履帶車輛臺架試驗臺控制方法研究與仿真

王騰浩++張保軍

摘要：履帶車輛在臺架試驗過程中，車輛實際行駛工況在試驗臺架的模擬是試驗成功的關鍵。本文通過對履帶車輛動力學理論和臺架試驗臺結構的研究和分析，完成了車輛的縱向動力學模型和臺架系統的時域數學模型的建模仿真。從試驗加載精度和實時性出發，提出了臺架試驗臺的速度跟蹤控制算法，并通過實車試驗臺試驗結果與理論計算結果的對比分析，驗證了此控制方法在履帶車輛臺架試驗中模擬實際路面工況的可行性和準確性。

關鍵詞：履帶車輛 臺架試驗 速度跟蹤 動力學模型

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0016-03

1 緒論

整車臺架試驗通過模擬車輛在道路上行駛時的各種工況，在室內完成動力性試驗、排放性能評估與分析、可靠性試驗、熱平衡試驗等專項試驗，是車輛試驗研究、產品開發和質量檢測等環節所必需的大型試驗設備。在臺架試驗臺上進行車輛性能試驗可以排除外界環境因素的影響，試驗周期短、模擬精度高、試驗數據穩定，且方便試驗結果的橫向對比[1]。

履帶車輛整車臺架試驗臺，基本有三種不同形式的試驗臺：履帶轉鼓試驗臺、無履帶試驗臺和測力平臺試驗臺。其中，無履帶試驗臺是將履帶車輛的履帶拆掉，通過萬向聯軸器將車輛主動輪與臺架試驗臺直接連接，也是目前國外履帶車輛試驗臺應用最廣的試驗臺方案[2]。典型的無履帶試驗臺是由直流電機、控制器（變頻器或驅動器）、外接電阻、轉速轉矩測量裝置等組成，通過聯軸器與車輛主動輪相聯，形成一個典型的電力拖動系統，通過改變加載力矩的大小，模擬車輛路面實際阻力。

控制系統是臺架試驗臺最重要的組成部分，臺架試驗臺的控制系統對于正確控制臺架試驗的運行狀態，準確模擬實際路面阻力，起著至關重要的作用。為了克服實際調試中存在的困難以及提高系統測試性能，有必要對真實臺架試驗臺及車輛動力學模型進行仿真分析，從而優化控制算法、提高測試精度。

2 真實系統整體結構

進行履帶車輛臺架試驗時，要代替真實的路面試驗，就必須通過電機對臺架試驗車輛施加負載，在車輛輸出動力不變的情況下，使在試驗臺上運行的車輛主動輪轉速特性等同于路面運行的轉速特性，即通過加載使試驗臺上車輛的主動輪轉速跟蹤設定路況下的實際轉速[3]。

通過試驗臺上靠近車輛輸出軸位置安裝的扭矩傳感器測出車輛的主動軸轉矩，再根據車輛的動力學模型推導出在設定路面工況下的主動輪轉速。由于電機軸與車輛主動輪通過萬向聯軸器直接相連，控制直流電機準確地跟蹤這個轉速，即可控制被試車輛主動輪轉速跟隨設定路面工況下的實際轉速。

基于上述理論的履帶車輛臺架試驗臺系統組成框圖如圖2.1所示。整套臺架試驗系統主要由五部分組成：控制系統、加載系統、變速系統、采集系統和配電系統。控制系統包含推導車輛實際速度的車輛動力學模型模塊、跟蹤實際道路工況轉速的速度跟蹤模塊、試驗控制與管理模塊等。采集系統測量車輛輸出扭矩、車輛主動輪轉速等。加載系統由電機及其驅動系統組成，兩邊電機可分別獨立為被試車輛加載。

3 車輛縱向動力學建模

在建模過程中，作如下假設：①動力傳動系統中的傳動軸及傳動齒輪為剛性。②地面附著系數足夠大，不考慮輪胎的滑移等非線性因素[4]。

3.1 發動機模型

發動機動力輸出特性表現為發動機轉速、油門開度與輸出轉矩之間的非線性關系，可由多種方法得到：經驗公式法、曲線擬合法和查表法。本文采用查表法，通過對發動機的實際測試獲得不同油門開度和發動機轉速下的輸出轉矩數據，從而制成發動機MAP圖。

