Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Постановка задач исследования 17
1.1. Обзор рулевых систем объектов колесной техники. Проблематика разработки систем рулевого управления в отсутствии «жесткой» связи рулевого и управляемых колес 17
1.2. Понятие имитационного математического моделирования в режиме «реального времени» 24
1.3. Имитационное математическое моделирование динамики колесных машин в отечественной и зарубежной практике. Применение имитационного моделирования при исследовании автоматизированных систем рулевых систем в отсутствии «жесткой» связи рулевого и управляемых колес 31
1.4. Порядок разработки бортовых систем управления с применением имитационных математических моделей «реального времени» 53
Глава 2. Математическая модель «реального времени» плоского криволинейного движения колесной машины 58
2.1. Имитационная математическая модель «непрерывного времени» динамики плоского криволинейного движения колесной машины 58
2.2. Выбор численного метода реализации имитационной математической модели плоского криволинейного движения колесной машины для работы в режиме «реального времени» 70
2.3. Определение параметров моделирования и области адекватной работы модели «реального времени» 75 Стр.
2.4. Анализ результатов численного интегрирования в режиме «реального времени» имитационной модели динамики колесной машины 82
Глава 3. Экспериментальные исследования 109
3.1. Цель и объект исследования 109
3.2. Условия и методика проведения экспериментальных исследований 118
3.3. Аппаратурно-измерительный комплекс 123
3.4. Результаты экспериментальных исследований. Оценка адекватности и точности предложенной модели 125
3.5. Выводы по главе 3 139
Глава 4. Порядок разработки бортовой системы управления электронагружателем рулевого колеса в отсутствии опытного образца изделия 141
4.1. Описание общего подхода к проектированию бортовой системы управления электронагружателем рулевого колеса с применением метода разработки на основе модели «реального времени» 141
4.2. Этап 1 метода разработки. Работа по схеме «Виртуальная система управления – Виртуальный объект» 146
4.3. Этап 2 метода разработки. Работа по схеме «Реальная система управления – Виртуальный объект» 148
4.4. Этап 3 метода разработки. Работа по схеме «Реальная система управления – Реальный объект» 154
4.5. Реализация метода разработки законов управления электронагружателем рулевого колеса 155 Стр.
Глава 5. Исследование базового закона управления нагружателем рулевого колеса с использованием метода разработки 157
5.1. Описание прикладного применения метода разработки с целью определения параметров базового закона управления нагружателем рулевого колеса 157
5.2. Анализ реактивного момента на рулевом колесе при выполнении виртуального маневра типа «Переставка SП = 20 м» 158
5.3. Анализ реактивного момента на рулевом колесе при выполнении виртуального маневра типа «Рывок руля» 164
5.4. Результаты применения на практике метода разработки законов управления нагружателем рулевого колеса 168
Основные результаты и выводы по работе 171
Список литературы
- Имитационное математическое моделирование динамики колесных машин в отечественной и зарубежной практике. Применение имитационного моделирования при исследовании автоматизированных систем рулевых систем в отсутствии «жесткой» связи рулевого и управляемых колес
- Выбор численного метода реализации имитационной математической модели плоского криволинейного движения колесной машины для работы в режиме «реального времени»
- Результаты экспериментальных исследований. Оценка адекватности и точности предложенной модели
- Этап 1 метода разработки. Работа по схеме «Виртуальная система управления – Виртуальный объект»
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Для длиннобазовых колесных машин с большим числом управляемых колес и значительным их удалением от рулевого колеса (РК) реализация рулевых систем при наличии механической связи рулевого и управляемых колес вызывает значительные технические трудности, несмотря на высокую степень надежности данного типа рулевого управления. Данный факт связан с большим числом рулевых тяг и шарниров, вследствие чего повышается масса элементов рулевого управления и снижается жесткость рулевого привода. Помимо этого, для рассматриваемого типа рулевого управления весьма серьезной конструкторской задачей является реализация законов управления поворотом колес с регулируемым смещением полюса рулевого управления.
Альтернативой данному типу рулевого управления может являться гидрообъемное рулевое управление (ГОРУ). В системах рулевого управления данного типа одним из основных элементов является насос-дозатор, представляющий собой обратимую гидравлическую машину. Данный узел, помимо обеспечения преобразования угла поворота рулевого колеса в соответствующий угол поворота управляемых колес и снижения усилий на рулевом колесе при выполнении маневра, позволяет формировать момент сопротивления на рулевом колесе ввиду своей обратимости.
