面向汽车动力学控制的汽车仿真软件开发

面向汽车动力学控制的汽车仿真软件开发1李幼德，刘巍， 李静吉林大学汽车工程学院 (130022)E-mail ：aweii_liu@摘 要：汽车动力学仿真软件对汽车电控系统的开发具有重要意义。

本文利用Matlab/Simulink 软件编制适用于汽车电控制系统开发的汽车动力学模型，并编制了图形用户界面，并针对样车进行了不同工况的模拟。

关键词：汽车动力学，图形用户界面，仿真1．引言随着汽车电子控制系统的发展，特别是汽车电控制系统开发手段的发展，以Matlab/Simulink 和Dspace 为开发平台的V 流程的电控系统开发方法已被越来越多的开发商所采用。

在汽车电控制系统的开发中，例如汽车牵引力控制系统（TCS ）、汽车制动防抱死控制系统（ABS ）和汽车稳定性控制系统（ESP ）等，为了研究汽车各控制系统的控制算法，汽车动力学仿真模型是必不可少的。

而传统的汽车动力学仿真模型(如Adams 和Simpack 等)，由于仿真的实时性较差，并不能够满足汽车电控制系统开发的要求。

因此，开发基于Matlab/Simulink 平台的汽车动力学仿真软件对于汽车电控系统具有重要的使用价值。

2．汽车动力学模型考虑汽车动力学模型运行实时性的要求，汽车动力学模型需要进行适当的简化。

因此，忽略汽车的侧倾和俯仰运动，以及悬架的影响，但是考虑了汽车载荷的转移。

在汽车动力学模型中，包括：发动机模型、传动系模型、轮胎模型、车轮模型以及整车模型等。

2.1发动机模型发动机模型的输入包括：油门开度、反馈的发动机转速。

整个的发动机将简化为一个一阶惯性环节系统[1]。

121sT e e T eM sT −=+ （1）其中：e M 发动机的动态输出力矩；为发动机的静态输出力矩，为系统时间常数，为系统滞后时间常数而拉氏变换变量。

e T 2T 1T s 2.2制动器模型制动器模型采用的是盘式制动器模型，公式如下：b w T A n s P b µη=⋅⋅⋅⋅⋅ （2）1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20020183025）资助- 1 -其中：A 制动钳与制动盘的接触面积；单个车轮制动器中制动钳的数量；w n µ制动钳和制动盘之间的摩擦系数；有效摩擦半径；s η制动效率。

2.3轮胎模型非线性的轮胎模型选用Dugoff [2]轮胎模型。

公式如下：(1peak s A R µµ=− （3）H =（4） 21111114sx ssC H s F s C H s H H ⋅<−=−≥−⎧⎪⎪⎨⎛⎞⎪⎜⎟⎪⎩⎝⎠22 (5) ()211tan 11111tan 14yC H s F C H s H H αααα⋅<−=22−≥−⎧⎪⎨⎪⎩ (6) 其中：s C 轮胎纵向刚度；C α轮胎侧向刚度；s 轮胎滑转率；α轮胎侧偏角；x A 摩擦系数；µ路面附着系数；轮胎滚动半径；R ω车轮转速；xF 轮胎纵向力；yF 轮胎侧向力。

2.4车轮模型车轮运动学方程为：__w ij d b ij wx ij f I T T R F T ω=−−⋅−& （7）上面的公式没有考虑到轮胎在运动中的变化，有效动态旋转半径等于轮胎的静态半径。

ij ω为轮胎的角速度，ij r ω为轮胎坐标系下的车轮的速度；在进行轮胎滑动率计算时需要在车轮坐标系下进行，因此需要计算轮胎与路面接触点的汽车的车速。

其中：为驱动力矩；为制动力矩；d T b T wij F 为轮胎力；f T 为阻力矩。

2.5载荷转移计算虽然忽略了悬架的作用，但是汽车由于制动、驱动和转向时由于汽车纵向和侧向加速度的作用，汽车四个车轮的垂直载荷也是变化的，如下所示：()()()()222y x rl zf f rf rf rf r ma hma hmgl l F l l l l l l t t =−−⋅++++r（8）()()()()222y x rzfr f rf r f r f r ma hma hmgl l F l l l l l l t t =−⋅++++r+ （9）- 2 -()()()()222f y x l zr f rf rf r f r mgl ma hl ma hF l l l l l l t t =+−⋅+++f+ （10）()()()()222f y x l zf f rf r f r f r mgl ma hl ma hF l l l l l l t t =++⋅++++f（11）其中：a 汽车质心纵向速度；a 汽车质心侧向速度；x y zij F 汽车四个车轮的垂直载荷；h 汽车质心高；f l 汽车前轴距；汽车后轴距；r l f t 汽车前轮距；t 汽车后轮距；m 汽车质量。

