李發(fā)均 王亞軍 董雅麗 李家強(qiáng)

（空軍雷達(dá)學(xué)院黃陂校區(qū)1） 武漢 430345）（95859部隊(duì)2） 酒泉 753000）（空軍雷達(dá)學(xué)院五系3） 武漢 430019）

1 引言

MATLAB提供的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具SIMULINK，有效地解決了仿真技術(shù)中的許多問題，使仿真建模變得非常方便，只需修改仿真參數(shù)，即可直觀地看到顯示結(jié)果[1]。本研究利用MATLAB／SIMULINK建立1／2摩托車仿真模型，并采用軟件中的Fuzzy logic toolbox對模型進(jìn)行施加模糊控制，最后進(jìn)行單一高附著系數(shù)路面起步加速仿真模擬。

2 系統(tǒng)建模

2.1 單輪車輛模型

為了簡化研究問題，采用單輪車輛系統(tǒng)模型，如圖1所示[2]。忽略空氣阻力和車輪的滾動阻力，可以得到下列方程組：

車輛運(yùn)動方程：

車輪運(yùn)動方程：

車輪縱向摩擦力：

式中，M為車輛質(zhì)量；v為車輛速度；Fμx為車輪摩擦力；I為車輪轉(zhuǎn)動慣量；R為車輪轉(zhuǎn)動半徑；ω為車輪角速度；μx為縱向附著系數(shù)；Fz為車輪對地面法向反力。

2.2 動力模型

對于車輛動力系統(tǒng)是很復(fù)雜的系統(tǒng)要準(zhǔn)確描述是非常困難的，在本文就發(fā)動機(jī)的動力圖和駕駛員在實(shí)際起步加速時的動作進(jìn)行一個簡化建立一個數(shù)學(xué)模型[3]。

圖1 單輪車輛系統(tǒng)模型

摩托車JH150T的標(biāo)定功率為8.1kW，根據(jù)駕駛員的駕駛經(jīng)驗(yàn)將動力模塊的節(jié)氣門開度描述為一個指數(shù)曲線變化的參數(shù)：

外特性功率曲線擬合為一個指數(shù)曲線：

而節(jié)氣門開度和部分功率與外特性功率之間的關(guān)系由理論擬合為：

在5s內(nèi)功率達(dá)到標(biāo)定功率的80%左右。這是比較符合實(shí)際情況的過程。之后一直趨近標(biāo)定功率。而驅(qū)動扭矩和驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

其中：P為驅(qū)動功率（W），U為驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速（rad／s），T為驅(qū)動扭矩（n.m），t為時間（s），X為節(jié)氣門開度。

2.3 制動器模型

對于盤式制動器，摩擦制動力矩與制動油泵壓力之間的關(guān)系可以表示為[4]：

式中，Mφ為摩擦制動力矩，p為制動油泵壓力，s為制動油缸活塞面積，φ為制動塊與制動盤之間的摩擦系數(shù)，re為制動盤有效半徑。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 車輛驅(qū)動動力學(xué)模塊

ASR車輛驅(qū)動動力學(xué)模塊如圖2所示。

在車輛動力學(xué)模塊中輸入量In1為當(dāng)前車輪滑動率狀態(tài)下所對應(yīng)的附著系數(shù)。模型中的各參數(shù)如下：m為車輛的質(zhì)量；Rr為驅(qū)動車輪的半徑。

ASR車輛動力學(xué)模塊的作用：通過對輸入信號In1的計(jì)算，可以得到當(dāng)前車輪向前的輪胎力矩、車輛的速度及驅(qū)動距離；并將輪胎力矩與壓力調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)得出的當(dāng)前制動力矩還有動力模塊得出的驅(qū)動扭矩比較后得到車輪角速度；將車輛的速度及制動距離輸入到workspace中；同時當(dāng)檢測到車速為13.8m／s時，發(fā)送仿真結(jié)束信號。