ГОРУ представляет собой гидравлическую передачу высокого давления, что обуславливает повышенное внимание к надежности и безопасности ее эксплуатации. В этой связи ГОРУ не рекомендовано к применению на транспортных средствах, скорость движения которых выше 50 км/ч.
Представленные факты способствуют применению на колесных машинах автоматизированных рулевых систем при отсутствии кинематической «жесткой» связи рулевого колеса (задатчика управляющего воздействия) и управляемых колес. Поворот управляемых колес в данном случае может осуществляться как с использованием электрического привода, так и с использованием гидрообъемной передачи, выработка управляющих воздействий для которых выполняется автоматизированной системой управления в соответствии с законом криволинейного движения. Особенностью данных рулевых систем является необходимость применения дополнительных компонентов с целью создания на рулевом колесе реактивного момента сопротивления повороту для обеспечения информативности рулевого управления и реализации так называемого чувства дороги. Непосредственно формирование момента сопротивления осуществляется при помощи электромашины, монтируемой на конце рулевого вала. Управление электронагружателем выполняется при помощи электронного блока на основе микропроцессорной системы.
Для подобных вспомогательных систем характерна следующая особенность: выполнение отладочных мероприятий управляющей программы, проверка правильности функционирования аппаратной части, а также
отработка и корректировка базовых законов управления (в данном случае – закона формирования момента сопротивления) могут быть произведены в полном объеме только непосредственно на объекте. Ввиду специфики выполняемых разрабатываемой системой управления функций и невозможности осуществления представленных выше доводочных мероприятий в отсутствии объекта возникают значительные временные потери, связанные с ожиданием изготовления опытного образца объекта колесной техники. Данный факт приводит к увеличению времени выполнения ОКР в целом.
Рулевые системы транспортного средства оказывают непосредственное влияние на безопасность эксплуатации колесной машины. Соответственно, данное свойство в значительной степени определяется правильностью функционирования используемых в рулевых системах электронных модулей. Описанные выше «простои» при разработке автоматизированных систем рулевого управления уменьшают общее время отладки наиболее важных электронных компонентов, а выполнение экстремальных маневров на высоких скоростях движения в ходе проведения заводских или предварительных испытаний при недостаточно отработанной системе управления повышает риск травмирования водителя-испытателя и (или) повреждения опытного образца объекта.
Цель работы: повышение безопасности криволинейного движения на этапах разработки и эксплуатации многоосного колесного шасси (МКШ), оснащенного электронагружателем рулевого колеса с цифровой системой управления, при отсутствии «жесткой» (механической) связи рулевого и управляемых колес.
Достижение поставленной цели осуществляется путем использования при составлении технических требований и на этапе разработки системы управления электронагружателем рулевого колеса (СУ ЭНРК) метода разработки законов управления нагружателем рулевого колеса, в основе которого лежит применение имитационных математических моделей «реального времени» динамики МКШ (ИММРВ МКШ).
В работе решены следующие основные задачи:
создание и подтверждение адекватности метода разработки законов управления электронагружателем рулевого колеса системы рулевого управления МКШ;
разработка и верификация имитационной математической модели динамики криволинейного движения МКШ, функционирующей в режиме «реального времени»;
реализация взаимодействия системы управления электронагружателем рулевого колеса с верифицированной имитационной математической моделью криволинейного движения МКШ «реального времени»;
определение параметров закона формирования реактивного момента на рулевом колесе, реализованного в настоящее время в опытном образце
бортовой информационно-управляющей системы объекта МКШ специального назначения.
Методы исследований
Исследование производилось с использованием комплекса программных средств, созданного при выполнении данной работы, который включает в своем составе:
имитационную модель динамики криволинейного движения МКШ, функционирующую в режиме «реального времени»;
программные средства визуализации для отображения текущего положения на плоскости виртуального шасси и параметров движения в режиме «реального времени».
Экспериментальные исследования осуществлялись в составе объекта специальной колесной техники. Данные мероприятия были направлены на оценку взаимодействия системы управления электронагружателем рулевого колеса с верифицированной моделью «реального времени» и последующее подтверждение адекватности имитационной модели «реального времени» динамики МКШ.
