汽车级Simulink建模与仿真
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
车辆典型部件Simulink建模仿真
（车辆工程专业）
内容概览
1. 2. 3. 4. 5. 引例：用 Simulink 对微分方程建模仿真 一个发动机模型 离合器接合/分离模型 防抱死制动系统（ABS） 半车模型悬架系统
2
引例
用 Simulink 对下列微分方程进行建模仿真
x 2 x u （u 为常数）
17
实战1：一个发动机模型
发动机 转速闭 环控制 模型
Desired rpm
speed set point
Throttle setting N
theta
dotmai
dotmai
dotPm
Terminator2 PI controller
Pm mai dotmao Pm
Terminator1 part3
26
实战2：离合器接合/分离模型
基本模块介绍：
Hit Crossing：检测输入从指定方向上到达或通过指定 点（sys_hit.mdl）； Goto/From：信号的跳转。注意 Tag 的可见性； Memory：存储模块（sys_memory.mdl）；
Combinatorial Logic：组合逻辑模块；
5
6
7
8
9
10
5
dottheta
0
45
-5 0 1 2 3 4 5 time in seconds 6 7 8 9 10
作业
1、对半车模型悬架系统进行建模仿真。
46
9
实战1：一个发动机模型
6. 发动机扭矩：
10
实战1：一个发动机模型
7. 发动机角加速度：
11
实战1：一个发动机模型
用到的模块一览：
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 常量 阶跃 示波器 终端 增益 加减 乘除 求最值 判正负 汇总器 开关 Constant Step Scope Terminator Gain Sum Product MinMax Sign Mux Switch Sources Sources Sinks Sinks Math Operations Math Operations Math Operations Math Operations Math Operations Signal Routing Signal Routing
42
实战4：半车模型悬架系统
力平衡方程：
扭矩平衡方程：
43
实战4：半车模型悬架系统
Simulink模型：
1/Iyy 1/Inertia 1 s dottheta 1 s theta dottheta
1/Mb
1 s dotz
1 s z
road height
h
My My
9.81
Mb dotz Mass
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
制动时间（x10-2s）
38
作业
1、复习各类基本模块； 2、对防抱死制动系统进行建模仿真。
39
实战4：半车模型悬架系统
半车模型悬架系统：
40
实战4：半车模型悬架系统
前悬架作用力和扭矩数学模型：
41
实战4：半车模型悬架系统
后悬架作用力和扭矩数学模型：
制动系液压管路：一阶惯性环节
100 G(s) TB.s 1
35
实战3：防抱死制动系统（ABS）
仿真曲线：
ctrl=1，ABS制动
车轮角速度曲线 紫色：车轮前进速度折算角速度 黄色：车轮实际角速度
滑移率曲线 黄色：实际滑移率
36
实战3：防抱死制动系统（ABS）
仿真曲线：
ctrl=0，非ABS制动
0
0 0 1 1 1 1
0
1 1 0 0 1 1
1
0 1 0 1 0 1
1
0 0 1 1 1 0
保持接合态
保持分离态 切换至分离态 切换至接合态 保持接合态 切换至接合态 切换至分离态
25
实战2：离合器接合/分离模型
基本模块介绍：
使能子系统：当使能端口的控制信号为正时，子系统 执行（sys_enable.mdl）； 触发子系统：子系统只在触发事件发生的时刻执行， 并保持该时刻的输出直至下一次触发事 件发生（sys_trigger.mdl）； 逻辑运算“NOT”：（sys_not.mdl）；
Scope
18
实战1：一个发动机模型
发动机转速闭环控制
发动机转速曲线
负载扭矩曲线
节气门开度曲线
19
作业
建立一个完整的带 PI 转速控制器的 Simulink 发动机模型（可参考 enginewc.mdl） 。
20
实战2：离合器接合/分离模型
一个离合器集中参数模型
21
实战2：离合器接合/分离模型
15
Scope
实战1：一个发动机模型
仿真结果分析：
1. 负载减小，发动机转速升高并趋于稳定； 2. 节气门开度增加，发动机转速升高并趋于稳定； 3. 负载增大，发动机转速下降并趋于稳定。
2
3
1
发动机转速曲线
16
实战1：一个发动机模型
发动机转速闭环控制
加入一个离散控制器（PI控制器），通过一个快速节 气门执行器调节发动机转速，使得负载转矩的变化对 发动机转速的影响最小。
part4
N
dotmao
1 s Terminator
Pm mao