3.2 離合器模型

離合器的摩擦傳遞扭矩和離合器踏板行程之間的關系為

3.3 變速器模型

經變速器和主減速器后，傳遞到車輪的驅動扭矩為

3.4 制動器模型

制動器制動力與制動踏板位移之間的關系為

3.5 車輛縱向動力學模型

將車輛假設為均質剛體，車輛直線行駛的動力學方程為：

4 臺架試驗臺模型

4.1 臺架試驗臺的時域數學模型

4.2 臺架試驗控制算法

4.2.1 電機的調速

在臺架試驗臺加載電機的控制中，要對負載電機的速度連續控制，要求速度控制精度高、響應快、超調小、穩定性好，所以采用應用最為廣泛的轉速電流雙閉環調速控制。圖4.1是常見的轉速電流雙閉環調速系統的MATLAB仿真圖。

4.2.2 臺架試驗臺的速度跟蹤控制

本文采用速度跟蹤控制算法，系統通過傳感器采集車輛主動輪輸出力矩及試驗臺當前轉速，推導出車輛下一時刻目標轉速，進而控制負載電機輸出轉矩，使得主動輪轉速跟蹤目標轉速，從而模擬實際路面工況（如圖4.2所示）。

5 仿真分析和驗證

為了驗證所提出的履帶車輛臺架試驗臺控制方法的有效性，分別進行了履帶車輛牽引特性曲線的測試試驗和加速性能試驗。試驗車輛的性能參數如表5.1所示。

5.1 牽引特性曲線的測試試驗

牽引性能是指車輛各檔時各種轉速下具有的牽引力大小，它是由車輛發動機牽引力、各個排檔的速度和車重等決定的，是評定車輛動力性能的一項重要指標[5]。由牽引特性曲線可以較直觀的看出車輛的牽引性能。

牽引特性曲線表示發動機完全供油時（油門到底），車輛在各個排檔、各個轉速下發動機牽引力Ft與車輛運動速度v的關系曲線，即Ft-v曲線。如圖5.1所示，它由多條曲線組成，每條曲線對應一個檔位。

本次試驗是一次性連續試驗完成的，試驗順序為Ⅳ檔、Ⅴ檔、Ⅵ檔、Ⅲ檔、Ⅱ檔。

5.2 加速性能試驗

加速性能是指車輛在使用條件下迅速增大行駛速度的能力，是車輛機動性能的重要指標之一。車輛從靜止狀態加速到32km/h的加速時間、加速距離和最大加速度是試驗的主要評價指標之一[6]，對車輛從靜止到最高速的加速性能進行試驗，并與實際路面試驗相比較，以驗證數據的正確性（如圖5.2、圖5.3所示）。

6 結語

本文對車輛動力學模型、履帶車輛臺架試驗臺進行了MATLAB建模仿真，提出了一種既具有良好的跟蹤精度，又具有良好的實時性和較強抗干擾性能力的履帶車輛臺架試驗臺車速跟蹤控制方法。實車試驗結果表明，試驗結果與理論計算的曲線基本相同，臺架試驗臺模擬車輛所受到的路面阻力、風阻和慣性力，準確的模擬了車輛在牽引力測試試驗、加速試驗中的實際路面工況。在車輛動力性等專項試驗中能夠縮減車輛測試的周期，降低試驗的成本和環境要求。

參考文獻

[1]冀強.履帶車輛綜合傳動系統性能試驗臺的設計[D].山東大學，2011.

[2]張保軍.試驗臺控制系統常見故障診斷與排除[J].測試技術學報，2006（20）：220-224

[3]程廣偉，周志立，徐立有，等.履帶車輛行駛載荷在傳動系試驗臺上的模擬[J].拖拉機與農用運輸車，2006（33）：12-14.

[4]周云波，常思勤，魏巍，等.基于MATLAB/SimDriveline的某型軍用車輛起步過程仿真研究[J].南京理工大學學報（自然科學版），2011，35（4）：507-512.

[5]GJB 59.25—91，裝甲車輛試驗規程 硬地拖鉤牽引特性試驗[S].

[6]GJB 59.1-1985，裝甲車輛試驗規程 加速特性、最大和最小穩定速度試驗[S].