r 2.7 驾驶员模型图1 人工神经网络驾驶员模型框图为完成汽车闭环仿真，如双移线行驶等，需要建立驾驶员模型。

驾驶员模型采用预瞄优化人工神经网络驾驶员模型[3]（如图1所示），驾驶员模型的参数，如T P 、w 、w 、w 和由人工神经网络训练得到。

1234w2.8整车模型整车模型只考虑了汽车的纵向、侧向和横摆运动。

运动方程如下：()cos cos sin sin x y xFl xFr yFl yFr xRl xRrf ff f m V V F F F F F γδδδδ⋅−⋅=+−−++&F F (12)()sin sin cos cos y x xfl xfr yfl yfr yrl yrrf ff f m V V F F F F F γδδδδ⋅+⋅=+++++& (13)(cos cos 2sin sin )()2(sin sin cos cos )()f z xfl f xfr fr yfl f yfr f xrl xrr f xfl f xfr f yfl f yfr f r yrl yrr t I F F tF F F l F F F F l F F γδδδδδδδδ⋅=⋅−++−+⋅−++⋅+++−⋅+&F (14)其中：I Z 汽车转动惯量，V x 汽车纵向车速，V y 汽车侧向车速，γ&汽车横摆角速度，f δ汽车前轮转角。

3．GUI 界面的编写- 3 -采用人机交互界面可以大大的提高汽车动力学仿真软件的通用性。

因此，利用Matlab 的Guide工具箱[4][5]编制了汽车动力学仿真软件的前处理、控制面板和后处理界面（如图2所示）。

在前处理界面中可以输入各种参数，如发动机的外特性、变速器的档位以及汽车的转动惯量等等。

在控制面板中可以选择仿真的步长、算法以及仿真的工况等；在后处理界面中可以处理仿真后的数据、曲线以及动画。

图2 汽车动力学仿真软件GUI界面4 仿真结果本文以NJ2045汽车为仿真的参考样车，汽车参数如表1所示：表1 仿真汽车参数表汽车质量m 4400Kg汽车转动惯量I z6100 Kgm2m汽车质心高度h 0.8汽车轴距l 2.8 m汽车质心到前轴距离l f 1.241 m汽车两前轮距离t f 1.67 m汽车两后轮距离t r 1.67 mm车轮滚动半径R 0.4轮胎纵向刚度C x186900 N/rad轮胎侧向刚度Cα227300 N/rad路面附着系数μ 0.1~1制动器效能因数 0.78仿真工况分为双移线和方向盘阶跃输入两种，汽车初始车速为18m/s，路面附着系数为1。

其中方向盘阶跃输入工况下，方向盘的输入值为1rad，汽车的行驶轨迹如图3示。

在双移线工况，汽车理想的行驶轨迹如图4虚线所示，同图中的实线为汽车的实际行驶轨迹。

而图5在双移线行驶时的方向盘的转角时间历程曲线。

- 4 -图4 双移线行驶下汽车行驶轨迹图图3 方向盘阶跃输入下汽车行驶轨迹图图5 双移线行驶下方向盘转角输入5 结论仿真结果表明，汽车动力学仿真软件可以对各种不同的行驶工况进行仿真。

为下一步汽车电控制系统的控制算法的开发打下了基础，也可以加快快速原型及硬件在环的开发研究。

参考文献[1] 程军. 汽车防抱死制动系统的理论与实践.北京：北京理工大学出版社，1999年9月 [2] Christopher R. Carlson ，J. Christian Gerdes . Optimal Rollover Prevention with Steer by Wire and DifferentialBraking. IMECE2003-41825[3] 程颖 . 基于误差分析法的驾驶员模型及其在ADAMS 中的应用：[学位论文]. 吉林大学，2003 [4] 张志涌 等编著. 精通MATLAB 6.5版. 北京航空航天大学出版社，2003年3月 [5] 尹泽明，丁春利 等编著. 精通MATLAB 6. 清华大学出版社，2002年6月- 5 -The Development of Vehicle Dynamics Simulation Softeware Used in Vehicle Dynamics ControlLi Youde, Liu wei, Li JingSchool of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun, 130025AbstractThe vehicle dynamics simulation software is very important to the development of vehicle electronic control system. The vehicle dynamics model that used in the development of vehicle electronic control system and the Graphics Use Interface are developed by the Matlab/Simulink software. The simulation is carried out according to various conditions.Keywords: Vehicle dynamics, Graphics use interface, Simulation作者简介：李幼德，男。

1946年生。

博士生导师、教授。

主要研究方向是主要研究方向为汽车地面系统分析与控制刘巍，男。

1978年生。

博士研究生。

主要研究方向是主要研究方向为汽车地面系统分析与控制- 6 -。