履带车辆台架试验台控制方法研究与仿真
2014-12-13王腾浩张保军
王腾浩++张保军
摘要：履带车辆在台架试验过程中，车辆实际行驶工况在试验台架的模拟是试验成功的关键。本文通过对履带车辆动力学理论和台架试验台结构的研究和分析，完成了车辆的纵向动力学模型和台架系统的时域数学模型的建模仿真。从试验加载精度和实时性出发，提出了台架试验台的速度跟踪控制算法，并通过实车试验台试验结果与理论计算结果的对比分析，验证了此控制方法在履带车辆台架试验中模拟实际路面工况的可行性和准确性。
关键词：履带车辆 台架试验 速度跟踪 动力学模型
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0016-03
1 绪论
整车台架试验通过模拟车辆在道路上行驶时的各种工况，在室内完成动力性试验、排放性能评估与分析、可靠性试验、热平衡试验等专项试验，是车辆试验研究、产品开发和质量检测等环节所必需的大型试验设备。在台架试验台上进行车辆性能试验可以排除外界环境因素的影响，试验周期短、模拟精度高、试验数据稳定，且方便试验结果的横向对比[1]。
履带车辆整车台架试验台，基本有三种不同形式的试验台：履带转鼓试验台、无履带试验台和测力平台试验台。其中，无履带试验台是将履带车辆的履带拆掉，通过万向联轴器将车辆主动轮与台架试验台直接连接，也是目前国外履带车辆试验台应用最广的试验台方案[2]。典型的无履带试验台是由直流电机、控制器（变频器或驱动器）、外接电阻、转速转矩测量装置等组成，通过联轴器与车辆主动轮相联，形成一个典型的电力拖动系统，通过改变加载力矩的大小，模拟车辆路面实际阻力。
控制系统是台架试验台最重要的组成部分，台架试验台的控制系统对于正确控制台架试验的运行状态，准确模拟实际路面阻力，起着至关重要的作用。为了克服实际调试中存在的困难以及提高系统测试性能，有必要对真实台架试验台及车辆动力学模型进行仿真分析，从而优化控制算法、提高测试精度。
2 真实系统整体结构
进行履带车辆台架试验时，要代替真实的路面试验，就必须通过电机对台架试验车辆施加负载，在车辆输出动力不变的情况下，使在试验台上运行的车辆主动轮转速特性等同于路面运行的转速特性，即通过加载使试验台上车辆的主动轮转速跟踪设定路况下的实际转速[3]。
通过试验台上靠近车辆输出轴位置安装的扭矩传感器测出车辆的主动轴转矩，再根据车辆的动力学模型推导出在设定路面工况下的主动轮转速。由于电机轴与车辆主动轮通过万向联轴器直接相连，控制直流电机准确地跟踪这个转速，即可控制被试车辆主动轮转速跟随设定路面工况下的实际转速。
基于上述理论的履带车辆台架试验台系统组成框图如图2.1所示。整套台架试验系统主要由五部分组成：控制系统、加载系统、变速系统、采集系统和配电系统。控制系统包含推导车辆实际速度的车辆动力学模型模块、跟踪实际道路工况转速的速度跟踪模块、试验控制与管理模块等。采集系统测量车辆输出扭矩、车辆主动轮转速等。加载系统由电机及其驱动系统组成，两边电机可分别独立为被试车辆加载。
3 车辆纵向动力学建模
在建模过程中，作如下假设：①动力传动系统中的传动轴及传动齿轮为刚性。②地面附着系数足够大，不考虑轮胎的滑移等非线性因素[4]。
3.1 发动机模型
发动机动力输出特性表现为发动机转速、油门开度与输出转矩之间的非线性关系，可由多种方法得到：经验公式法、曲线拟合法和查表法。本文采用查表法，通过对发动机的实际测试获得不同油门开度和发动机转速下的输出转矩数据，从而制成发动机MAP图。
3.2 离合器模型
离合器的摩擦传递扭矩和离合器踏板行程之间的关系为
3.3 变速器模型
经变速器和主减速器后，传递到车轮的驱动扭矩为
3.4 制动器模型
制动器制动力与制动踏板位移之间的关系为
3.5 车辆纵向动力学模型
将车辆假设为均质刚体，车辆直线行驶的动力学方程为：
4 台架试验台模型
4.1 台架试验台的时域数学模型
4.2 台架试验控制算法
4.2.1 电机的调速
在台架试验台加载电机的控制中，要对负载电机的速度连续控制，要求速度控制精度高、响应快、超调小、稳定性好，所以采用应用最为广泛的转速电流双闭环调速控制。图4.1是常见的转速电流双闭环调速系统的MATLAB仿真图。
4.2.2 台架试验台的速度跟踪控制
