Диссертация (Метод разрботки законов управления нагружателем рулевого колеса при отсутствии жёсткой связи в системе управления поворотом колёсных машин), страница 10

Наиболее перспективным типом подобных рулевыхсистем, особенно для длиннобазовых шасси и шасси с несколькимиповоротнымиосями,являетсярулевоеуправлениевотсутствиикинематической «жесткой» связи рулевого и управляемых колес. Одним изключевыхуправленияэлементовуказанныхэлектронагружателемрулевыхрулевогосистемявляетсяколеса(СУсистемаЭНРК),формирующая требуемое реактивное сопротивление на руле для обеспечения«чувства дороги» и повышения информативности управления.Ввиду специфики функционального назначения СУ ЭНРК в настоящеевремя оценка эффективности функционирования ЭРК, а также проведение54отладочных мероприятий и отработка базовых законов управления дляданной системы не представляются возможными в отсутствии объекта.Данное исследование посвящено созданию метода проектирования иисследования, применение которого на этапах разработки и отладкиСУ ЭНРК позволит обеспечить выполнение всех указанных мероприятий вотсутствии опытного образца изделия колесной техники.

Суть создаваемогометода проектирования бортовых систем управления, к которым относитсяСУ ЭНРК, заключается в применении на ранних стадиях выполнения ОКР (вотсутствии опытного образца объекта) имитационных математическихмоделей «реального времени» во взаимодействии с разрабатываемойэлектронной системой управления. В рамках исследования СУ ЭНРК вкачестве модели динамики колесной машины выступает модель «реальноговремени» криволинейного движения многоосного колесного шасси (МКШ)потвердойнедеформируемойпроектированияпозволитповерхности.выполнятьРазрабатываемыйотработкузаконовметодуправленияэлектронагружателем рулевого колеса как при выполнении типовыхманевров, так и при движении по случайным траекториям в заданныхскоростных режимах при различных законах управления положением колес.Применение данного подхода к разработке СУ ЭНРК способствуетповышению безопасности МКШ улучшению управляемости и устойчивостидвижения МКШ.Требование по функционированию в режиме «реального времени»позволяет реализовывать на основе имитационной математической моделисоответствующее стендовое оборудование, в состав которого входитСУ ЭКРН, рулевая колонка и другие органы управления транспортнымсредством, а также графический интерфейс для отображения текущегоположения колесной машины и окружающей среды.

Данный программноаппаратныйотработкукомплекспервичныхпозволяетнавыковосуществлятьуправленияводителю-испытателютранспортнымсредством,оснащенным вновь разрабатываемой системы управления. Указанная55возможность способствует более детальной проработке алгоритмов ипараметров функционирования проектируемой системы управления уже наначальных этапах выполнения ОКР.Ключевыми вопросами при создании рассматриваемого методапроектирования бортовых электронных систем колесных машин являютсяразработка имитационной математической модели динамики транспортногосредства «реального времени» и реализация взаимодействия данной модели сфизической системой управления.По результатам анализа отечественных и зарубежных исследований,представленного в 1.3, был определен перечень задач, которые должны бытьрешены при создании имитационных математических моделей «реальноговремени»:- определение области адекватной работы модели «реального времени»- граничных значений параметров, в которых модель корректно описываетреальный объект;- способ верификации модели «реального времени» - сравнениерезультатов моделирования с динамическими параметрами реальногообъектом или с результатами расчетов верифицированной имитационноймодели [99];- определение допустимых упрощений, применение которых позволяетосуществить переход от «непрерывного» моделирования к моделированию в«реальном времени»;- выбор численного метода решения при переходе от «непрерывного»моделирования к моделированию в «реальном времени»;- определение интерфейса (вектора входных и выходных параметров)для организации взаимодействия с автоматизированной системой управления(виртуальной или реальной).Разработка и подтверждение адекватности метода проектированиябортовых систем управления (в том числе и СУ ЭНРК) осуществляютсяпосредством решения представленных задач, а непосредственно процесс56реализации рассматриваемого метода проектирования состоит из следующихэтапов:- разработка имитационной математической модели «реальноговремени» криволинейного движения многоосного колесного шасси;- верификация автономной работы ИММРВ МКШ: в настоящемисследовании применяется способ подтверждения корректности работыИММРВ МКШ на основе сопоставления работы ИММРВ МКШ схарактеристиками«эталонной»математическоймодели,адекватностькоторой подтверждена ранее.