Научная новизна заключается:
- в создании метода разработки законов управления электронагружателем
рулевого колеса, отличающегося применением имитационной математической
модели «реального времени» динамики криволинейного движения МКШ для
отработки программной и аппаратной частей системы управления
электронагружателем рулевого колеса на ранних этапах выполнения ОКР в
отсутствии опытного образца объекта;
- в разработке и реализации имитационной математической модели
динамики криволинейного движения МКШ, отличающейся:
1) возможностью моделирования физических явлений в режиме
«реального времени» с точностью, достаточной для решения задач
исследования;
2) возможностью организации взаимодействия с цифровой
системой управления электронагружателем рулевого колеса,
реализованной на аппаратном уровне;
- в результатах определения параметров базового закона управления
электронагружателем рулевого колеса из состава системы рулевого управления
МКШ с колесной формулой 8х8 с использованием разработанной модели
«реального времени» динамики МКШ.
Достоверность научных результатов: в ходе верификации модели «реального времени» динамики МКШ установлено, что средние и максимальные значения относительных погрешностей параметров модели «реального времени» при сравнении с параметрами «эталонной» модели не превысили заданных критериев адекватности в 2% и 5% соответственно.
Практическая ценность работы заключается в разработке комплекса программных средств:
реализованная на языке программирования высокого уровня (С++) имитационная математическая модель «реального времени» динамики МКШ;
реализованный на языке программирования высокого уровня (С#) интерфейс графический визуализации для отображения положения и параметров движения модели колесной машины при выполнении виртуальных маневров.
Реализация результатов работы
Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров на кафедре СМ-10 «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также применяются при выполнении НИР и ОКР НИИ СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана и ПАО «КАМАЗ».
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы заслушивались и обсуждались:
- на 75-ой всероссийской научно-методической и научно-
исследовательской конференции МАДИ в 2017 г. (г. Москва);
- на научных семинарах кафедры СМ-10 «Колесные машины»
МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Публикации: по материалам диссертации опубликованы три научные работы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, общим объемом 2,11 п. л.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих результатов и выводов, списка литературы. Работа изложена на 186 листе машинописного текста, содержит 88 рисунков, 14 таблиц. Библиография работы содержит 152 наименования.
Имитационное математическое моделирование динамики колесных машин в отечественной и зарубежной практике. Применение имитационного моделирования при исследовании автоматизированных систем рулевых систем в отсутствии «жесткой» связи рулевого и управляемых колес
Одним из основных направлений развития систем рулевого управления является обеспечение адаптивности их функционирования, т. е. способности к активному изменению параметров системы в зависимости от текущих параметров движения транспортного средства (текущей скорости, бокового ускорения и т. д.). Механические рулевые системы без использования дополнительных источников энергии, рулевые системы с использованием гидроусилителей, а также гидрообъемное рулевое управление имеют ограниченные возможности для реализации адаптивных функций [12]. Для подобных целей в состав рассматриваемых систем включают электронные компоненты и микропроцессорные модули управления. Наиболее перспективными системами рулевого управления с точки зрения адаптивности являются механические рулевые системы с электроусилителями, а также автоматизированные рулевые управления.
Реализация данных систем осуществляется с применением электронных систем управления, осуществляющих выработку управляющего воздействия для исполнительных приводов (гидравлических или электрических) [54]. Введение в систему управления дополнительных сигналов для мониторинга текущей скорости движения транспортного средства, бокового ускорения и других параметров не вызывает серьезных технических сложностей. В совокупности с высокой степенью надежности составных компонентов и возможностью резервирования основных узлов данные типы рулевых систем обеспечивают широкие возможности по реализации адаптивных функций.
Другим важным качеством рулевых систем является обеспечение так называемого «чувства дороги» на рулевом колесе [29, 52]. Несмотря на то, что основная информация об условиях движения и положении автомобиля поступает к водителю по визуальному каналу, время его реакции на зрительную информацию больше, чем при восприятии информации по слуховому или осязательному каналу. Надежность визуальной оценки положения управляемых колес по углу поворота рулевого колеса невысока, особенно при углах поворота больше 100 - 150 [68]. В этой связи водитель использует дополнительные каналы информации о силовом взаимодействии управляемых колес с дорогой по возможной скорости поворота рулевого колеса и по моменту сопротивления на рулевом колесе. Целесообразность совершенствования дополнительных каналов получения информации обусловлена тем, что осуществлять регулирование по величине реактивной силы на рулевом колесе водителю проще, и оно может быть точнее, чем регулирование по перемещению органа управления. Величина и динамика изменения момента на рулевом колесе являются важной для водителя информацией, используемой для контроля и прогноза поведения автомобиля [85, 118].
