matlab路面建模,基于matlabsimulink的随机路面建模及不平度仿真研究42.doc

基于matlabsimulink的随机路面建模及不平度仿真研究42.doc

年月农业机械学报第卷第期1文章修改说明编辑同志您好根据专家审稿反馈的意见，对文章进行了认真修改，主要包括以下几个方面1)按照专家的要求，对一些概念进行了解释和补充2)第一稿中有图3和图4，定稿时删除了，编号忘记重新编排，已作更正；3)认真对照专家反馈的原稿，逐条进行了修改；4)参考一些出版的文献，对关键词进行了适当调整(找不到EI的主体词表)；5)恢复了作者信息等；6)在补充参考文献英文题目的同时，对参考文献进行了梳理，更换了几篇较新文献。7)修改稿和论文出版承诺书将于近日寄出。年月农业机械学报第卷第期2基于MATLAB/SIMULINK的随机路面建模及不平度仿真陈杰平1，2陈无畏1祝辉1朱茂飞1(1合肥工业大学机械汽车学院，合肥230009；2安徽科技学院工学院，凤阳233100)摘要本文在认真分析路面空间频率功率谱密度、时间频率功率谱密度与方差之间关系的基础上，建立了路面随机信号生成模型，在不同车速情况下进行了进行仿真，生成了B和C级随机路面时间激励信号。利用功率谱密度和方差分析，对所建立模型的仿真结果与路面分级标准认真比较分析，证明建立的模型产生的随机信号的功率谱和方差值与国家规定的路面等级标准一直，结果准确可靠，可以为车辆控制研究提供可靠的激励信号。关键词路面不平度随机激励功率谱密度时域模型仿真中图分类号U4614U467文献标识码AAMODELINGPOWERSPECTRALDENSITYPSDRANDOMEXCITATIONTIMEDOMAINMODELSIMULATION引言以往对汽车平顺性的研究较多的是基于线性系统的假设1，采用路面谱输入，利用频域方法直观而方便地建立系统响应的频域模型以获得平顺性分析计算结果，用频域研究路面谱的方法在车辆平顺性研究中发挥了很大作用25。而在研究汽车主动、半主动悬架设计及其系统控制等非线性问题时，用时域分析方法有利于导出良好的控制律6。通过建立路面输入激励的时域模型，可方便地在时域和频域内进行汽车平顺性动力学分析与研究，因而进行路面时域不平度建模研究也成为一项重要基础工作，国内外许多学者进行了大量研究79。显然，建立的时域模型在确定的相同等级路面上产生的随机高程激励信号应该一致。在仿真研究中，如果使用的激励信号不合适，则会导致系统响应与实际偏差过大。所以，在利用路面随机高程作为激励信号对车辆的振动进行仿真研究时，为保证仿真结果的真实可信，对于生成的路面不平度(随机高程)需要进行验证。在现有的有关于平顺性仿真研究和时域序列生成的文献资料中，除了生成方法困难外，几乎没有涉及到重构时域路面的正确性验证问题，致使构建的路面时域激励信号相差很大，形成的路面随机高程激励信号差异非常显著1012，该现象在理论和工程上都难以进行合理解决。本文根据随机路面的标准化功率谱，分析研究时域与频域描述的关系，借助于MATLAB软件，年月农业机械学报第卷第期3寻求一种合理正确和简单的路面时域激励信号生成方法，为车辆平顺性及其控制的研究提供合理的激励信号。1路面激励及其频域描述11路面激励和空间频率功率谱系统激励源于道路高程的不平度，是汽车行驶时最主要的激励。在进行车辆平顺性仿真研究和性能评价时，需要获得准确的路面信息，对路面激励有足够的了解13。车辆振动的路面不平度输入主要采用路面功率谱密度的形式，获得路面谱最直接的方法就是测量，但费力费时、不经济，在工程应用上受到了限制。国内外许多单位对路面不平度测量数据的研究表明，当车速恒定时，路面不平度服从高斯概率分布，为具有零均值的平稳各态历经特性，是以时间为参数的随机过程，不能用明确的数学关系表示。因而，通常用路面的功率谱密度PSD函数和方差来描述其统计特性。PSD表示路面平度能量在空间频域的分布，方差反映路面平度大小的总体情况，描述了路面不平度的基本形式和总体特征。由于路面不平度的速度功率谱为常数，符合白噪声的定义和统计特征。而且功率谱密度经适当变换后可拟合出路面随机不平度的时域模型，所以在汽车平顺性进行分析时，经常用路面不平度的速度功率谱来模拟路面的激励。国外从20世纪中叶开始对路面功率谱进行研究，通过路面功率谱来评价路面质量和汽车振动响应。迄今已提出了多种不同的路面谱密度表示方法14，1984年国际标准化组织在文件ISO/TC108/SC2N67中提出了“描述不平度表示方法草案”。中国也参照制定了相应的国家标准，由长春汽车研究所起草制订了GB/T70311986车辆振动输入路面平度表示方法标准。在这两份文件中，均建议路面功率谱密度GQN的拟合表达式为(1)WQQNGN0式中N为空间频率(M1)，它是波长Λ的倒数，表示每米长度中包含几个波长；N001M1为参考空间频率；GQN0为参考空间频率N0下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，单位为M2/M1M3；W为频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率，它决定路面功率谱密度的频率结构。同时，定义了每种响应路面的均方根值来描述了路面随机激励信号的强度或平均功率(2)201TQXTD上述两个文件按照路面功率谱密度把路面分为8个等级，规定了各级路面的GQN0的几何平均值，分级路面谱的频率指数W2；同时，还给出了0011M1N283M1范围内的路面不平度相应的均方根值QRMSΣQ的几何平均值，见表1。表1路面不平度8级分类标准TABLE1ROUGHNESSOFROADSURFACEOF8RANKSTANDARDGQN0/106M3(N001M1)ΣQ/(103M)(0011M1N283M1)路面等级几何平均值几何平均值A16381B64761C2561523D10243045E40966090F1638412180G6553624361H26214448722同理，速度功率谱密度和加速度功率NGQ谱密度常用来来补充描述路面不平度的统NQ计特性。三者关系如下2ΠN2GQN(3)2ΠN4GQN(4)Q22时间频率功率谱描述可以看出，在空间频率功率谱描述中，没有速度影响因素出现。但对于汽车振动系统而言，车速是必须要考虑的一个因素。当汽车以车速U驶过空间频率为N的路面时，等效的时间频率FHZ为FUN(5)并且时间频率功率谱密度和空间频率功率谱密度具有如下关系GQF(6)1NUQ式中，GQF为时间频率功率谱密度，GQN年月农业机械学报第卷第期4为空间频域功率谱密度。所以，时间频域功率谱密度(7201NGUFQQ20FUNQ)同样可以得到时间频率的不平度垂直速度和加速度的功率谱密度关系式TQTQ(8)UNGFQ2024(9)16FFQ3路面随机不平度时域模型的建立31时域模型的描述方法众所周知，路面功率普密度PSD是对应于某一种确定的路面不平度的统计量。但对于给定的路面功率普密度PSD，重构的路面高程并不是唯一的，所得到的道路函数，只是相应于某一速度时给定路面谱的当量路面高程中的一个样本函数。从已知的路面谱，重构满足既定PSD的道路时域模型，必须有两个前提条件1)道路过程是平稳的高斯GAUSSIAN随机过程，2)道路过程具有遍历性。重构的基本思想是将路面高程的随机波动抽象为满足一定条件的白噪声，然后进行变换而拟合出路面随机不平度的时域模型