真·simulink车辆仿真教程-从车辆模块开始建模之旅

lixinfu

铁子：你不是建前向模型吗？咋反着来。

帅气的老王：Emmmm……把这个杠精拖出去！

我们前面提到，在前向仿真中，车辆模块作为数据流的终端模块。由传动系对电机扭矩降速增扭后输入给车轮，车轮将驱动扭矩转化成车轮驱动力，车辆模块接收到驱动力后将其处理成车速的响应，并反馈给驾驶员模块。

这里的驱动力是个泛概念，车辆行驶除了驱动状态外还有制动状态，所以这里的驱动力指的是轮端力，其包含了制动力。

有疑问先保留，等我更新到车轱辘模块的时候你就清楚了。

所以车辆模块的基本的输入、输出接口就明确了。

输入：

【1】驱动力

输出：

【1】车速

车速的计算我们在系列的第一篇文章中介绍过，有了驱动力我们还需要车辆阻力以及车重等参数，这样模块的功能也就明确了。

车辆模块的主要功能可以看作是：模拟车辆行驶阻力，并根据车辆驱动力的输入计算车辆动态响应。

理论搞清楚了，下面需要实践了。


建立模型变量

模型变量我们通过脚本进行管理，打开Matlab软件，在电脑中新建一个模型存放位置，并设置为软件的当前路径。

新建脚本，命名为”Data.m”，用于模型变量的管理。



变量定义通过赋值语句（A=B；）定义即可，在脚本中定义以下变量，并运行。定义变量时注意以“;”结尾。



运行后，定义的变量会出现在软件的工作区。



定义完变量就可以开始搞模型了。由于是基础教程，所以介绍建模时照顾下刚开始学习simulink的铁子，对于建模过程中第一次使用的模块会标记在模型库中的位置，以及模块参数的设置方法。所以这部分会稍显冗繁。



模型建立

打开simulink，创建一个空白模型，并命名为“EV_Model.sxl”。



点击“建模”-“模型设置”，打开“模型配置参数管理器”。



将模型求解器设置为“定步长”，步长设置为0.01，其他保持不变。



通过库浏览器向模块中添加三个“Constant”模块以及一个“Product”模块，双击“Constant”模块，将模块的常量值分别设置为“VehMass”、“g”、“f”。



双击Product模块，将输入数目设为3，并将端口分别连接至三个constant模块，这样就完成了滚动阻力的计算。


向模型中添加一个输入模块“In”，并命名为“VehSpd”。


再次向模型中添加三个“Constant”模块及一个“Product”模块，如下图设置“Constant”变量值。并将“Product”模块的输入数目按下图设置。

最后将Constant模块与In模块如下图所示连接至Product模块。



这样我们空气阻力计算部分也完成了。

向模型中添加三个“Constant”模块，一个”Product”模块，一个三角函数计算模块，设置“Constant”模块变量值为“VehMass”、“g”、“Grad”。



Grad在模型中设置的是坡度值，单位为%，计算时我们需要先将其转换为弧度值。

模型中添加一个增益模块，和一个三角函数计算模块。设置增益系数为0.01,设置计算函数为atan。增益模块可以看做是将输入信号乘以设置的增益系数后输出。

最后将各参数按下图连接。



这样就完成了坡道阻力的计算。

最后添加一个“Add”模块，将以上三个阻力相加这样就完成了阻力模型的构建。



全选模型，右键选择“基于所选内容创建子系统”（或者直接按快捷键Ctrl+G），将阻力模型建立为子系统，方便模型的界面管理。



建立完成后，模型如下图所示。这样车辆阻力部分就处理好了。



驱动力是输入项，所以求得车辆阻力后，我们根据前面介绍的公式，即可求得车辆加速度。



在模型中添加一个Add模块、Product模块、Constant模块及Gain模块，分别按下图设置及连接即可。



Simulink的Math Operations库中对于加减法运算有三个模块，其实没什么区别，都可以通过符号列表控制端口属性。



求得车辆加速度后，对其进行积分即可得到车速，再次对车速积分即可得到车辆的行驶里程。



我们再回到前面计算的车辆阻力模块，在计算车辆阻力时需要用到车速，然后我们现在还求出个车速来，这两个车速等同吗？



当然，一个模型里不可能存在两个车速。

那可以直接接到一起吗？不可以。

铁子：我知道，因为单位不一样！

是，除此之外还有代数环的问题。

当输入信号直接取决于输出信号，同时输出信号也直接取决于输入信号时，由于数字计算的时序性，而出现的由于没有输入无法计算输出，没有输出也无法得到输入的“ 死锁环” ，称之为代数环。

就像你女朋友不理你的原因是你不理她，你不理她的原因是她不理你，这就是个代数环。

模型这里也同样，计算车辆阻力需要用到车速，车速的计算又需要用到车辆阻力，如果我们直接将这两个信号相连，就完美的形成了一个代数环。



出现代数环后如何解决呢？既然代数环是由于计算的时序性导致的，所以处理好计算顺序就可以了。我们在车辆阻力计算模块的车速输入端口前增加一个“Memory”或“Unit Delay”模块，使用上一时刻的车速计算车辆阻力即可。注意我们计算得到的车速需要进行单位转换。



在计算续航时，我们需要观测续航里程，所以可以在此处增加一个Display模块。注意我们通过积分计算的里程单位是m，需要进行单位转换。



最终完成的模型如下图所示。



再次将模型建立为子系统，添加一个“Constant”模块及一个示波器模块。“Constant”模块的常量值设置为2000。



将仿真停止时间设置为100s，点击运行仿真。



运行完成后打开scope模块，输出曲线如下图所示。



这样车辆模块模型就完成了……吗？

你如果回答是，那你的车又开始往沟里跑了，赶紧踩刹车。

为什么？我们将驱动力设为0，再次运行仿真结果。你猜车速会有什么变化？



纳尼？车速为什么变成负的了，不应该是0吗？问题出在哪里？



我们再回顾一下车辆行驶阻力的计算公式。

假设现在道路坡度为0，车速为0，那么此时坡道阻力等于0，空气阻力也等于0。滚动阻力呢，很明显不为0。所以问题就出在这里。

我猜有铁子肯定会问：当把滚动阻力系数视为常数的时候，滚动阻力是与车速无关的，车速为0的时候不应该有滚动阻力吗？

那你翻的这个沟挺深的。阻力是什么，是阻碍物体运动的力。滚动阻力是由车轮滚动时弹性迟滞产生的，车辆都不动哪来的滚动阻力。

所以当车速为0的时候，车辆的阻力应该为0。



所以我们要对车辆阻力模块进行以下处理：

当车速绝对值大于等于0.1时，正常输出计算的阻力；否则，将阻力置为0。

车速判断部分可以通过如下方式实现，然后将逻辑值与计算的阻力相乘即可。



此部分用到的两个模块分别是对输入取绝对值Abs模块和比较模块（当输入满足比较条件输出为1，否则输出为0），其在模块库中位置分别如下。



这时候，我们再去运行模型，当驱动力为0的时候，车速就正常保持为0了。