Способы реализации реактивного момента на рулевом колесе определяются конкретным типом рулевого управления. В механических системах рулевого управления при отсутствии специальных усиливающих устройств формирование требуемого момента поворота управляемых колес осуществляется за счет соответствующего выбора передаточного числа рулевого механизма [58]. Конструктивные решения используемых в настоящее время рулевых механизмов позволяют уменьшить передаточное число с увеличением угла поворота рулевого колеса, однако реализовать подобную зависимость от текущей скорости транспортного средства не представляется возможным без использования дополнительных электрических или гидравлических элементов.
В механических системах с гидроусилителями формирование обратной связи на рулевом колесе пропорционально сопротивлению повороту управляемых колес со стороны опорной поверхности осуществляется за счет специального конструктивного исполнения корпусов распределителей совместно с включением в их состав плунжерных реактивных шайб и пружин [56]. Реактивные шайбы жестко связаны с золотниковым элементом распределителя, который, в свою очередь, соединен с рулевым колесом посредством рулевого вала. При возрастании сопротивления повороту управляемого колеса увеличивается давление рабочей жидкости в силовом гидроцилиндре и связанной с ним секции распределителя, одной из составных частей которой является реактивная шайба. Повышенное давление в камере распределителя оказывает воздействие на реактивную шайбу, за счет чего происходит формирование приводимого к рулевому колесу момента сопротивления [19].
Конструкции рулевых механизмов и рулевых приводов с применением электроусилителей во многом остаются схожими с системами рулевого управления без применения усилительных устройств [53]. Следовательно, аналогичным образом осуществляется передача на рулевое колесо моментов сопротивления повороту управляющих колес со стороны опорной поверхности.
В системах гидрообъемного рулевого управления одним из основных элементов является насос-дозатор, жестко связанный с рулевым колесом, являющийся обратимой гидравлической машиной. Ввиду своей обратимости мотор-насос способен не только осуществлять подачу рабочей жидкости в гидроцилиндры управления при повороте рулевого колеса, но и обеспечивать восприятие сопротивлений, передаваемых от силовых гидроцилиндров через рабочую жидкость при повороте управляемых колес. Данный факт свидетельствует о том, что вследствие наличия жесткой связи мотор-насоса и рулевого колеса указанные сопротивления способствуют формированию противодействующего момента на рулевом колесе при осуществлении рулевого управления [80].
С целью обеспечения обратной связи на рулевом колесе в системах рулевого управления при отсутствии «жесткой» связи с управляемыми колесами в конструкцию необходимо вводить дополнительные системы, обеспечивающие требуемое реактивное сопротивление повороту рулевого колеса [138]. Примером подобной системы является электронагружатель рулевого колеса (ЭРК).
Выбор численного метода реализации имитационной математической модели плоского криволинейного движения колесной машины для работы в режиме «реального времени»
Реализация системы дифференциальных уравнений (2.1) осуществляется при помощи неявного метода численного интегрирования систем однородных дифференциальных уравнений с применением производных высших порядков.
К наиболее распространенным в настоящее время методам численного интегрирования относятся: - метод Эйлера; - метод Гюна; - метод Рунге-Кутта (различного порядка); - метод Адамса (явный и неявный); - метод Милна; - неявный метод интегрирования с применением производных высших порядков [28]. Одной из основных задач, на решение которой направлено имитационное математической моделирования динамики колесной машины, является исследование реакции объекта на различные управляющие воздействия (поворот рулевого колеса, нажатие на педали акселератора и тормоза и т. д.). Любое управляющее воздействие вызывает переходный процесс при движении транспортного средства, сопровождающийся интенсивным изменением динамических параметров. Для обеспечения адекватности в заданной области математической модели реальному объекту моделирование переходных процессов должно осуществляться с большей точностью по сравнению с моделированием «стационарных процессов». В данной связи численный метод интегрирования должен обеспечивать динамическое изменение шага реализации при выполнении моделирования. Данному требованию из представленных выше методов отвечают метод Рунге-Кутта, метод Милна и неявный метод интегрирования с применением производных высших порядков [28].