Terminator3 part5
Integrator
N
edge180
valve timing
mass(k) mass(k+1) ma T_eng N T_load T_load N trigger
T_eng
compression
part6 part2 part7 30/pi Gain Scope1
车轮角速度曲线 紫色：车轮前进速度折算角速度 黄色：车轮实际角速度
滑移率曲线 黄色：实际滑移率
37
实战3：防抱死制动系统（ABS）
仿真曲线：
ABS制动与非ABS制动效果对比
900 800
非ABS制动
制动距离（feet）
700 600 500 400 300 200 100 0
ABS制动
0
200
400
x(t ) ue
2t
3
基本步骤
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 启动 MATLAB 启动 Simulink 新建一个模型 保存模型 选择合适的模块 模块操作 信号线操作 仿真参数设置 开始仿真
4
扩展步骤
1. 示波器设置 2. 多个示波器分别显示多条曲线 3. 在一个示波器中显示多条曲线
f (slip)
32
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
实战3：防抱死制动系统（ABS）
Simulink模型：
Scope2 Scope3 100 TB.s+1 bangbang controller Hydraulic Lag Scope4 Scope5 Scope1 0.2 Desired relative slip ctrl yout m*g/4 mu slip friction curve Weight 1 s STOP slp Scope Vehicle speed Rr 1/Rr wv 1 s Brake pressure Kf force & torque 1/I 1 s Wheel speed
参数定义：
Tf
22
实战2：离合器接合/分离模型
摩擦扭矩： 最大动摩擦扭矩：
最大静摩擦扭矩：
对于非金属材 料的当量半径
23
实战2：离合器接合/分离模型
离合器保持接合所需要的摩擦扭矩：
24
实战2：离合器接合/分离模型
接合/分离的有限状态机（FSM）：
接合条件 分离条件 lock unlock 0 0 原状态 mem 0 执行动作 locked 0 说 明 保持分离态
pitch torque theta dottheta z dotz front force
pitch torque theta dottheta z dotz rear force
front suspension
Ff
Fr
rear suspension
44
实战4：半车模型悬架系统
15 10 5 0 -5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 x 10
31
实战3：防抱死制动系统（ABS）
单轮制动数学模型：
v Vv / Rr
slip 1 w / v
dw I F f Rr Tb dt dV m v Ff dt
Ff
Fz
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
v
Vv
Tb
Rr
Ff Fz
27
实战2：离合器接合/分离模型 NhomakorabeaSimulink模型：
Tin
Tin
slipping
Tfmaxk wv
we
NOT Scope
Tfmaxk
Fn
Fn Tfmaxs Tin w
part6 1 Gain1 locked
locked
Scope2
Tin lock
回调函数 的使用
1 Gain
unlock Tfmaxs Tf
ww
-1/m
1 s stopping distance
1.0 - u(1)/(u(2) + (u(2)==0)*eps) relative slip
33
实战3：防抱死制动系统（ABS）
基本模块介绍：
1. 2. 3. 4. 传递函数 Transfer Fcn Continuous 查找表 Lookup TableLoopup Tables 积分器（限幅）Integrator Continuous 终止仿真 Stop Sinks
Scope1
logic
28
实战2：离合器接合/分离模型
仿真曲线：
紫色：发动机输入扭矩 黄色：离合器夹紧力 青色：最大静摩擦扭矩 红色：保持接合的摩擦扭矩
29
实战2：离合器接合/分离模型
仿真曲线：
紫色：主动盘转速 黄色：从动盘转速 青色：接合后转速
30
作业
1、复习各类基本模块； 2、对离合器接合/分离模型进行建模仿真。
part4
N
dotmao
1 s Terminator
Pm mao
Terminator3 part5
Integrator
N
edge180
valve timing
mass(k) mass(k+1) ma T_eng N T_load T_load N trigger
T_eng
compression
part6 part2 part7 30/pi Gain Scope1
