对汽车控制系统建模与仿真
控制系统建模设计与仿真概述
二、控制系统的建模方法
• 数学建模过程
坐标系定义
• 直角坐标系
直线运动——力，线加速度、线速度和位移 旋转运动——力矩，角加速度、角速度和角度
• 坐标系变换
地理坐标系 车体坐标系 传感器坐标系
余弦矩阵 四元素
俯仰->偏航->滚动
二、控制系统的建模方法
• 数学建模过程
被控对象 • 模型结构已知，通过测力等试验获取模型参数，得到 非线性耦合模型 • 例如，汽车轮胎滑移特性试验、飞机风洞试验等
• 建立数学模型的原因
• 便于控制算法设计与分析 • 便于通过仿真分析与评价系统性能
• 控制系统仿真的原因
• 优化控制系统设计 • 系统故障再现 • 部分替代试验，减小试验的次数 • 快速验证，大幅缩短验证周期 • 边界验证，替代具有危险性的试验
一、控制系统概述
• 控制系统建模、设计与仿真验证流程
二、控制系统的建模方法
• 数学建模过程
执行器 • 物理建模
• 试验建模
阶跃激励获取最大角速度 正弦扫频获取频率特性
二、控制系统的建模方法
• 数学模型转换
时域模型
微分方程
s=p
jw=p
求解
时域响应
传递函数
计算
频率特性
频域响应
s=jw
复数域模型
频域模型
控制系统建模、设计 与仿真概述
一、控制系统概述 二、控制系统的建模方法 三、控制律的设计方法 四、仿真验证和分析评价
控制系统建模、设计 与仿真概述
一、控制系统概述 二、控制系统的建模方法
三、控制律的设计方法 四、仿真验证和分析评价
一、控制系统概述
• 广义的控制系统
并联式混合动力汽车的AMESim建模与仿真
文章编号 ：０ ８—１０ （０ ２ ０ １０ ４ ２ ２ １ ｝ ３－０５ ０ ３０－ ５
并联 式 混 合 动 力汽 车 的 Ａ Ｓｍ建 模 与仿 真① ＭＥ ｉ
郝 伦 飞
（ 同济大学 中德学院 车辆 工程 ． 上海 ２ １０ ） ０ ８４
摘
要 ： 利 用 Ａ Ｓｍ 软件 针 对 某混合动 力汽 车建 立其仿 真模 型 ， 点研 究并制 定 了使 发动机 ＭＥ ｉ 重
电驱动系统两个动力系组成 ， 并利用机械耦合将发 动机和电动机提供的功率组合在一起 ， 并将总转矩
传递到驱动轮 ， 而驱动汽车． 动机和 电机可进 从 发 行分别独立控制， 因此具有传统内燃机车辆和纯电
动 汽车两 者 的优点 ． 本 文 的最 终 目的就 是 建立 一 个 实 用性 强 的 考
Ｏ １ ．
方程 ， ＝
Ｃ Ａ
＋Ｆ ＋Ｆ 建 立 ， 或
，
＝ｍ
０．０ ９
０．０ ８—
０．０ ７
ｃ ＋ ０
：＋ｍｇ ｍ
０ ０ 爱 ．６
０．０ ５芑
０．０ ４
式 中 ： Ｆ 为驱 动力 ， 为滚 动阻 力 ， 为空气 阻 力 ，
０．０ ３
的运行工况通过查表插值法求得发动机的瞬时燃 油 消耗 和排 放数 据 ． 发动 机 的等燃 油消 耗 曲线 如 此
图 ５所示 ．
舍
图 ２ Ａ Ｓｍ 的 车 辆 模 型 ＭＥ ｉ
面积 ， 为 车速．
图４ 蓄 电池开路 电压 和内阻与放电深度的关系曲线
２ ４ 发 动机 模型 ．
发 动机 模 型基 于发 动 机 试 验 台架 测 得 发动 机 的万 有特 性 曲线 和排 放 数据 。 命名 为模 型规定 的 并 特定 名字 与 格式 的数 据 文件 ， 由此模 型根 据发 动机
自适应巡航控制系统的建模与联合仿真
自适应巡航控制系统的建模与联合仿真1、本文概述随着汽车行业的快速发展，智能驾驶辅助系统已成为现代汽车不可或缺的一部分。
自适应巡航控制（ACC）作为智能驾驶的重要组成部分，可以有效提高驾驶的安全性和舒适性。
本文旨在探索自适应巡航控制系统的建模和联合仿真方法。
通过构建精确的系统模型，结合先进的仿真技术，可以实现对自适应巡航控制系统性能的综合评估和优化。