本文采用速度跟踪控制算法，系统通过传感器采集车辆主动轮输出力矩及试验台当前转速，推导出车辆下一时刻目标转速，进而控制负载电机输出转矩，使得主动轮转速跟踪目标转速，从而模拟实际路面工况（如图4.2所示）。
5 仿真分析和验证
为了验证所提出的履带车辆台架试验台控制方法的有效性，分别进行了履带车辆牵引特性曲线的测试试验和加速性能试验。试验车辆的性能参数如表5.1所示。
5.1 牵引特性曲线的测试试验
牵引性能是指车辆各档时各种转速下具有的牵引力大小，它是由车辆发动机牵引力、各个排档的速度和车重等决定的，是评定车辆动力性能的一项重要指标[5]。由牵引特性曲线可以较直观的看出车辆的牵引性能。
牵引特性曲线表示发动机完全供油时（油门到底），车辆在各个排档、各个转速下发动机牵引力Ft与车辆运动速度v的关系曲线，即Ft-v曲线。如图5.1所示，它由多条曲线组成，每条曲线对应一个档位。
本次试验是一次性连续试验完成的，试验顺序为Ⅳ档、Ⅴ档、Ⅵ档、Ⅲ档、Ⅱ档。
5.2 加速性能试验
加速性能是指车辆在使用条件下迅速增大行驶速度的能力，是车辆机动性能的重要指标之一。车辆从静止状态加速到32km/h的加速时间、加速距离和最大加速度是试验的主要评价指标之一[6]，对车辆从静止到最高速的加速性能进行试验，并与实际路面试验相比较，以验证数据的正确性（如图5.2、图5.3所示）。
6 结语
本文对车辆动力学模型、履带车辆台架试验台进行了MATLAB建模仿真，提出了一种既具有良好的跟踪精度，又具有良好的实时性和较强抗干扰性能力的履带车辆台架试验台车速跟踪控制方法。实车试验结果表明，试验结果与理论计算的曲线基本相同，台架试验台模拟车辆所受到的路面阻力、风阻和惯性力，准确的模拟了车辆在牵引力测试试验、加速试验中的实际路面工况。在车辆动力性等专项试验中能够缩减车辆测试的周期，降低试验的成本和环境要求。
参考文献
[1]冀强.履带车辆综合传动系统性能试验台的设计[D].山东大学，2011.
[2]张保军.试验台控制系统常见故障诊断与排除[J].测试技术学报，2006（20）：220-224
[3]程广伟，周志立，徐立有，等.履带车辆行驶载荷在传动系试验台上的模拟[J].拖拉机与农用运输车，2006（33）：12-14.
[4]周云波，常思勤，魏巍，等.基于MATLAB/SimDriveline的某型军用车辆起步过程仿真研究[J].南京理工大学学报（自然科学版），2011，35（4）：507-512.
[5]GJB 59.25—91，装甲车辆试验规程 硬地拖钩牵引特性试验[S].
[6]GJB 59.1-1985，装甲车辆试验规程 加速特性、最大和最小稳定速度试验[S].
摘要：履带车辆在台架试验过程中，车辆实际行驶工况在试验台架的模拟是试验成功的关键。本文通过对履带车辆动力学理论和台架试验台结构的研究和分析，完成了车辆的纵向动力学模型和台架系统的时域数学模型的建模仿真。从试验加载精度和实时性出发，提出了台架试验台的速度跟踪控制算法，并通过实车试验台试验结果与理论计算结果的对比分析，验证了此控制方法在履带车辆台架试验中模拟实际路面工况的可行性和准确性。
关键词：履带车辆 台架试验 速度跟踪 动力学模型
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0016-03
1 绪论
整车台架试验通过模拟车辆在道路上行驶时的各种工况，在室内完成动力性试验、排放性能评估与分析、可靠性试验、热平衡试验等专项试验，是车辆试验研究、产品开发和质量检测等环节所必需的大型试验设备。在台架试验台上进行车辆性能试验可以排除外界环境因素的影响，试验周期短、模拟精度高、试验数据稳定，且方便试验结果的横向对比[1]。
履带车辆整车台架试验台，基本有三种不同形式的试验台：履带转鼓试验台、无履带试验台和测力平台试验台。其中，无履带试验台是将履带车辆的履带拆掉，通过万向联轴器将车辆主动轮与台架试验台直接连接，也是目前国外履带车辆试验台应用最广的试验台方案[2]。典型的无履带试验台是由直流电机、控制器（变频器或驱动器）、外接电阻、转速转矩测量装置等组成，通过联轴器与车辆主动轮相联，形成一个典型的电力拖动系统，通过改变加载力矩的大小，模拟车辆路面实际阻力。
控制系统是台架试验台最重要的组成部分，台架试验台的控制系统对于正确控制台架试验的运行状态，准确模拟实际路面阻力，起着至关重要的作用。为了克服实际调试中存在的困难以及提高系统测试性能，有必要对真实台架试验台及车辆动力学模型进行仿真分析，从而优化控制算法、提高测试精度。