5
实战1：一个发动机模型
根据下列数学模型，用 Simulink 建模仿真。
1. 节气门开度（输入）：
2. 负载扭矩（输入）：
6
实战1：一个发动机模型
3. 进入进气歧管的空气质量速度：
7
实战1：一个发动机模型
4. 进气歧管的压力变化速度：
8
实战1：一个发动机模型
5. 离开进气歧管的空气质量速度（即进入气缸的空 气质量速度）：
12
实战1：一个发动机模型
用到的模块一览：
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 关系运算符 积分器 饱和环节 单位延迟 初始条件 函数 子系统 输入 输出 触发器 Relational Op. Integrator Saturation Unit Delay IC Fcn SubSystem In1 Out1 Trigger Logic & Bit Op. Continuous Discontinuites Discrete Signal Attributes User-Defined Fcn Ports & Subsystems Ports & Subsystems Ports & Subsystems Ports & Subsystems
13
作业
完成各个子系统的建模。下节课将这些子系统 组装成一个完整的发动机模型。
14
实战1：一个发动机模型
Simulink 模型：
throttle theta dotmai dotmai dotPm
Terminator2 part1
Pm mai dotmao Pm
Terminator1 part3
-3
Vehicle Suspension Model Simulation
My
h
100 50 0 0 7000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Ff
6500
6000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
5500
Fr
5000 4500
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.1
dotz
0 -0.1
0 x 10
-3
1
2
3
4
防止“除零”而采取的措施： 1.0 – u(1) / (u(2) + (u(2) == 0) * eps)
必定非零！
34
实战3：防抱死制动系统（ABS）
Simulink模型精讲
bangbang 控制器原理：
U m , Uk U m , En a En a 1, Uk 1, En 0 En 0
（车辆工程专业）
内容概览
1. 2. 3. 4. 5. 引例：用 Simulink 对微分方程建模仿真 一个发动机模型 离合器接合/分离模型 防抱死制动系统（ABS） 半车模型悬架系统
2
引例
用 Simulink 对下列微分方程进行建模仿真
x 2 x u （u 为常数）
17
实战1：一个发动机模型
发动机 转速闭 环控制 模型
Desired rpm
speed set point
Throttle setting N
theta
dotmai
dotmai
dotPm
Terminator2 PI controller
Pm mai dotmao Pm
Terminator1 part3
26
实战2：离合器接合/分离模型
基本模块介绍：
Hit Crossing：检测输入从指定方向上到达或通过指定 点（sys_hit.mdl）； Goto/From：信号的跳转。注意 Tag 的可见性； Memory：存储模块（sys_memory.mdl）；
Combinatorial Logic：组合逻辑模块；
5
6
7
8
9
10
5
dottheta
0
45
-5 0 1 2 3 4 5 time in seconds 6 7 8 9 10
作业
1、对半车模型悬架系统进行建模仿真。
46
9
实战1：一个发动机模型
6. 发动机扭矩：
10
实战1：一个发动机模型
7. 发动机角加速度：
11
实战1：一个发动机模型
用到的模块一览：
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 常量 阶跃 示波器 终端 增益 加减 乘除 求最值 判正负 汇总器 开关 Constant Step Scope Terminator Gain Sum Product MinMax Sign Mux Switch Sources Sources Sinks Sinks Math Operations Math Operations Math Operations Math Operations Math Operations Signal Routing Signal Routing
42
实战4：半车模型悬架系统
力平衡方程：
扭矩平衡方程：
43
实战4：半车模型悬架系统
Simulink模型：
1/Iyy 1/Inertia 1 s dottheta 1 s theta dottheta
1/Mb
1 s dotz