文章首先介绍了自适应巡航控制系统的基本原理和功能，包括它的发展历史、技术特点以及它在汽车安全驾驶中的作用。
随后，文章阐述了自适应巡航控制系统的建模过程，包括车辆动力学模型、传感器模型、控制算法模型等关键部分的构建方法。
在此基础上，文章进一步介绍了联合仿真的概念及其在实现自适应巡航控制系统性能评估中的优势。
通过联合仿真，可以在虚拟环境中模拟真实的道路场景，全面测试自适应巡航控制系统的响应速度、稳定性和安全性等关键指标。
这种方法不仅降低了系统开发成本，而且提高了开发效率，为自适应巡航控制系统的实际应用提供了有力的支持。
文章总结了自适应巡航控制系统建模与联合仿真的重要性和应用前景，并展望了未来的研究方向。
本文的研究成果将为自适应巡航控制系统的优化和改进提供理论支持和实践指导，促进智能驾驶技术的发展和普及。
2、自适应巡航控制系统的基本原理自适应巡航控制（ACC）是一种智能驾驶辅助系统，旨在通过自动调整车辆的速度和与前车的距离来提高驾驶安全性和舒适性。
其基本原理主要基于车辆动力学、传感器技术和控制理论。
自适应巡航控制系统使用车辆前方的雷达或摄像头等传感器设备来检测前方道路环境和目标车辆的实时信息，包括前方车辆的距离、相对速度和动态行为。
这些信息为系统提供了决策依据。
基于所获得的前方车辆的信息，自适应巡航控制系统计算适当的加速或减速命令，并通过车辆的控制系统实现对发动机、制动系统和其他执行机构的精确控制。
该系统的目标是保持车辆与前车之间的安全距离，并在必要时自动调整速度，以适应前方交通环境的变化。
基于CarsimSimulink联合仿真的分布式驱动电动汽车建模
基于CarsimSimulink联合仿真的分布式驱动电动汽车建模一、本文概述随着电动汽车技术的快速发展，分布式驱动电动汽车（Distributed Drive Electric Vehicles, DDEV）因其高效能源利用、优越操控性能以及灵活的驱动方式，正逐渐成为新能源汽车领域的研究热点。
为了更深入地理解和研究DDEV的动态特性与控制策略，建立精确的车辆模型是关键。
本文旨在探讨基于Carsim与Simulink 联合仿真的分布式驱动电动汽车建模方法，以期在车辆动力学建模、控制策略优化和系统集成等方面提供有效的技术支撑。
本文首先介绍分布式驱动电动汽车的基本结构和特点，阐述其相较于传统车辆的优势。
随后，详细介绍Carsim和Simulink两款软件在车辆建模和仿真分析方面的功能和特点，以及它们联合仿真的优势。
接着，将重点介绍如何利用Carsim建立DDEV的车辆动力学模型，包括车辆动力学方程、轮胎模型、驱动系统模型等。
将探讨如何利用Simulink构建DDEV的控制策略模型，包括驱动控制、制动控制、稳定性控制等。
在建立了DDEV的车辆动力学模型和控制策略模型后，本文将详细阐述如何将这两个模型进行联合仿真，并分析仿真结果。
通过对比分析不同控制策略下的车辆性能表现，验证所建模型的准确性和有效性。
本文还将讨论分布式驱动电动汽车建模面临的挑战和未来的研究方向，为相关领域的研究者提供参考和借鉴。
二、Carsim软件介绍Carsim是一款由密歇根大学开发的高级车辆动力学仿真软件，广泛应用于车辆控制、车辆动力学、主动和被动安全、电动和混合动力车辆以及先进的驾驶员辅助系统等领域的研究和开发。
该软件以模块化的方式集成了车辆各个子系统的动力学模型，包括发动机、传动系统、制动系统、转向系统、悬挂系统、轮胎以及车身等。
Carsim的核心优势在于其强大的物理引擎和精确的仿真能力。
通过精确的算法和详尽的车辆参数数据库，Carsim能够模拟出车辆在各种道路条件和驾驶操作下的动态行为，如加速、制动、转向、侧滑等。
纯电动汽车建模与仿真研究
