基于MATLAB Simulink四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真分析

黃鵬飛 衣嘉瑞

摘要：本文以車(chē)輛的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化得到車(chē)輛四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的二自由度模型，借車(chē)輛四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的二自由度模型運(yùn)用汽車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)和車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的理論及MATLAB建模分析方法，對(duì)車(chē)輛四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的二自由度模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析，模擬汽車(chē)在不同速度下的影響車(chē)輛轉(zhuǎn)向響應(yīng)的關(guān)鍵因素，通過(guò)仿真四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的二自由度模型分析得到汽車(chē)在高低速行駛工況下，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)指標(biāo)的狀態(tài)響應(yīng)情況。

關(guān)鍵詞：MATLAB;仿真分析;四輪轉(zhuǎn)向

1. 課程設(shè)計(jì)總述

汽車(chē)的四輪轉(zhuǎn)向，是指在汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)四個(gè)車(chē)輪具有同時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的能力。汽車(chē)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低速時(shí)，可以使得汽車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑變小，這會(huì)讓汽車(chē)更加靈活，而提高汽車(chē)的機(jī)動(dòng)性能;高速時(shí)，此系統(tǒng)可以使汽車(chē)具有較快的響應(yīng)速度，所以通過(guò)合理控制前后輪的偏轉(zhuǎn)角，又能增強(qiáng)汽車(chē)的操穩(wěn)性，提高汽車(chē)的行車(chē)安全性。然而在實(shí)際生產(chǎn)生活中，對(duì)于具有四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車(chē)輛的安全性和實(shí)用性了解和實(shí)際應(yīng)用范圍較少。本文以汽車(chē)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例進(jìn)行相關(guān)理論設(shè)計(jì)和分析。

1.1? 課程設(shè)計(jì)主要任務(wù)

汽車(chē)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)的重要組成部分，四輪轉(zhuǎn)向?qū)μ岣咂?chē)駕駛的靈活性、運(yùn)動(dòng)型和安全性具有重要意義。通過(guò)研究汽車(chē)四輪轉(zhuǎn)向原理，對(duì)汽車(chē)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行正確合理的數(shù)學(xué)建模和分析，可以加深研究人員對(duì)汽車(chē)四輪轉(zhuǎn)向的理解，深刻認(rèn)識(shí)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低速和高速下對(duì)輸入信號(hào)的影響。然而四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要考慮整車(chē)質(zhì)量、質(zhì)心位置、車(chē)輛轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、前輪側(cè)偏剛度、后輪側(cè)偏剛度等各種復(fù)雜因素，所以四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模的準(zhǔn)確性對(duì)仿真真實(shí)反映實(shí)際系統(tǒng)至關(guān)重要。

本設(shè)計(jì)為了便于分析汽車(chē)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，將四輪轉(zhuǎn)向管理系統(tǒng)簡(jiǎn)化成而二自由度結(jié)構(gòu)模型，建立了汽車(chē)的四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)微分方程，運(yùn)用?MATLAB/Simulink?對(duì)模型可以進(jìn)行設(shè)計(jì)相應(yīng)的仿真結(jié)果分析，構(gòu)建仿真模型，之后在低速和高速下對(duì)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真進(jìn)行對(duì)比分析。

1.2? 課程設(shè)計(jì)基本問(wèn)題

課程設(shè)計(jì)主要包括四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的二自由度模型的建立，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩自由度模型的仿真分析，低速和高速的仿真對(duì)比分析等工作。

假設(shè)汽車(chē)做等速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，汽車(chē)的前后輪轉(zhuǎn)角是二自由度系統(tǒng)的輸入，同時(shí)不考慮汽車(chē)模型的懸架，即將簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量當(dāng)做一部分，忽略地面變化對(duì)輪胎側(cè)偏特性的影響，在忽略負(fù)荷汽車(chē)輪胎的轉(zhuǎn)彎特性的影響，忽略汽車(chē)的回正力矩，將輪胎側(cè)偏特性進(jìn)行考慮為線(xiàn)性的，汽車(chē)可以左右結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)。

1.3 課程設(shè)計(jì)的工具

1980年開(kāi)始出現(xiàn)了很多科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言，包括MATLAB語(yǔ)言，c語(yǔ)言等，此次課程設(shè)計(jì)我們主要運(yùn)用“Matlab Simulink"這方面的知識(shí)。MATLAB有矩陣實(shí)驗(yàn)室的意思，在矩陣計(jì)算等方面運(yùn)用較多。在現(xiàn)代的科學(xué)研究領(lǐng)域和工程仿真設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景。

MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室是美國(guó)MathWorks公司出品數(shù)學(xué)教學(xué)軟件，用于學(xué)習(xí)算法研究開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)信息可視化、數(shù)據(jù)分析問(wèn)題以及通過(guò)數(shù)值方法計(jì)算的高級(jí)管理技術(shù)可以計(jì)算語(yǔ)言和交互式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，面向工程應(yīng)用的主要內(nèi)容包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是在1984年由美國(guó)的MathWorks公司的研發(fā)，設(shè)計(jì)，推廣出去，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展歷史，改進(jìn)和更新，最終發(fā)展成為國(guó)際公認(rèn)的，優(yōu)良的，完善的科學(xué)計(jì)算應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境之一。

Simulink的是一個(gè)軟件包，MATLAB作為包，這是一個(gè)軟件包，可用于建模，仿真和活力的機(jī)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

我們只從名字上就可以知道，“Simulink" 有著兩層表面上的含義：

（1）它是可以用于系統(tǒng)仿真的軟件。

（2）它是能夠進(jìn)行系統(tǒng)連接的程序。

在該軟件環(huán)境發(fā)展情況之下，我們可以在電腦數(shù)據(jù)顯示屏幕上直接通過(guò)調(diào)用已經(jīng)普遍存在的軟件功能模塊，并將這些企業(yè)軟件管理模塊按照學(xué)生自己的想法連接起來(lái)，以構(gòu)成新的、系統(tǒng)的模型，這即是所謂的-可視化建模。Simulink由于我們這些功能強(qiáng)大、使用一個(gè)簡(jiǎn)單方便的好處，現(xiàn)在中國(guó)已經(jīng)發(fā)展成為企業(yè)應(yīng)用面積最廣泛的動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)的仿真軟件。

Simulink由于我們這些功能強(qiáng)大、使用一個(gè)簡(jiǎn)單方便的好處，現(xiàn)在中國(guó)已經(jīng)發(fā)展成為企業(yè)應(yīng)用面積最廣泛的動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)的仿真軟件。

本設(shè)計(jì)以汽車(chē)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對(duì)象?？紤]汽車(chē)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)將四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)化成而二自由度模型，建立了汽車(chē)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程，運(yùn)用MATLAB m文件和 MATLAB/Simulink 對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入和仿真分析，構(gòu)建仿真模型，之后在低速和高速下對(duì)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真進(jìn)行對(duì)比分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]? 周佳. 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略對(duì)比研究[D]. 2015.

[2]? 郭孔輝，軋浩. 車(chē)輛四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法[J]. 吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，028（004）：1-4.

[3]? 胡國(guó)強(qiáng). 汽車(chē)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向特性的研究[D]. 武漢理工大學(xué)，2012.

[4]? 來(lái)飛，鄧兆祥，董紅亮，等. 汽車(chē)主動(dòng)懸架和四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的綜合控制[J]. 振動(dòng)與沖擊，2009（04）：164-167+217.

（作者單位：臨沂大學(xué)）