摘要：履帶車輛在臺架試驗過程中，車輛實際行駛工況在試驗臺架的模擬是試驗成功的關鍵。本文通過對履帶車輛動力學理論和臺架試驗臺結構的研究和分析，完成了車輛的縱向動力學模型和臺架系統的時域數學模型的建模仿真。從試驗加載精度和實時性出發，提出了臺架試驗臺的速度跟蹤控制算法，并通過實車試驗臺試驗結果與理論計算結果的對比分析，驗證了此控制方法在履帶車輛臺架試驗中模擬實際路面工況的可行性和準確性。

關鍵詞：履帶車輛 臺架試驗 速度跟蹤 動力學模型

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0016-03

1 緒論

整車臺架試驗通過模擬車輛在道路上行駛時的各種工況，在室內完成動力性試驗、排放性能評估與分析、可靠性試驗、熱平衡試驗等專項試驗，是車輛試驗研究、產品開發和質量檢測等環節所必需的大型試驗設備。在臺架試驗臺上進行車輛性能試驗可以排除外界環境因素的影響，試驗周期短、模擬精度高、試驗數據穩定，且方便試驗結果的橫向對比[1]。

履帶車輛整車臺架試驗臺，基本有三種不同形式的試驗臺：履帶轉鼓試驗臺、無履帶試驗臺和測力平臺試驗臺。其中，無履帶試驗臺是將履帶車輛的履帶拆掉，通過萬向聯軸器將車輛主動輪與臺架試驗臺直接連接，也是目前國外履帶車輛試驗臺應用最廣的試驗臺方案[2]。典型的無履帶試驗臺是由直流電機、控制器（變頻器或驅動器）、外接電阻、轉速轉矩測量裝置等組成，通過聯軸器與車輛主動輪相聯，形成一個典型的電力拖動系統，通過改變加載力矩的大小，模擬車輛路面實際阻力。

控制系統是臺架試驗臺最重要的組成部分，臺架試驗臺的控制系統對于正確控制臺架試驗的運行狀態，準確模擬實際路面阻力，起著至關重要的作用。為了克服實際調試中存在的困難以及提高系統測試性能，有必要對真實臺架試驗臺及車輛動力學模型進行仿真分析，從而優化控制算法、提高測試精度。

2 真實系統整體結構

進行履帶車輛臺架試驗時，要代替真實的路面試驗，就必須通過電機對臺架試驗車輛施加負載，在車輛輸出動力不變的情況下，使在試驗臺上運行的車輛主動輪轉速特性等同于路面運行的轉速特性，即通過加載使試驗臺上車輛的主動輪轉速跟蹤設定路況下的實際轉速[3]。

通過試驗臺上靠近車輛輸出軸位置安裝的扭矩傳感器測出車輛的主動軸轉矩，再根據車輛的動力學模型推導出在設定路面工況下的主動輪轉速。由于電機軸與車輛主動輪通過萬向聯軸器直接相連，控制直流電機準確地跟蹤這個轉速，即可控制被試車輛主動輪轉速跟隨設定路面工況下的實際轉速。

基于上述理論的履帶車輛臺架試驗臺系統組成框圖如圖2.1所示。整套臺架試驗系統主要由五部分組成：控制系統、加載系統、變速系統、采集系統和配電系統。控制系統包含推導車輛實際速度的車輛動力學模型模塊、跟蹤實際道路工況轉速的速度跟蹤模塊、試驗控制與管理模塊等。采集系統測量車輛輸出扭矩、車輛主動輪轉速等。加載系統由電機及其驅動系統組成，兩邊電機可分別獨立為被試車輛加載。

3 車輛縱向動力學建模

在建模過程中，作如下假設：①動力傳動系統中的傳動軸及傳動齒輪為剛性。②地面附著系數足夠大，不考慮輪胎的滑移等非線性因素[4]。

3.1 發動機模型

發動機動力輸出特性表現為發動機轉速、油門開度與輸出轉矩之間的非線性關系，可由多種方法得到：經驗公式法、曲線擬合法和查表法。本文采用查表法，通過對發動機的實際測試獲得不同油門開度和發動機轉速下的輸出轉矩數據，從而制成發動機MAP圖。