2 真实系统整体结构
进行履带车辆台架试验时，要代替真实的路面试验，就必须通过电机对台架试验车辆施加负载，在车辆输出动力不变的情况下，使在试验台上运行的车辆主动轮转速特性等同于路面运行的转速特性，即通过加载使试验台上车辆的主动轮转速跟踪设定路况下的实际转速[3]。
通过试验台上靠近车辆输出轴位置安装的扭矩传感器测出车辆的主动轴转矩，再根据车辆的动力学模型推导出在设定路面工况下的主动轮转速。由于电机轴与车辆主动轮通过万向联轴器直接相连，控制直流电机准确地跟踪这个转速，即可控制被试车辆主动轮转速跟随设定路面工况下的实际转速。
基于上述理论的履带车辆台架试验台系统组成框图如图2.1所示。整套台架试验系统主要由五部分组成：控制系统、加载系统、变速系统、采集系统和配电系统。控制系统包含推导车辆实际速度的车辆动力学模型模块、跟踪实际道路工况转速的速度跟踪模块、试验控制与管理模块等。采集系统测量车辆输出扭矩、车辆主动轮转速等。加载系统由电机及其驱动系统组成，两边电机可分别独立为被试车辆加载。
3 车辆纵向动力学建模
在建模过程中，作如下假设：①动力传动系统中的传动轴及传动齿轮为刚性。②地面附着系数足够大，不考虑轮胎的滑移等非线性因素[4]。
3.1 发动机模型
发动机动力输出特性表现为发动机转速、油门开度与输出转矩之间的非线性关系，可由多种方法得到：经验公式法、曲线拟合法和查表法。本文采用查表法，通过对发动机的实际测试获得不同油门开度和发动机转速下的输出转矩数据，从而制成发动机MAP图。
3.2 离合器模型
离合器的摩擦传递扭矩和离合器踏板行程之间的关系为
3.3 变速器模型
经变速器和主减速器后，传递到车轮的驱动扭矩为
3.4 制动器模型
制动器制动力与制动踏板位移之间的关系为
3.5 车辆纵向动力学模型
将车辆假设为均质刚体，车辆直线行驶的动力学方程为：
4 台架试验台模型
4.1 台架试验台的时域数学模型
4.2 台架试验控制算法
4.2.1 电机的调速
在台架试验台加载电机的控制中，要对负载电机的速度连续控制，要求速度控制精度高、响应快、超调小、稳定性好，所以采用应用最为广泛的转速电流双闭环调速控制。图4.1是常见的转速电流双闭环调速系统的MATLAB仿真图。
4.2.2 台架试验台的速度跟踪控制
本文采用速度跟踪控制算法，系统通过传感器采集车辆主动轮输出力矩及试验台当前转速，推导出车辆下一时刻目标转速，进而控制负载电机输出转矩，使得主动轮转速跟踪目标转速，从而模拟实际路面工况（如图4.2所示）。
5 仿真分析和验证
为了验证所提出的履带车辆台架试验台控制方法的有效性，分别进行了履带车辆牵引特性曲线的测试试验和加速性能试验。试验车辆的性能参数如表5.1所示。
5.1 牵引特性曲线的测试试验
牵引性能是指车辆各档时各种转速下具有的牵引力大小，它是由车辆发动机牵引力、各个排档的速度和车重等决定的，是评定车辆动力性能的一项重要指标[5]。由牵引特性曲线可以较直观的看出车辆的牵引性能。
牵引特性曲线表示发动机完全供油时（油门到底），车辆在各个排档、各个转速下发动机牵引力Ft与车辆运动速度v的关系曲线，即Ft-v曲线。如图5.1所示，它由多条曲线组成，每条曲线对应一个档位。
本次试验是一次性连续试验完成的，试验顺序为Ⅳ档、Ⅴ档、Ⅵ档、Ⅲ档、Ⅱ档。
5.2 加速性能试验
加速性能是指车辆在使用条件下迅速增大行驶速度的能力，是车辆机动性能的重要指标之一。车辆从静止状态加速到32km/h的加速时间、加速距离和最大加速度是试验的主要评价指标之一[6]，对车辆从静止到最高速的加速性能进行试验，并与实际路面试验相比较，以验证数据的正确性（如图5.2、图5.3所示）。
6 结语
本文对车辆动力学模型、履带车辆台架试验台进行了MATLAB建模仿真，提出了一种既具有良好的跟踪精度，又具有良好的实时性和较强抗干扰性能力的履带车辆台架试验台车速跟踪控制方法。实车试验结果表明，试验结果与理论计算的曲线基本相同，台架试验台模拟车辆所受到的路面阻力、风阻和惯性力，准确的模拟了车辆在牵引力测试试验、加速试验中的实际路面工况。在车辆动力性等专项试验中能够缩减车辆测试的周期，降低试验的成本和环境要求。
参考文献
[1]冀强.履带车辆综合传动系统性能试验台的设计[D].山东大学，2011.
