中的重要参数——力矩,而力矩的变化将直接影响到发动机输出转速。建模过程中,力矩和转速将成为主要的数据信号流,把它转化成Simulink和Simdriveline的模块符号,开始建立汽车模型。

图1汽车驱动力与行驶阻力平衡图

在MATLAB/Simulink仿真环境中,汽车仿真模型主要包括发动机、离合器、变速器、差速器、车轮等几个部分。控制结构模型从上至下分别为驾驶员驱动控制(Driver Control)、传动系统控制、部件控制单元 和三个模块。其中驾驶员控制模块根据道路循环的请求速度和汽车实际速度,使用PI控制器,计算出对车轮的驱动扭矩。传动系统作用是将对汽车传动系统的请求扭矩按照一定的算法分配给发动机,模块包括发动机、变速器、主减速器与差速器等部件的模型。这些模型经过计算,得到汽车中各个部件的工作状态,并且将这些参数组合成传动系统信息反馈到控制器模块。部件控制单元的作用是生成汽车各部件的控制命令,它们包括发动机命令、离合命令、变速系统命令等,然后将这些控制命令传递到传动系统模块。每一个时间步长都需经历仿真计算过程,道路循环的仿真是由多个相同时间步长的循环计算组成。

驾驶驱动控制主要目的是模拟驾驶员按照给定路况(NYCC)行驶过程中,将分析判断及实施操作的结果传递到对相关机械设备上对其进行控制,引起速度和力矩等关键参数的输出变化,这种变化通过传动系最终传递给车轮,车辆瞬时速度的变化就是驱动控制直接表现。

(1)驾驶员模型

通过对汽车驱动力与行驶阻力的关系的分析,可以将它看作一个驾驶员模型,即根据道路循环的请求速度和汽车实际速度,计算出对车轮的驱动扭矩。其输入参数为道路循环的请求速度和坡度,输出参数为驾驶员的控制信号。根据道路循环的请求速度和汽车实际速度的差异,驾驶员模型计算出驾驶员的请求扭矩Tdd,它等于汽车损失扭矩Tloss与校正扭矩△T 之和。

汽车驱动力与行驶阻力方程式可转化为

Twh =Trolling + Taero + Tgrade + Taccelerate(公式1)

其中:Twh——汽车行驶过程中的驱动力;单位:N

Trolling ——车轮克服地面滚动阻力所需转矩;单位:N

Taero——车轮克服风阻所需转矩;单位:N

Tgrade——车轮克服坡度阻力所需转矩;单位:N

Taccelerate——车轮克服加速阻力所需转矩;单位:N

(公式2)

(公式3)

(公式4)

(公式5)

式中:为空气密度CD 为风阻系数

A为迎风面积rwh为车轮半径

f 1, f 2, f 3, f 4为滚动阻力系数(根据不同轮胎而定)

为驾驶员需求坡度值;ua为驾驶员需求车速

汽车旋转质量换算系数

校正扭矩采用PI控制方法计算:

其中:k1 ——比例系数,变量: kp = 1000

k2 ——比例系数,变量: ki = 0.5△u = udc - u

其中:udc——道路循环的请求速度,单位:m/s

u ——汽车实际行驶速度,单位:m/s

驱动循环与驾驶员模型如下:

图2 驱动循环与驾驶员模型

建模中需要注意,在Simdriveline模块库中包括环境参数与惯量、齿轮、动态元件、变速器、传感器与激励器、旋转耦合器、接口与车辆单元。各个模块都有标准的数据输入/输出接口→,其中传递的是扭矩与转速的机械信号,而并非是Simulink中的数字信号。但并没有影响到模块的接口的兼容性,传感器与激励器可以实现信号之间的灵活转化使数据传递方便。

(2)传动系统控制

传动系统控制主要是对转速和转矩的传递进行控制。驾驶员控制器的主要任务是比较实际速度与期望速度,它直接影响到传动控制中档位和刹车状态。传动系统控制可用来模拟离合器踏板位置。同时,档位选择将通过MATLAB/Stateflow制定一个实时换档策略来实现。

档位的选择只取决于速度,因此可以根据速度的高低制定相应实时换档控制策略(如下表所示):

(表一)

档变速器档位控制策略如下图所示:

图3 MATLAB/Stateflow对变速器档位控制

驾驶员控制器的差值将作为PI控制器的输入,传动系统控制的输出限制在区间.北京:北京航空航天大学出版社,2003.

黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真.北京:人民邮电出版社,2008.

余志生.汽车理论[M].北京:清华大学出版社,2000.