1 s z
road height
h
My My
9.81
Mb dotz Mass
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
制动时间（x10-2s）
38
作业
1、复习各类基本模块； 2、对防抱死制动系统进行建模仿真。
39
实战4：半车模型悬架系统
半车模型悬架系统：
40
实战4：半车模型悬架系统
前悬架作用力和扭矩数学模型：
41
实战4：半车模型悬架系统
后悬架作用力和扭矩数学模型：
制动系液压管路：一阶惯性环节
100 G(s) TB.s 1
35
实战3：防抱死制动系统（ABS）
仿真曲线：
ctrl=1，ABS制动
车轮角速度曲线 紫色：车轮前进速度折算角速度 黄色：车轮实际角速度
滑移率曲线 黄色：实际滑移率
36
实战3：防抱死制动系统（ABS）
仿真曲线：
ctrl=0，非ABS制动
0
0 0 1 1 1 1
0
1 1 0 0 1 1
1
0 1 0 1 0 1
1
0 0 1 1 1 0
保持接合态
保持分离态 切换至分离态 切换至接合态 保持接合态 切换至接合态 切换至分离态
25
实战2：离合器接合/分离模型
基本模块介绍：
使能子系统：当使能端口的控制信号为正时，子系统 执行（sys_enable.mdl）； 触发子系统：子系统只在触发事件发生的时刻执行， 并保持该时刻的输出直至下一次触发事 件发生（sys_trigger.mdl）； 逻辑运算“NOT”：（sys_not.mdl）；
Scope
18
实战1：一个发动机模型
发动机转速闭环控制
发动机转速曲线
负载扭矩曲线
节气门开度曲线
19
作业
建立一个完整的带 PI 转速控制器的 Simulink 发动机模型（可参考 enginewc.mdl） 。
20
实战2：离合器接合/分离模型
一个离合器集中参数模型
21
实战2：离合器接合/分离模型
15
Scope
实战1：一个发动机模型
仿真结果分析：
1. 负载减小，发动机转速升高并趋于稳定； 2. 节气门开度增加，发动机转速升高并趋于稳定； 3. 负载增大，发动机转速下降并趋于稳定。
2
3
1
发动机转速曲线
16
实战1：一个发动机模型
发动机转速闭环控制
加入一个离散控制器（PI控制器），通过一个快速节 气门执行器调节发动机转速，使得负载转矩的变化对 发动机转速的影响最小。
part4
N
dotmao
1 s Terminator
Pm mao
Terminator3 part5
Integrator
N
edge180
valve timing
mass(k) mass(k+1) ma T_eng N T_load T_load N trigger
T_eng
compression
part6 part2 part7 30/pi Gain Scope1
车轮角速度曲线 紫色：车轮前进速度折算角速度 黄色：车轮实际角速度
滑移率曲线 黄色：实际滑移率
37
实战3：防抱死制动系统（ABS）
仿真曲线：
ABS制动与非ABS制动效果对比
900 800
非ABS制动
制动距离（feet）
700 600 500 400 300 200 100 0
ABS制动
0
200
400
x(t ) ue
2t
3
基本步骤
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 启动 MATLAB 启动 Simulink 新建一个模型 保存模型 选择合适的模块 模块操作 信号线操作 仿真参数设置 开始仿真
4
扩展步骤
1. 示波器设置 2. 多个示波器分别显示多条曲线 3. 在一个示波器中显示多条曲线
f (slip)
32
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
实战3：防抱死制动系统（ABS）
Simulink模型：
Scope2 Scope3 100 TB.s+1 bangbang controller Hydraulic Lag Scope4 Scope5 Scope1 0.2 Desired relative slip ctrl yout m*g/4 mu slip friction curve Weight 1 s STOP slp Scope Vehicle speed Rr 1/Rr wv 1 s Brake pressure Kf force & torque 1/I 1 s Wheel speed
参数定义：
Tf
22
实战2：离合器接合/分离模型
摩擦扭矩： 最大动摩擦扭矩：
最大静摩擦扭矩：
对于非金属材 料的当量半径
23
实战2：离合器接合/分离模型
离合器保持接合所需要的摩擦扭矩：
24
实战2：离合器接合/分离模型
接合/分离的有限状态机（FSM）：
接合条件 分离条件 lock unlock 0 0 原状态 mem 0 执行动作 locked 0 说 明 保持分离态
pitch torque theta dottheta z dotz front force
pitch torque theta dottheta z dotz rear force