Поведение водителя в данном случаемоделируется при помощи заранее заданного в качестве функции временивоздействия на органы управления (один или несколько);-реализациявИММРВМКШинтерфейсадляобеспечениявзаимодействия с внешней средой. Под внешней средой понимается какграфическая оболочка для обеспечения возможности работы человека сИММРВ МКШ, так и система управления, для отработки алгоритмовкоторой функционал разрабатываемой математической модели являетсядостаточным;- верификация работы ИММРВ МКШ при ее совместной работе сфизическим устройством.

Данный пункт выполняется при проверкевзаимодействия ИММРВ МКШ с действующей системой управления. Врамках текущего исследования реализовано взаимодействие ИММРВ МКШ сСУ ЭНРК: в данном случае водитель оказывает воздействие на движениевиртуального МКШ посредством реального рулевого колеса, а такжезадатчиков положения педалей газа и тормоза. Текущие положения органовуправления преобразуются в пропорциональные электрические сигналы,соответствующие цифровые значения которых передаются в качествеуправляющихвоздействийвИММРВМКШсиспользованиемреализованного интерфейса взаимодействия.

Следовательно, на текущемэтапе водитель осуществляет штатное управление виртуальным МКШ.Верификация ИММРВ МКШ на данном этапе также осуществляться путем57сопоставления работы ИММРВ МКШ с характеристиками «эталонной»математической модели, в которой в качестве управляющих сигналовиспользуютсяпреобразованныевфункциивремениуправляющиевоздействия водителя при ранее выполненных виртуальных заездах.По итогам реализации представленных этапов в случае положительныхрезультатов верификации имитационной математической модели «реальноговремени» становится возможным ее применение для отработки алгоритмовфункционирования и корректировки (при необходимости) исходных законовуправления автоматизированных систем МКШ.Порезультатамсовместнойработыразрабатываемойсистемыуправления и ИММРВ МКШ осуществляется основная часть работ поотработке программной и аппаратной части управляющей системы. ПослеотработкиалгоритмовсистемыуправлениянаИММРВМКШосуществляется проверка функционирования разрабатываемой системыуправления МКШ в составе объекта.

На данном этапе водитель-испытательосуществляет управление опытным образцом МКШ с исследуемой системойуправления. Корректность работы рассматриваемой системы управленияподтверждается по результатам проведения различных испытаний образцаМКШ, направленных на проверку соответствия установленным техническимтребованиям.582. Математическая модель «реального времени» плоскогокриволинейного движения колесной машины2.1.Имитационнаяматематическая«непрерывногомодельвремени» динамики плоского криволинейного движения колесноймашиныКак отмечалось выше (1.2), рассматриваемый метод проектированиясистемуправленияиспользованиенанагружателемраннихэтапахрулевогоразработкиимитационных математических моделейколесапредполагаетсистемыуправления«реального времени» динамикиколесных машин.Для описания предлагаемого метода проектирования, верификации иподтверждения адекватности модели «реального времени», организациивзаимодействия модели «реального времени» с действующем образцомсистемы управления электронагружателем рулевого колеса целесообразноиспользовать модель плоского криволинейного движения колесного шассипо твердому недеформируемому опорному основанию [25, 48].

Припроведении настоящего исследования в качестве базовой динамическоймодели применялась имитационная модель криволинейного движенияколесного шасси, разработанная в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре СМ10 «Колесные машины» и активно используемая при проведении различныхнаучно-исследовательскихиопытно-конструкторскихработкафедры.Адекватность указанной имитационной модели динамики колесного шассинеоднократно подтверждалась путем сравнения параметров моделирования срезультатами, полученными в ходе тестовых заездов опытных образцовколесных машин [24].

В целях соответствия объектам колесной техники,рулевые системы которых характеризуются отсутствием «жесткой» связирулевого и управляемых колес и на которых применяются системыэлектронагружателя рулевого колеса, данная модель была адаптирована под59описание динамики шасси с колесной формулой 8х8 и формулой рулевогоуправления 1-2-3-4. Другие параметры виртуального шасси представлены вТаблице 1.Таблица 1.Параметры виртуального шассиНаименование параметраЗначениеMасса, кг:29600Длина, м:6,15Ширина колеи, м:2,6Высота центра масс, м:1,38Статический радиус колеса, м:0,725Момент инерции МКШ вокругвертикальной оси, кг·м2110106Максимальная мощностьэлектродвигателей мотор-колес, Вт60000Ниже представлены основные дифференциальные уравнения динамикиданной модели и дано подробное описание ее реализации.В рассматриваемой модели динамики движение колесной машины кактвердого тела рассматривается в горизонтальной плоскости на ровнойнедеформируемой опорной поверхности и складывается из поступательногодвижения центра масс и вращательного движения вокруг центра масс(Рис.