毕业设计（论文）设计(论文)题目：纯电动汽车建模与仿真研究学生姓名：指导教师：二级学院：专业：班级：学号：提交日期：答辩日期：目录摘要........................................................... I I Abstract ....................................................... I II 1 绪论. (1)1.1 电动汽车概述 (1)1.2 国内外纯电动汽车发展现状 (2)1.3 我国发展纯电动汽车面临的问题和挑战 (5)2 纯电动汽车的工作模式和原理 (7)2.1纯电动汽车的构造与原理 (7)2.2 纯电动汽车的关键技术 (11)2.3 纯电动汽车的应用 (14)3 纯电动汽车的建模与仿真 (16)3.1仿真分析在控制开发策略中的作用及应用举例 (16)3.2纯电动汽车仿真软件的简介 (17)3.3纯电动汽车系统建模 (20)4 纯电动汽车优化设计策略分析 (30)4.1 仿真软件优化设计原理与研究 (30)4.2 纯电动汽车优化设计问题的策略分析 (30)5 全文总结与展望 (32)5.1 全文总结 (32)5.2 研究展望 (32)参考文献 (33)致谢 (34)纯电动汽车建模与仿真研究摘要汽车工业的高速发展引发了世界对能源和环境的关注，纯电动汽车具有低噪声、无污染、能量来源多样化、能量效率高的特点，是解决城市化中的汽车问题的重要途径。
本文阐述了纯电动汽车的发展状况，并分析了现代纯电动汽车发展的关键技术，以及电动汽车发展所面临的问题，表明大力发展纯电动汽车是缓解人类能源和环境压力的有效途径；介绍了可用于开发数控仿真系统的实体造型平台——MATLAB/Simulink；然后介绍了纯电动汽车建模与仿真的研究方法，分析MATLAB软件中电动汽车优化设计的工作原理，给出电动汽车优化设计问题的解决方案；最后对全文的工作进行了总结，并提出了今后的工作方向。
控制系统数字仿真
对汽车的悬挂、转向、制动等系统进行数字仿真，验证底 盘控制算法的正确性和可行性，提高汽车的操控稳定性和 行驶安全性。
自动驾驶控制
通过数字仿真技术，模拟自动驾驶系统的行为和性能，评 估自动驾驶控制算法的优劣和适用性，推动自动驾驶技术 的发展和应用。
04
控制系统数字仿真挑战与解决方 案
实时性挑战与解决方案
电机控制
对电机的启动、调速、制动等过程进行数字仿真，验证电机控制算 法的正确性和可行性，提高电机的稳定性和可靠性。
智能控制
通过数字仿真技术，模拟智能控制系统的行为和性能，评估智能控 制算法的优劣和适用性。
机器人控制
1 2 3
运动控制
对机器人的关节和末端执行器进行数字仿真，模 拟机器人的运动轨迹和姿态，验证运动控制算法 的正确性和可行性。
实时性挑战
在控制系统数字仿真中，实时性是一个关键的挑战。由于仿真过程中需要不断进行计算和控制，如果仿真时间过 长，会导致控制延迟，影响系统的实时响应。
解决方案
为了解决实时性挑战，可以采用高效的算法和计算方法，如并行计算、分布式计算等，以提高仿真速度。同时， 可以通过优化仿真模型和减少不必要的计算来降低仿真时间。
特点
数字仿真具有高效、灵活、可重复性 等优点，可以模拟各种实际工况和参 数条件，为控制系统设计、优化和故 障诊断提供有力支持。
数字仿真的重要性
验证设计
通过数字仿真可以对控制系统设计进行验证， 确保系统性能符合预期要求。
优化设计
数字仿真可以帮助发现系统设计中的潜在问 题，优化系统参数和性能。
故障诊断
THANபைடு நூலகம்S
感谢观看
发展趋势
目前，数字仿真正朝着实时仿真、 高精度建模、智能化分析等方向 发展，为控制系统的研究和应用 提供更强大的支持。
系统建模与仿真实例
系统建模与仿真实例标题:系统建模与仿真实例系统建模与仿真是一种用于描述和分析复杂系统行为的方法。
它通过构建数学模型和进行仿真实验来帮助我们理解和预测系统的运行方式。