front suspension
Ff
Fr
rear suspension
44
实战4：半车模型悬架系统
15 10 5 0 -5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 x 10
31
实战3：防抱死制动系统（ABS）
单轮制动数学模型：
v Vv / Rr
slip 1 w / v
dw I F f Rr Tb dt dV m v Ff dt
Ff
Fz
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
v
Vv
Tb
Rr
Ff Fz
27
实战2：离合器接合/分离模型 NhomakorabeaSimulink模型：
Tin
Tin
slipping
Tfmaxk wv
we
NOT Scope
Tfmaxk
Fn
Fn Tfmaxs Tin w
part6 1 Gain1 locked
locked
Scope2
Tin lock
回调函数 的使用
1 Gain
unlock Tfmaxs Tf
ww
-1/m
1 s stopping distance
1.0 - u(1)/(u(2) + (u(2)==0)*eps) relative slip
33
实战3：防抱死制动系统（ABS）
基本模块介绍：
1. 2. 3. 4. 传递函数 Transfer Fcn Continuous 查找表 Lookup TableLoopup Tables 积分器（限幅）Integrator Continuous 终止仿真 Stop Sinks
Scope1
logic
28
实战2：离合器接合/分离模型
仿真曲线：
紫色：发动机输入扭矩 黄色：离合器夹紧力 青色：最大静摩擦扭矩 红色：保持接合的摩擦扭矩
29
实战2：离合器接合/分离模型
仿真曲线：
紫色：主动盘转速 黄色：从动盘转速 青色：接合后转速
30
作业
1、复习各类基本模块； 2、对离合器接合/分离模型进行建模仿真。
part4
N
dotmao
1 s Terminator
Pm mao
Terminator3 part5
Integrator
N
edge180
valve timing
mass(k) mass(k+1) ma T_eng N T_load T_load N trigger
T_eng
compression
part6 part2 part7 30/pi Gain Scope1
5
实战1：一个发动机模型
根据下列数学模型，用 Simulink 建模仿真。
1. 节气门开度（输入）：
2. 负载扭矩（输入）：
6
实战1：一个发动机模型
3. 进入进气歧管的空气质量速度：
7
实战1：一个发动机模型
4. 进气歧管的压力变化速度：
8
实战1：一个发动机模型
5. 离开进气歧管的空气质量速度（即进入气缸的空 气质量速度）：
12
实战1：一个发动机模型
用到的模块一览：
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 关系运算符 积分器 饱和环节 单位延迟 初始条件 函数 子系统 输入 输出 触发器 Relational Op. Integrator Saturation Unit Delay IC Fcn SubSystem In1 Out1 Trigger Logic & Bit Op. Continuous Discontinuites Discrete Signal Attributes User-Defined Fcn Ports & Subsystems Ports & Subsystems Ports & Subsystems Ports & Subsystems
13
作业
完成各个子系统的建模。下节课将这些子系统 组装成一个完整的发动机模型。
14
实战1：一个发动机模型
Simulink 模型：
throttle theta dotmai dotmai dotPm
Terminator2 part1
Pm mai dotmao Pm
Terminator1 part3
-3
Vehicle Suspension Model Simulation
My
h
100 50 0 0 7000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Ff
6500
6000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
5500
Fr
5000 4500
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.1
dotz
0 -0.1
0 x 10
-3
1
2
3
4
防止“除零”而采取的措施： 1.0 – u(1) / (u(2) + (u(2) == 0) * eps)
必定非零！
34
实战3：防抱死制动系统（ABS）
Simulink模型精讲
bangbang 控制器原理：
U m , Uk U m , En a En a 1, Uk 1, En 0 En 0