汽车级Simulink建模与仿真

1、（车辆工程专业） 2 内容概览 1. 引例：用 Simulink 对微分方程建模仿真 2. 一个发动机模型 3. 离合器接合/分离模型 4. 防抱死制动系统（ABS） 5. 半车模型悬架系统 3 引例 用 Simulink 对下列微分方程进行建模仿真 uxx 2（u 为常数） t uetx 2 )( 4 基本步骤 1. 启动 MATLAB 2. 启动 Simulink 3. 新建一个模型 4. 保存模型 5. 选择合适的模块 6. 模块操作 7. 信号线操作 8. 仿真参数设置 9. 开始仿真 5 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

2、6 实战1：一个发动机模型 根据下列数学模型，用 Simulink 建模仿真。 2.负载扭矩（输入）： 1.节气门开度（输入）： 7 实战1：一个发动机模型 3.进入进气歧管的空气质量速度： 8 实战1：一个发动机模型 4.进气歧管的压力变化速度： 9 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）： 10 实战1：一个发动机模型 6.发动机扭矩： 11 实战1：一个发动机模型 7.发动机角加速度： 12 实战1：一个发动机模型 用到的模块一览： 1.常量ConstantSources 2.阶跃StepSources 3.示波器ScopeSinks 4.终

3、端TerminatorSinks 5.增益GainMath Operations 6.加减SumMath Operations 7.乘除ProductMath Operations 8.求最值MinMaxMath Operations 9.判正负SignMath Operations 10. 汇总器MuxSignal Routing 11. 开关SwitchSignal Routing 13 实战1：一个发动机模型 用到的模块一览： 1.关系运算符Relational Op.Logic & Bit Op. 2.积分器IntegratorContinuous 3.饱和环节SaturationDi

4、scontinuites 4.单位延迟Unit DelayDiscrete 5.初始条件ICSignal Attributes 6.函数FcnUser-Defined Fcn 7.子系统SubSystemPorts & Subsystems 8.输入In1Ports & Subsystems 9.输出Out1Ports & Subsystems 10. 触发器TriggerPorts & Subsystems 14 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。 15 实战1：一个发动机模型 Simulink 模型： Nedge180 valve timing T

5、_eng T_load N part7 ma N T_eng part6 N Pm dotmao mao part5 dotmai dotmao dotPm Pm part4 theta Pm dotmai mai part3 T_load part2 throttle part1 mass(k+1) mass(k) trigger compression Terminator3 Terminator2 Terminator1 Terminator Scope1 Scope 1 s Integrator 30/pi Gain 16 实战1：一个发动机模型 仿真结果分析： 1. 负载减小，发动机

6、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。 1 2 3 发动机转速曲线 17 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。 18 实战1：一个发动机模型 发动机 转速闭 环控制 模型 Nedge180 valve timing speed set point T_eng T_load N part7 ma N T_eng part6 N Pm dotmao mao part5 dotmai dotmao

7、dotPm Pm part4 theta Pm dotmai mai part3 T_load part2 mass(k+1) mass(k) trigger compression Terminator3 Terminator2 Terminator1 Terminator Scope1 Scope Desired rpm N Throttle setting PI controller 1 s Integrator 30/pi Gain 19 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 20 作业 建立一个完整的带 PI 转速控制器的 Simu

8、link 发动机模型（可参考 enginewc.mdl） 。 21 实战2：离合器接合/分离模型 一个离合器集中参数模型 22 实战2：离合器接合/分离模型 参数定义： f T 23 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 24 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： 25 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 lock 分离条件 unlock 原状态 mem 执行动作 locked 说 明 0000保持分离态 0011保持接合态 0100保持分离态 0110切换至分离

9、态 1001切换至接合态 1011保持接合态 1101切换至接合态 1110切换至分离态 26 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）； 27 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

10、的可见性； Memory：存储模块（sys_memory.mdl）； Combinatorial Logic：组合逻辑模块； 28 实战2：离合器接合/分离模型 Simulink模型： Tfmaxk Tin wv we slipping Fn Tfmaxk Tfmaxs part6 Tin Tfmaxs locked lock unlock Tf logic Tinw locked Scope2 Scope1 Scope NOT 1 Gain1 1 Gain Tin Fn 回调函数回调函数 的使用的使用 29 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

11、青色：最大静摩擦扭矩 红色：保持接合的摩擦扭矩 30 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 31 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。 32 实战3：防抱死制动系统（ABS） 单轮制动数学模型： rvv RV / vw slip/1 brf w TRF dt d I f v F dt dV m zf FF )(slipf 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 33 实战3：防抱死制动系统（ABS） Si

12、mulink模型： wv ww 1 s stopping distance 1.0 - u(1)/(u(2) + (u(2)=0)*eps) relative slip mu slip friction curve Kf force & torque bangbang controller 1 s Wheel speed m*g/4 Weight 1 s Vehicle speed slp yout STOP Scope5Scope4Scope3Scope2 Scope1 Scope 100 TB.s+1 Hydraulic Lag ctrl 1/Rr -1/m Rr 1/I0.2 Desir

13、ed relative slip 1 s Brake pressure 34 实战3：防抱死制动系统（ABS） 基本模块介绍： 1.传递函数Transfer FcnContinuous 2.查找表Lookup TableLoopup Tables 3.积分器（限幅）IntegratorContinuous 4.终止仿真StopSinks 防止“除零”而采取的措施： 1.0 u(1) / (u(2) + (u(2) = 0) * eps) 必定非零！ 35 实战3：防抱死制动系统（ABS） Simulink模型精讲 bangbang 控制器原理： aEU aEU U nm nm k , , 0

14、, 1 0 , 1 n n k E E U 制动系液压管路：一阶惯性环节 1. 100 )( sTB sG 36 实战3：防抱死制动系统（ABS） 仿真曲线： ctrl=1，ABS制动 滑移率曲线 黄色：实际滑移率 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 37 实战3：防抱死制动系统（ABS） 仿真曲线： ctrl=0，非ABS制动 滑移率曲线 黄色：实际滑移率 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 38 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 02004006008001000120014001

15、6001800 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 ABS制动 非ABS制动 制动时间（x10-2s） 制动距离（feet） 39 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。 40 实战4：半车模型悬架系统 半车模型悬架系统： 41 实战4：半车模型悬架系统 前悬架作用力和扭矩数学模型： 42 实战4：半车模型悬架系统 后悬架作用力和扭矩数学模型： 43 实战4：半车模型悬架系统 力平衡方程： 扭矩平衡方程： 44 实战4：半车模型悬架系统 Simulink模型： 1 s z 1 s theta road height theta dottheta z dotz pitch torque rear force rear suspension theta dottheta z dotz pitch torque front force front suspension 1 s dotz 1 s dottheta FrFf dotz dottheta My h My Mb Mass 1/Mb 9.81 1/Iyy 1/Inertia 45 实战4：半车模型悬架系统 012345678910 -5