本文将通过介绍一个实例来说明系统建模与仿真的过程和应用。
正文:在汽车制造业中，系统建模与仿真被广泛应用于车辆动力系统的研发和优化过程。
以某款混合动力汽车为例，我们将展示系统建模与仿真在该领域中的应用。
首先，我们需要建立一个数学模型来描述混合动力汽车的工作原理。
该模型将包括车辆的动力系统、传动系统和能量管理系统等子系统。
通过对各子系统进行建模和参数设定，我们可以利用数学模型来预测汽车在不同工况下的能量转换效率、行驶性能和排放等指标。
在建立完模型后，我们将进行仿真实验来验证模型的准确性和可行性。
通过输入不同的工况条件，比如车速、驾驶模式和路况等，我们可以观察到汽车在各个子系统中的工作状态和能量流动情况。
这些仿真结果可以帮助工程师们分析系统的性能和瓶颈，并优化设计方案。
例如，在混合动力汽车的能量管理系统中，我们可以利用仿真实验来评估不同的能量分配策略对整车能效的影响。
通过调整电动机和内燃机的功率输出比例，我们可以比较不同方案下的燃料消耗和排放水平，从而找到最佳的能量管理策略。
此外，系统建模与仿真还可以用于故障诊断和故障排除。
通过在模型中引入故障机制，并模拟故障状态下的系统行为，我们可以快速准确地定位和解决问题。
总结起来，系统建模与仿真在汽车制造业中的应用是非常重要的。
它可以帮助我们理解和预测复杂系统的行为，并提供可行的优化方案。
通过合理的模型构建和仿真实验，我们可以大大缩短产品开发周期，降低成本，并提高产品的性能和可靠性。
在这个例子中，我们展示了系统建模与仿真在汽车制造领域中的应用。
然而，系统建模与仿真的应用不仅限于汽车行业，它还可以在航空航天、能源、工业制造等领域中发挥重要作用。
通过系统建模与仿真，我们可以更好地理解和改进各种复杂系统，为社会的发展和进步做出贡献。
控制工程基础-控制系统的计算机仿真
计算机仿真在电子工程中用于模拟电路系 统和数字系统的行为，进行电路设计和优 化。
04 控制系统的计算机仿真
控制系统的数学模型
线性时不变系统
描述系统的动态行为，通过微分方程、差分方程等数学表达式表 示。
传递函数
描述系统输入与输出之间的关系，通过传递函数进行描述。
状态空间模型
描述系统的动态行为，通过状态方程和输统
开环控制系统是指系统中没有反馈回路的系统，输入信号 直接作用于受控对象，输出信号与输入信号之间的关系是 固定的。
线性控制系统
线性控制系统是指系统中各元件之间的关系可以用线性方 程描述的系统。
闭环控制系统
闭环控制系统是指系统中具有反馈回路的系统，输出信号 通过反馈回路回到输入端，控制器根据反馈信号调整输入 信号，以实现控制目标。
03
计算机资源的限制
大规模的控制系统仿真可能需要 较高的计算机资源，如内存和计 算能力。
未来发展方向与展望
混合仿真
结合物理实验和计算机仿真，以提高仿真的 准确性和可信度。
多尺度仿真
考虑系统不同尺度的特性和行为，以更全面 地模拟和控制复杂系统。
高性能计算
利用高性能计算机和并行计算技术，提高大 规模控制系统的仿真效率。
智能化仿真
结合人工智能和机器学习技术，实现自适应 和智能化的仿真和控制。
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多输入多输出系统仿真
总结词
多输入多输出系统是指具有多个输入信号和多个输出信号的控制系统。
详细描述
多输入多输出系统在工业控制中应用广泛，如机器人、飞行器等。通过计算机仿真，可以模拟系统的动态行为， 分析系统的稳定性和性能，优化控制策略。
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对汽车控制系统建模与仿真
摘要：PID 控制是生产过程中广泛使用的一种最基本的控制方法，本文分别采用用简单的比例控制法和用PID控制来控制车速，并用MATLAB对系统进行了动态仿真，具有一定的通用性和实用性。