[2]张保军.试验台控制系统常见故障诊断与排除[J].测试技术学报，2006（20）：220-224
[3]程广伟，周志立，徐立有，等.履带车辆行驶载荷在传动系试验台上的模拟[J].拖拉机与农用运输车，2006（33）：12-14.
[4]周云波，常思勤，魏巍，等.基于MATLAB/SimDriveline的某型军用车辆起步过程仿真研究[J].南京理工大学学报（自然科学版），2011，35（4）：507-512.
[5]GJB 59.25—91，装甲车辆试验规程 硬地拖钩牵引特性试验[S].
[6]GJB 59.1-1985，装甲车辆试验规程 加速特性、最大和最小稳定速度试验[S].
摘要：履带车辆在台架试验过程中，车辆实际行驶工况在试验台架的模拟是试验成功的关键。本文通过对履带车辆动力学理论和台架试验台结构的研究和分析，完成了车辆的纵向动力学模型和台架系统的时域数学模型的建模仿真。从试验加载精度和实时性出发，提出了台架试验台的速度跟踪控制算法，并通过实车试验台试验结果与理论计算结果的对比分析，验证了此控制方法在履带车辆台架试验中模拟实际路面工况的可行性和准确性。
关键词：履带车辆 台架试验 速度跟踪 动力学模型
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0016-03
1 绪论
整车台架试验通过模拟车辆在道路上行驶时的各种工况，在室内完成动力性试验、排放性能评估与分析、可靠性试验、热平衡试验等专项试验，是车辆试验研究、产品开发和质量检测等环节所必需的大型试验设备。在台架试验台上进行车辆性能试验可以排除外界环境因素的影响，试验周期短、模拟精度高、试验数据稳定，且方便试验结果的横向对比[1]。
履带车辆整车台架试验台，基本有三种不同形式的试验台：履带转鼓试验台、无履带试验台和测力平台试验台。其中，无履带试验台是将履带车辆的履带拆掉，通过万向联轴器将车辆主动轮与台架试验台直接连接，也是目前国外履带车辆试验台应用最广的试验台方案[2]。典型的无履带试验台是由直流电机、控制器（变频器或驱动器）、外接电阻、转速转矩测量装置等组成，通过联轴器与车辆主动轮相联，形成一个典型的电力拖动系统，通过改变加载力矩的大小，模拟车辆路面实际阻力。
控制系统是台架试验台最重要的组成部分，台架试验台的控制系统对于正确控制台架试验的运行状态，准确模拟实际路面阻力，起着至关重要的作用。为了克服实际调试中存在的困难以及提高系统测试性能，有必要对真实台架试验台及车辆动力学模型进行仿真分析，从而优化控制算法、提高测试精度。
2 真实系统整体结构
进行履带车辆台架试验时，要代替真实的路面试验，就必须通过电机对台架试验车辆施加负载，在车辆输出动力不变的情况下，使在试验台上运行的车辆主动轮转速特性等同于路面运行的转速特性，即通过加载使试验台上车辆的主动轮转速跟踪设定路况下的实际转速[3]。
通过试验台上靠近车辆输出轴位置安装的扭矩传感器测出车辆的主动轴转矩，再根据车辆的动力学模型推导出在设定路面工况下的主动轮转速。由于电机轴与车辆主动轮通过万向联轴器直接相连，控制直流电机准确地跟踪这个转速，即可控制被试车辆主动轮转速跟随设定路面工况下的实际转速。
基于上述理论的履带车辆台架试验台系统组成框图如图2.1所示。整套台架试验系统主要由五部分组成：控制系统、加载系统、变速系统、采集系统和配电系统。控制系统包含推导车辆实际速度的车辆动力学模型模块、跟踪实际道路工况转速的速度跟踪模块、试验控制与管理模块等。采集系统测量车辆输出扭矩、车辆主动轮转速等。加载系统由电机及其驱动系统组成，两边电机可分别独立为被试车辆加载。
3 车辆纵向动力学建模
在建模过程中，作如下假设：①动力传动系统中的传动轴及传动齿轮为刚性。②地面附着系数足够大，不考虑轮胎的滑移等非线性因素[4]。