3.2 離合器模型

離合器的摩擦傳遞扭矩和離合器踏板行程之間的關系為

3.3 變速器模型

經變速器和主減速器后，傳遞到車輪的驅動扭矩為

3.4 制動器模型

制動器制動力與制動踏板位移之間的關系為

3.5 車輛縱向動力學模型

將車輛假設為均質剛體，車輛直線行駛的動力學方程為：

4 臺架試驗臺模型

4.1 臺架試驗臺的時域數學模型

4.2 臺架試驗控制算法

4.2.1 電機的調速

在臺架試驗臺加載電機的控制中，要對負載電機的速度連續控制，要求速度控制精度高、響應快、超調小、穩定性好，所以采用應用最為廣泛的轉速電流雙閉環調速控制。圖4.1是常見的轉速電流雙閉環調速系統的MATLAB仿真圖。

4.2.2 臺架試驗臺的速度跟蹤控制

本文采用速度跟蹤控制算法，系統通過傳感器采集車輛主動輪輸出力矩及試驗臺當前轉速，推導出車輛下一時刻目標轉速，進而控制負載電機輸出轉矩，使得主動輪轉速跟蹤目標轉速，從而模擬實際路面工況（如圖4.2所示）。

5 仿真分析和驗證

為了驗證所提出的履帶車輛臺架試驗臺控制方法的有效性，分別進行了履帶車輛牽引特性曲線的測試試驗和加速性能試驗。試驗車輛的性能參數如表5.1所示。

5.1 牽引特性曲線的測試試驗

牽引性能是指車輛各檔時各種轉速下具有的牽引力大小，它是由車輛發動機牽引力、各個排檔的速度和車重等決定的，是評定車輛動力性能的一項重要指標[5]。由牽引特性曲線可以較直觀的看出車輛的牽引性能。

牽引特性曲線表示發動機完全供油時（油門到底），車輛在各個排檔、各個轉速下發動機牽引力Ft與車輛運動速度v的關系曲線，即Ft-v曲線。如圖5.1所示，它由多條曲線組成，每條曲線對應一個檔位。

本次試驗是一次性連續試驗完成的，試驗順序為Ⅳ檔、Ⅴ檔、Ⅵ檔、Ⅲ檔、Ⅱ檔。

5.2 加速性能試驗

加速性能是指車輛在使用條件下迅速增大行駛速度的能力，是車輛機動性能的重要指標之一。車輛從靜止狀態加速到32km/h的加速時間、加速距離和最大加速度是試驗的主要評價指標之一[6]，對車輛從靜止到最高速的加速性能進行試驗，并與實際路面試驗相比較，以驗證數據的正確性（如圖5.2、圖5.3所示）。

6 結語

本文對車輛動力學模型、履帶車輛臺架試驗臺進行了MATLAB建模仿真，提出了一種既具有良好的跟蹤精度，又具有良好的實時性和較強抗干擾性能力的履帶車輛臺架試驗臺車速跟蹤控制方法。實車試驗結果表明，試驗結果與理論計算的曲線基本相同，臺架試驗臺模擬車輛所受到的路面阻力、風阻和慣性力，準確的模擬了車輛在牽引力測試試驗、加速試驗中的實際路面工況。在車輛動力性等專項試驗中能夠縮減車輛測試的周期，降低試驗的成本和環境要求。

參考文獻

[1]冀強.履帶車輛綜合傳動系統性能試驗臺的設計[D].山東大學，2011.

[2]張保軍.試驗臺控制系統常見故障診斷與排除[J].測試技術學報，2006（20）：220-224

[3]程廣偉，周志立，徐立有，等.履帶車輛行駛載荷在傳動系試驗臺上的模擬[J].拖拉機與農用運輸車，2006（33）：12-14.

[4]周云波，常思勤，魏巍，等.基于MATLAB/SimDriveline的某型軍用車輛起步過程仿真研究[J].南京理工大學學報（自然科學版），2011，35（4）：507-512.

[5]GJB 59.25—91，裝甲車輛試驗規程 硬地拖鉤牽引特性試驗[S].

[6]GJB 59.1-1985，裝甲車輛試驗規程 加速特性、最大和最小穩定速度試驗[S].