Другое требование к методам численного интегрирования основывается на необходимости функционирования рассматриваемой имитационной математической модели колесной машины в режиме «реального времени» для обеспечения ее совместной работы с физической системой управления. Для выполнения данного условия численный метод интегрирования должен обеспечивать достаточное быстродействие вычисления с учетом проверки устойчивости полученного при очередной итерации решения. Решение дифференциального уравнения в некоторой точке ХІ называется устойчивым, если найденное в этой точке значение функции у І незначительно изменяется при уменьшении шага интегрирования. Проверка устойчивости заключается в решении следующего неравенства: Ун_1 Ук_о .h_i h_0 (225) y h j
При использовании метода Рунге-Кутта этап проверки устойчивости для принятия решения об изменении шага интегрирования (в сторону увеличения или уменьшения) включает достаточно большое количество операций. В данном случае после нахождения приближенного значения функции у І = y(Xi_!+h) при шаге решения h для оценки устойчивости необходимо найти приближенные значения функции в точках утЛ = у(хи+к) и Ут = у(Хі-і+2к), где к = h/2, и решить неравенство (2.25) с использованием полученных значений ут и у{ . Исходя из представленной информации следует вывод, что проверка устойчивости приближенных решений при использовании метода Рунге-Кутта значительно снижает быстродействие численного интегрирования.
Данного недостатка лишены метод Милна и неявный метод интегрирования с применением производных высших порядков. При работе с методом Милна необходимо предварительно вычислить четыре первых отчета функции и соответствующих производных (так называемый «начальный отрезок»), после чего полученные данные подставляются в формулы для приближенного вычисления значения пятого и последующего отчетов искомой функции. Вычисление начальных значений может быть осуществлено с применением любого другого численного метода. Абсолютная погрешность приближенного значения очередного отсчета определяется в соответствии со следующей формулой: Єі У(1) У(2) (2.26) где yi(1) и yi(2) - соответственно первое и второе приближения текущего отчета, вычисленные по формулам метода Милна. Если i , где – заданная предельная погрешность численного решения, то значение yi(2) принимается в качестве текущего отчета искомой функции. В противном случае следует уменьшить выбранный шаг решения h для достижения заданной точности. При необходимости уменьшить заданный шаг решения h для вычисления первого после «начального отрезка» отчета искомой функции значения «начального отрезка» также должны быть пересчитаны с измененным шагом интегрирования. Дополнительно следует отметить, что метод Милна не обладает устойчивостью и его использование рекомендовано при решении задач, когда предполагаемое число шагов не велико.
На основе вышеизложенной информации неявный метод численного интегрирования с применением производных высших порядков представляется наиболее оптимальным с точки зрения реализации имитационной модели динамики криволинейного движения колесной машины в режиме «реального времени».
Дополнительным фактом в пользу применения неявного метода численного интегрирования является устойчивость решений при интегрировании жестких систем дифференциальных уравнений. Данные системы описывают процессы, скорость протекания которых может изменяться в очень широком диапазоне в процессе моделирования. Система (2.1) может быть рассмотрена как жесткая систем нелинейных дифференциальных уравнений при определенных условиях моделирования и параметрах исследуемой колесной машины. Выполнение условия устойчивости при интегрировании подобных систем с использованием явных методов реализации может быть достигнуто только при значительном уменьшении шага реализации (на несколько порядков). Данный факт негативно сказывается на быстродействии численного моделирования, что является особенно важным при работе в режиме «реального времени».
Использование формул на основе производных высших порядков (до третьего порядка) позволяет получить более точный результат без увеличения числа шагов [28].
Численное моделирование можно представить в виде следующей последовательности операций.
Пусть в момент времени ti известны векторы перемещения xi и скорости хi в проекциях на обобщенные координаты. Прогнозируется положение и скорость колесной машины в момент времени ti+1=ti+h, где h -шаг прогноза. При этом для момента времени ti вычисляются векторы временных производных разных порядков по обобщенным координатам. Как следует из формулы разложения функции в ряд Тейлора в окрестности некоторой точки, чем выше порядок определенных старших производных, тем точнее прогноз. В настоящее время, в основном, применяются численные методы, требующие вычисления только вторых производных. При этом для достижения заданной точности моделирования шаг выбирается достаточно малым, что приводит к росту объема вычислений и, следовательно, времени проведения вычислительного эксперимента. В исследовании применен численный метод, основанный на использовании для прогнозирования не только вторых, но и третьих производных по времени для обобщенных координат.