圖2 ASR車輛驅(qū)動動力學(xué)模塊

3.2 ASR模糊控制器

本系統(tǒng)為基于車輪滑移率／滑動率的模糊控制系統(tǒng)[6]，其所涉及的精確量的模糊化有三個量：實(shí)際滑動率與目標(biāo)滑動率的偏差即滑動率誤差Es、誤差變化率Ex及制動力矩增量U。如圖3所示。

圖3 ASR模糊控制器

3.3 ASR動力模塊模型

ASR動力模塊模型是模擬摩托車起步加速時的驅(qū)動輪上的動力狀況，功率是一個指數(shù)變化的變量它無限趨近標(biāo)定功率。輪速和驅(qū)動扭拒的乘積是功率，這樣在任何時刻通過功率模型得出此時的功率，再由此時的輪速計(jì)算出此時的驅(qū)動扭矩。從而為下個采樣循環(huán)提供驅(qū)動力。如圖4所示。

圖4 ASR動力模塊

4 仿真及其結(jié)果

為了分析基于滑動率的控制算法的有效性，對JH150T的后輪進(jìn)行單個車輪的仿真計(jì)算。所需的參數(shù)：標(biāo)定功率為8100W；最高車速95km／h；模擬車輪垂直載荷Fn＝612.5N，整車重量為1250N；車輪轉(zhuǎn)動慣量J＝5.8906kg／m2；制動器扭矩變化率a＝4000Nm／s；起步加速初速度v＝0km／h，仿真結(jié)束速度為50km／h。仿真模型選擇固定步長，其值為0.02s。在計(jì)算機(jī)上對摩托車進(jìn)行以初速度為0km／h（即v0＝0m／s）時，在單一干燥混凝土路面（最佳滑動率s＝0.2）直線起步加速過程的仿真。仿真的整體示意圖如圖5所示。

圖5 ASR仿真框圖

這是起步加速仿真過程的結(jié)果，初始車速為0m／s，初始輪速為1rad／s。仿真結(jié)束標(biāo)志是車速為13.8m／s。

圖6 車速輪速仿真結(jié)果

圖7 滑動率仿真結(jié)果

如圖6和圖7所示，可以看出真正ASR起作用的時間段是在起步的起始階段0.5s內(nèi)。在之后的時間里ASR的調(diào)節(jié)作用沒有體現(xiàn)出來。這一段時間就是普通的驅(qū)動過程。車速跟隨輪速的過程。滑動率基本保持在一點(diǎn)上，低于最佳滑動率。在ASR實(shí)際起作用的時間內(nèi)，起始時刻在離合器剛接合時車輪接受到?jīng)_擊的一定動量。在很短時間內(nèi)獲得較小的輪速4.8860rad／s，由于車輛的慣性相對較大，起始的車速為0。所以在起始階段滑動率基本接近1。經(jīng)過在mu－slip曲線里查出此時的實(shí)際利用的附著系數(shù)，給動力學(xué)模塊從而得出此時的輪胎力矩、車速和驅(qū)動距離。再加上由模糊控制器得出的制動壓力的調(diào)節(jié)值經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)器的遲滯之后得出此時的實(shí)際制動力矩，與動力模塊的驅(qū)動扭矩比較得出此時的輪速，為下個滑動率的計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。這樣一個個循環(huán)的繼續(xù)仿真下去直到車速為10km／h，滿足stop條件，終止仿真。

[1]姚俊，等.Simulink建模與仿真[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002，8

[2]潘為民.摩托車制動防抱死控制ECU及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)[D].北京航空航天大學(xué)碩士論文，2003

[3]余志生.汽車?yán)碚揫M].第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998

[4]程軍.防抱死制動系統(tǒng)不同控制方法的模擬研究[J].汽車技術(shù)，1998（8）：1～7

[5]怯肇乾，宋現(xiàn)超.嵌入式模糊智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2009，37（6）

[6]張代勝，等.基于滑移率的汽車防抱模糊控制算法與仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2002，33（2）