关键词：MATLAB 仿真；比例控制；PID 控制
1 MATLAB和PID概述
MATLAB是matrix和laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。
是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
2车辆行驶过程车速的数学模型
对行驶在斜坡上的汽车的车速进行动态研究，可以分析车辆的性能，指导车辆的设计。
MATLAB软件下的SIMULILNK模块是功能强大的系统建模和动态仿真的软件，为车辆行驶过程车速控制分析提供了一种有效的手段。
汽车行驶如图7.4.1所示的斜坡上，通过受力分析可知在平行于斜面的方向上有三个力作用于汽车上：发动机的力、空气阻力和重力沿斜面的分量下滑力。
图1
由牛顿第二定律，汽车在斜坡上行驶的运动方程为：
Fh Fw Fe x M --=。
其中M 代表汽车的质量，x 为汽车的位移。
在实际系统中总会有上界和下界，上届为发动机的最大推力，下界为刹车时最大制动力。
空气阻力可以近似为：2))011.0sin(20(001.0t x Fw +=。
汽车下滑力为：
)0001.0sin(30x Fh =。
由比例法来控制车速时有：）。
x x Ke Fe desired -=( 其中，e F 为驱动力，desired x 为期望速度值，设为80， 为反馈增益。
50Ke =。
仿真时间为1000s.
采用PID 控制来控制车速。
其中：
3 仿真分析与计算
仿真模型的建立
在MATLAB 的SIMULINK 环境下，以图1为研究对象，建立斜坡行驶汽车的车速控制仿真模型如下图2、图3所示
Kg F e 1000,10002000汽车的质量为假设－<
<e K 75
,75.0,50===d i p K K K
图2 比例控制法的仿真模型结构图
图3 PID控制法的仿真模型结构图
3.2仿真计算的结果和曲线
利用仿真模型进行计算分析，计算得到该汽车在某斜坡路面上的车速随时间t的变化规律如图4所示：
a) 比例控制法的汽车速度曲线
b) PID控制法的汽车速度曲线
图4 仿真计算结果图
从以上的模拟曲线结果分析可知，汽车在斜坡路面行驶，采用比例控制法控制的汽车车速的变化过程中，在t100
0≤
≤t s，汽车基本上以恒定加速度做加速运动，t=100s时，车速值为76.94；在s
≤，汽车加速度逐渐减少到
t200
100≤
2
m，t=200s时，车速值为79.27，且车速基本上达到稳定；在t=1000s时，0s
/
其速度值为79.31。
采用PID控制法，在s
0≤
≤，汽车基本上以恒定加速度
t120
加速行驶，t=120s时，汽车车速值为111.7；在s
≤，汽车做减速度逐
120≤
t350
渐减少的减速运动，t=350s时，车速值为80.2，车速基本上达到平稳；t=1000s 时，速度值为79.91。
通过MATLAB软件的SIMULINK模块对汽车在斜坡上行驶车速建模仿真，我们可以知道在任何时刻汽车的车速的大小。
4 结论
本文根据汽车在斜坡路面上行驶的特点，通过力学分析，建立相关的数学模型，采用MATLAB/SIMULINK仿真方法，分析了普通汽车在斜坡上行驶过程中车速随时间的变化规律。
比例控制法和PID控制法能对行驶在斜坡上的汽车车速进行有效的控制。
参考文献：
[1]舒进.四轮撞向车辆运动仿真[J].汽车科技。
2002（06）
[2]舒进、陈思忠.四轮转向车辆运动分析[J].湖北汽车工业学院学报.2002（03）
[3]徐展。
PID控制器性能评价[D].华北电力大学（北京）2010
[4]喻凡、林逸.汽车系统动力学[M].机械工业出版社，2005。