Результаты экспериментальных исследований. Оценка адекватности и точности предложенной модели
Целью экспериментального исследования является оценка возможности взаимодействия имитационной математической модели «реального времени» динамики криволинейного движения многоосного колесного шасси с действующей электронной системой управления электронагружателем рулевого колеса, а также проверка адекватности и точности функционирования ИММРВ МКШ при совместной работе с СУ ЭНРК.
Оценка функционирования ИММРВ МКШ при совместной работе с бортовой системой управления нагружателем рулевого колеса будет осуществляться путем сравнения характеристик (параметров работы) ИММРВ МКШ с соответствующими характеристиками «эталонной» имитационной математической модели (ЭИММ), работа которой осуществляется с высокой точностью в режиме «непрерывного времени». В процессе моделирования в «реальном времени» при выполнении различных маневров производится запись соответствующих управляющих воздействия со стороны водителя (угол поворота рулевого колеса, состояние педалей акселератора и тормоза). Данные воздействия далее используются в качестве входных управляющих сигналов для ЭИММ. Таким образом, достигается приближение условий работы ЭИММ и ИММРВ МКШ.
Корректность работы ИММРВ МКШ определяется величинами относительных погрешностей (средними и максимальными значениями) при сравнении значений соответствующих параметров ИММРВ МКШ и ЭИММ, функционирующих в одинаковых режимах, для выбранных временных отсчетов на протяжении всего процесса моделирования.
Объектом исследования является ИММРВ четырехосного шасси с колесной формулой 8х8 и формулой рулевого управления 1-2-3-4. Остальные характеристики исследуемой модели представлены в Таблице 1.
Система управления нагружателем рулевого колеса входит в состав систем рулевого управления специальных колесных шасси, особенностью которых является отсутствие «жесткой» (механической) связи между рулевым колесом и управляемыми колесами (Рис. 3.1). Структурная схема автоматизированного рулевого управления в отсутствии «жесткой» связи рулевого и управляемых колес
Рулевое колесо в системах рулевого управления подобного типа играет роль задатчика управляющего воздействия без осуществления непосредственной передачи усилия от водителя на управляемые колеса. В соответствии с информацией, представленной в главе 1, с целью обеспечения обратной связи на рулевом колесе в конструкцию рулевого управления данного типа вводят дополнительное устройство, обеспечивающие требуемое сопротивление повороту рулевого колеса - электронагружатель рулевого колеса.
В качестве управляющего воздействия для системы управления электронагружателем выступает требуемое значение момента сопротивления на рулевом колесе, величина которого определяется бортовой информационно-управляющей системой (БИУС) в соответствии с принятым законом управления. Передача текущего значения момента сопротивления производится в соответствии с Протоколом информационно-логического взаимодействия, основанного на стандарте SAE J1939. В качестве физического канала связи в данном случае используется CAN-интерфейс со скоростью обмена 250 кбит/с.
Выходными параметрами системы управления электронагружателем являются угол поворота рулевого колеса, а также текущее значение развиваемого момента сопротивления повороту РК.
Одним из основных требований, предъявляемых к исследуемой ИММРВ МКШ, является идентичность объекту с точки зрения взаимодействующей с ней физической системы управления. Для соответствия предъявляемому требованию в настоящей ИММРВ МКШ выполнена реализация функционирующего в составе объекта Протокола ИЛВ системы управления электронагружателем рулевого колеса и БИУС с сохранением требуемых параметров обмена данными. На Рис. 3.3 отражена структурная схема взаимодействия СУ ЭНРК с ИММРВ МКШ.
Структурная схема взаимодействия системы управления электронагружателем рулевого колеса с имитационной математической моделью «реального времени» многоосного колесного шасси
В качестве CAN-адаптера был использован USBo-CAN преобразователь IXXAT. Данный адаптер обеспечивает взаимодействие с требуемой скоростью обмена, а вспомогательное ПО IXXAT позволяет анализировать текущий информационный обмен в режиме «реального времени». Это, в свою очередь, значительно ускоряет процесс отладки и обнаружения ошибок в работе модуля ИММРВ МКШ, отвечающего за обмен с внешними системами.