摘要：履帶車輛在臺架試驗過程中，車輛實際行駛工況在試驗臺架的模擬是試驗成功的關鍵。本文通過對履帶車輛動力學理論和臺架試驗臺結構的研究和分析，完成了車輛的縱向動力學模型和臺架系統的時域數學模型的建模仿真。從試驗加載精度和實時性出發，提出了臺架試驗臺的速度跟蹤控制算法，并通過實車試驗臺試驗結果與理論計算結果的對比分析，驗證了此控制方法在履帶車輛臺架試驗中模擬實際路面工況的可行性和準確性。

關鍵詞：履帶車輛 臺架試驗 速度跟蹤 動力學模型

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0016-03

1 緒論

整車臺架試驗通過模擬車輛在道路上行駛時的各種工況，在室內完成動力性試驗、排放性能評估與分析、可靠性試驗、熱平衡試驗等專項試驗，是車輛試驗研究、產品開發和質量檢測等環節所必需的大型試驗設備。在臺架試驗臺上進行車輛性能試驗可以排除外界環境因素的影響，試驗周期短、模擬精度高、試驗數據穩定，且方便試驗結果的橫向對比[1]。

履帶車輛整車臺架試驗臺，基本有三種不同形式的試驗臺：履帶轉鼓試驗臺、無履帶試驗臺和測力平臺試驗臺。其中，無履帶試驗臺是將履帶車輛的履帶拆掉，通過萬向聯軸器將車輛主動輪與臺架試驗臺直接連接，也是目前國外履帶車輛試驗臺應用最廣的試驗臺方案[2]。典型的無履帶試驗臺是由直流電機、控制器（變頻器或驅動器）、外接電阻、轉速轉矩測量裝置等組成，通過聯軸器與車輛主動輪相聯，形成一個典型的電力拖動系統，通過改變加載力矩的大小，模擬車輛路面實際阻力。

控制系統是臺架試驗臺最重要的組成部分，臺架試驗臺的控制系統對于正確控制臺架試驗的運行狀態，準確模擬實際路面阻力，起著至關重要的作用。為了克服實際調試中存在的困難以及提高系統測試性能，有必要對真實臺架試驗臺及車輛動力學模型進行仿真分析，從而優化控制算法、提高測試精度。

2 真實系統整體結構

進行履帶車輛臺架試驗時，要代替真實的路面試驗，就必須通過電機對臺架試驗車輛施加負載，在車輛輸出動力不變的情況下，使在試驗臺上運行的車輛主動輪轉速特性等同于路面運行的轉速特性，即通過加載使試驗臺上車輛的主動輪轉速跟蹤設定路況下的實際轉速[3]。

通過試驗臺上靠近車輛輸出軸位置安裝的扭矩傳感器測出車輛的主動軸轉矩，再根據車輛的動力學模型推導出在設定路面工況下的主動輪轉速。由于電機軸與車輛主動輪通過萬向聯軸器直接相連，控制直流電機準確地跟蹤這個轉速，即可控制被試車輛主動輪轉速跟隨設定路面工況下的實際轉速。

基于上述理論的履帶車輛臺架試驗臺系統組成框圖如圖2.1所示。整套臺架試驗系統主要由五部分組成：控制系統、加載系統、變速系統、采集系統和配電系統。控制系統包含推導車輛實際速度的車輛動力學模型模塊、跟蹤實際道路工況轉速的速度跟蹤模塊、試驗控制與管理模塊等。采集系統測量車輛輸出扭矩、車輛主動輪轉速等。加載系統由電機及其驅動系統組成，兩邊電機可分別獨立為被試車輛加載。

3 車輛縱向動力學建模

在建模過程中，作如下假設：①動力傳動系統中的傳動軸及傳動齒輪為剛性。②地面附著系數足夠大，不考慮輪胎的滑移等非線性因素[4]。

3.1 發動機模型

發動機動力輸出特性表現為發動機轉速、油門開度與輸出轉矩之間的非線性關系，可由多種方法得到：經驗公式法、曲線擬合法和查表法。本文采用查表法，通過對發動機的實際測試獲得不同油門開度和發動機轉速下的輸出轉矩數據，從而制成發動機MAP圖。