2.1).60Рис. 2.1. Системы координат, использующиеся при моделированиикриволинейного движения колесной машины с колеснойформулой 8х8:хʹ - O - yʹ – неподвижная система координат (НСК);х - C - y – подвижная система координат (ПСК), связанная сцентром масс объекта;хiʹʹ - Oi - yiʹʹ – подвижная система координат, связанная сосью вращения i-ого колеса;Θ – курсовой угол модели колесной машины;θi – угол поворота i-ого колесаСистема уравнений (2.1), описывающая данное движение, позволяетрассчитать текущие ускорения по значениям сил и моментов, действующимна колесную машину со стороны опорной поверхности и окружающей среды:618dV x1 ,=−⋅=⋅+ωaVPR x∑zywxxidtm i =18a = dV y + ω ⋅ V = 1 ⋅  P +,R∑yzxwyyidtm i =188rdω z= ∑ M пкi + ∑ M Ri ,J z ⋅dt,i =1i =1′V x′ = dx = V x ⋅ cos θ − V y ⋅ sin θ ,dtdy ′= V x ⋅ sin θ + V y ⋅ cos θ ,V y′ =dtdθω z =dt( )(2.1)где m - масса колесной машины; Jz - момент инерции колесной машиныrотносительно оси z (центра масс); V - вектор скорости центра масс колесноймашины;ra- вектор ускорения центра масс колесной машины (абсолютнаяпроизводнаяотвектораскоростицентрамассавтомобиля);rdVdt-относительная производная от вектора скорости центра масс колесноймашины; ω Z - угловая скорости поворота колесной машины вокруг центраrмасс; θ - угол поворота колесной машины относительно оси x ′ ; Ri - векторсилы взаимодействия с опорным основанием, действующей на i-ое колесо;rPw- вектор силы сопротивления воздуха; Mпкi - момент сопротивления поворотуi-го колеса.Расчетная схема, применяемая для определения сил и скоростейотдельного колеса объекта (как по модулю, так и по направлению),представлена на Рис.

2.2.62Рис. 2.2. Расчетная схема колесаНа Рис. 2.2 представлены следующие условные обозначения:rVск – вектор скорости скольжения точки контакта колеса относительноопорной поверхности;rVотн– вектор относительной скорости колеса в пятне контакта;rVпер – вектор переносной скорости центра вращения колеса Oi (векторскорости точки ПСК х - C - y, с которой в настоящий момент связан центр OiПСК хiʹʹ - Oi - yiʹʹ, относительно НСК хʹ - O - yʹ);rVпск _ км – вектор линейной скорости поступательного движения центрамасс колесной машины в НСК хʹ - O - yʹ;rVпов _ км – вектор линейной скорости вращательного движения центра i-ого колеса вокруг центра масс колесной машины;α – угол поворота вектора скорости скольжения колеса относительнооси хiʹʹ системы хiʹʹ - Oi - yiʹʹ ;ωк – угловая скорость вращения i-ого колеса;rRi – сила взаимодействия с опорной поверхностью i-ого колеса;63θi – угол поворота i-ого колеса;Mf i – момент сопротивления качению i-ого колеса;Mпк i – момент сопротивления повороту i-ого колеса;rВектор скорости скольжения нижней точки колеса Vск определяется всоответствии со следующим выражением [114]:rrrVск = Vпер + Vотн.(2.2)Вектор переносной скорости центра вращения колеса равен суммеrвектора скорости цента подвижной системы координат ( Vпск _ км - векторпоступательной скорости центра масс колесной машины НСК хʹ - O - yʹ) иrвекторного произведения угловой скорости вращения ω z ПСК, связанной сцентром масс, относительно неподвижной системы координат на радиусrвектор r , определяющий положение рассматриваемой точки в ПСК [62]r(скорость поворота колесной машины вокруг центра масс Vпов _ км , Рис.