3.1 发动机模型
发动机动力输出特性表现为发动机转速、油门开度与输出转矩之间的非线性关系，可由多种方法得到：经验公式法、曲线拟合法和查表法。本文采用查表法，通过对发动机的实际测试获得不同油门开度和发动机转速下的输出转矩数据，从而制成发动机MAP图。
3.2 离合器模型
离合器的摩擦传递扭矩和离合器踏板行程之间的关系为
3.3 变速器模型
经变速器和主减速器后，传递到车轮的驱动扭矩为
3.4 制动器模型
制动器制动力与制动踏板位移之间的关系为
3.5 车辆纵向动力学模型
将车辆假设为均质刚体，车辆直线行驶的动力学方程为：
4 台架试验台模型
4.1 台架试验台的时域数学模型
4.2 台架试验控制算法
4.2.1 电机的调速
在台架试验台加载电机的控制中，要对负载电机的速度连续控制，要求速度控制精度高、响应快、超调小、稳定性好，所以采用应用最为广泛的转速电流双闭环调速控制。图4.1是常见的转速电流双闭环调速系统的MATLAB仿真图。
4.2.2 台架试验台的速度跟踪控制
本文采用速度跟踪控制算法，系统通过传感器采集车辆主动轮输出力矩及试验台当前转速，推导出车辆下一时刻目标转速，进而控制负载电机输出转矩，使得主动轮转速跟踪目标转速，从而模拟实际路面工况（如图4.2所示）。
5 仿真分析和验证
为了验证所提出的履带车辆台架试验台控制方法的有效性，分别进行了履带车辆牵引特性曲线的测试试验和加速性能试验。试验车辆的性能参数如表5.1所示。
5.1 牵引特性曲线的测试试验
牵引性能是指车辆各档时各种转速下具有的牵引力大小，它是由车辆发动机牵引力、各个排档的速度和车重等决定的，是评定车辆动力性能的一项重要指标[5]。由牵引特性曲线可以较直观的看出车辆的牵引性能。
牵引特性曲线表示发动机完全供油时（油门到底），车辆在各个排档、各个转速下发动机牵引力Ft与车辆运动速度v的关系曲线，即Ft-v曲线。如图5.1所示，它由多条曲线组成，每条曲线对应一个档位。
本次试验是一次性连续试验完成的，试验顺序为Ⅳ档、Ⅴ档、Ⅵ档、Ⅲ档、Ⅱ档。
5.2 加速性能试验
加速性能是指车辆在使用条件下迅速增大行驶速度的能力，是车辆机动性能的重要指标之一。车辆从静止状态加速到32km/h的加速时间、加速距离和最大加速度是试验的主要评价指标之一[6]，对车辆从静止到最高速的加速性能进行试验，并与实际路面试验相比较，以验证数据的正确性（如图5.2、图5.3所示）。
6 结语
本文对车辆动力学模型、履带车辆台架试验台进行了MATLAB建模仿真，提出了一种既具有良好的跟踪精度，又具有良好的实时性和较强抗干扰性能力的履带车辆台架试验台车速跟踪控制方法。实车试验结果表明，试验结果与理论计算的曲线基本相同，台架试验台模拟车辆所受到的路面阻力、风阻和惯性力，准确的模拟了车辆在牵引力测试试验、加速试验中的实际路面工况。在车辆动力性等专项试验中能够缩减车辆测试的周期，降低试验的成本和环境要求。
参考文献
[1]冀强.履带车辆综合传动系统性能试验台的设计[D].山东大学，2011.
[2]张保军.试验台控制系统常见故障诊断与排除[J].测试技术学报，2006（20）：220-224
[3]程广伟，周志立，徐立有，等.履带车辆行驶载荷在传动系试验台上的模拟[J].拖拉机与农用运输车，2006（33）：12-14.
[4]周云波，常思勤，魏巍，等.基于MATLAB/SimDriveline的某型军用车辆起步过程仿真研究[J].南京理工大学学报（自然科学版），2011，35（4）：507-512.
[5]GJB 59.25—91，装甲车辆试验规程 硬地拖钩牵引特性试验[S].
[6]GJB 59.1-1985，装甲车辆试验规程 加速特性、最大和最小稳定速度试验[S].