3.2 離合器模型

離合器的摩擦傳遞扭矩和離合器踏板行程之間的關系為

3.3 變速器模型

經變速器和主減速器后，傳遞到車輪的驅動扭矩為

3.4 制動器模型

制動器制動力與制動踏板位移之間的關系為

3.5 車輛縱向動力學模型

將車輛假設為均質剛體，車輛直線行駛的動力學方程為：

4 臺架試驗臺模型

4.1 臺架試驗臺的時域數學模型

4.2 臺架試驗控制算法

4.2.1 電機的調速

在臺架試驗臺加載電機的控制中，要對負載電機的速度連續控制，要求速度控制精度高、響應快、超調小、穩定性好，所以采用應用最為廣泛的轉速電流雙閉環調速控制。圖4.1是常見的轉速電流雙閉環調速系統的MATLAB仿真圖。

4.2.2 臺架試驗臺的速度跟蹤控制

本文采用速度跟蹤控制算法，系統通過傳感器采集車輛主動輪輸出力矩及試驗臺當前轉速，推導出車輛下一時刻目標轉速，進而控制負載電機輸出轉矩，使得主動輪轉速跟蹤目標轉速，從而模擬實際路面工況（如圖4.2所示）。

5 仿真分析和驗證

為了驗證所提出的履帶車輛臺架試驗臺控制方法的有效性，分別進行了履帶車輛牽引特性曲線的測試試驗和加速性能試驗。試驗車輛的性能參數如表5.1所示。

5.1 牽引特性曲線的測試試驗

牽引性能是指車輛各檔時各種轉速下具有的牽引力大小，它是由車輛發動機牽引力、各個排檔的速度和車重等決定的，是評定車輛動力性能的一項重要指標[5]。由牽引特性曲線可以較直觀的看出車輛的牽引性能。

牽引特性曲線表示發動機完全供油時（油門到底），車輛在各個排檔、各個轉速下發動機牽引力Ft與車輛運動速度v的關系曲線，即Ft-v曲線。如圖5.1所示，它由多條曲線組成，每條曲線對應一個檔位。

本次試驗是一次性連續試驗完成的，試驗順序為Ⅳ檔、Ⅴ檔、Ⅵ檔、Ⅲ檔、Ⅱ檔。

5.2 加速性能試驗

加速性能是指車輛在使用條件下迅速增大行駛速度的能力，是車輛機動性能的重要指標之一。車輛從靜止狀態加速到32km/h的加速時間、加速距離和最大加速度是試驗的主要評價指標之一[6]，對車輛從靜止到最高速的加速性能進行試驗，并與實際路面試驗相比較，以驗證數據的正確性（如圖5.2、圖5.3所示）。

6 結語

本文對車輛動力學模型、履帶車輛臺架試驗臺進行了MATLAB建模仿真，提出了一種既具有良好的跟蹤精度，又具有良好的實時性和較強抗干擾性能力的履帶車輛臺架試驗臺車速跟蹤控制方法。實車試驗結果表明，試驗結果與理論計算的曲線基本相同，臺架試驗臺模擬車輛所受到的路面阻力、風阻和慣性力，準確的模擬了車輛在牽引力測試試驗、加速試驗中的實際路面工況。在車輛動力性等專項試驗中能夠縮減車輛測試的周期，降低試驗的成本和環境要求。

參考文獻

[1]冀強.履帶車輛綜合傳動系統性能試驗臺的設計[D].山東大學，2011.

[2]張保軍.試驗臺控制系統常見故障診斷與排除[J].測試技術學報，2006（20）：220-224

[3]程廣偉，周志立，徐立有，等.履帶車輛行駛載荷在傳動系試驗臺上的模擬[J].拖拉機與農用運輸車，2006（33）：12-14.

[4]周云波，常思勤，魏巍，等.基于MATLAB/SimDriveline的某型軍用車輛起步過程仿真研究[J].南京理工大學學報（自然科學版），2011，35（4）：507-512.

[5]GJB 59.25—91，裝甲車輛試驗規程 硬地拖鉤牽引特性試驗[S].

[6]GJB 59.1-1985，裝甲車輛試驗規程 加速特性、最大和最小穩定速度試驗[S].