Программное средство интерфейса визуализации обеспечивает отображение текущего положения МКШ при выполнении «виртуальных заездов» (типовая форма представлена на Рис. 3.4). Данная часть программного комплекса ИММРВ МКШ позволяет водителю-испытателю формировать корректное управляющее воздействие на соответствующие органы управления (рулевое колесо и педаль акселератора) при работе с ИММРВ МКШ, а также отслеживать изменение параметров «движения» шасси в режиме «реального времени». Графическое исполнение интерфейса зависит от сложности поставленной задачи, сферы применения подобного программного комплекса и является отдельной дизайнерской и технической задачей. В данном случае интерфейс визуализации реализован на языке С# в среде Microsoft Visual Studio 2008. При его разработке использовались только стандартные средства библиотеки .Net для работы с графикой, дополнительных библиотек высокого уровня не применялось.
Этап 1 метода разработки. Работа по схеме «Виртуальная система управления – Виртуальный объект»
При работе в составе объекта специального измерительного оборудования и приборов не применялось. Функционирование ИММРВ МКШ осуществлялось на персональном компьютере HP 550 со следующими параметрами: - процессор Intel(R) Core(TM) 2 с тактовой частотой 1,4 ГГц; - 64 кбайт кэш-памяти 1-ого уровня данных, 64 кбайт кэш-памяти 1-ого уровня команд, 2048 кбайт кэш-памяти 2-ого уровня ; - оперативная память DDR2 объемом 2 ГГб с тактовой частотой 333 МГц; - встроенная видеокарта Mobile Intel(R) 965 Express Chipset Family с объемом видеопамяти 448 Мб; - жесткий диск Toshiba MK1652GSX ATA объемом 88 ГГб. Интерфейс визуализации для отображения текущего положения виртуального шасси и осуществления своевременного управляющего воздействия функционировал на платформе Windows Vista. Вычислительная часть ИММРВ МКШ работала под управлением операционной системы «реального времени» QNX 6.4.0. Выбор данной платформы для реализации ИММРВ МКШ связан с основным требованием к работе имитационной модели в режиме мягкого «реального времени» (Рис. 3.3).
Работа операционной системы QNX осуществляется на той же машине с использованием программного комплекса виртуализации VMware. В качестве преобразователя цифрового CAN-интерфейса применялся адаптер USBo-CAN IXXAT со следующими параметрами: - интерфейс подключения к ПК USB 2.0 Hi-Speed 480 Мбит/с; - высокоскоростной CAN канал в соответствии с ISO 11898-2 со скоростью передачи до 1Мб/с; - гальваническая развязка CAN-интерфейса. В комплект данного устройства входит широкий перечень драйверов для различных операционных систем, а также специальное программное обеспечение MiniMon V3, применение которого на подготовительной стадии позволило определить текущие параметра обмена устройств в составе объекта, а также производить дальнейший контроль обмена данными между ИММРВ МКШ и СУ ЭНРК.
Реализация ИММРВ МКШ обеспечивает хранение всех текущих параметров движения виртуального шасси для последующей записи полученных данных в соответствующие файлы. Частота выборки параметров для записи в файл регулируется, что позволяет оптимизировать объем исходных для последующей обработки данных в зависимости от продолжительности процесса моделирования.
Каждый выбранный для сохранения параметр движения шасси записывается в отдельный файл со структурой «время - значение отсчета». Дополнительно к параметрам движения осуществляется сохранение значений шага на протяжении всего процесса моделирования. Последующий анализ данной зависимости позволяет сделать вывод о возможности повышения точности моделирования при наличии запаса по времени в режиме работы модели в «реальном времени», а также определить режимы движения шасси, моделирование которых в «реальном времени» представляет наибольшие трудности.
Формат сформированных по итогам моделирования исходных файлов данных позволяет осуществлять последующую работу с ними с использованием редактора Microsoft Excel. Принятая для записи структура данных «время - значение отсчета» обеспечивает визуализацию и анализ полученной зависимости без дополнительных манипуляций.
В ходе выполнения работ по реализации взаимодействия ИММРВ МКШ с действующим образцом бортовой электронной системы управления, в качестве которой выступает система управления электронагружателем рулевого колеса, осуществлялась запись основных параметров движения МКШ. Помимо сохранения параметров движения МКШ при проведении виртуальных заездов осуществляется фиксация управляющих воздействий (положение рулевого колеса, педалей акселератора и тормоза). Полученные данные используются при последующей оценке корректности работы ИММРВ МКШ совместно с физической бортовой системой управления.
Верификация результатов работы ИММРВ при ее взаимодействии с системой управления осуществляется с применением «эталонной» имитационной математической модели, реализованной в среде Simulink из состава программного комплекса MatlabTM. Корректность рассматриваемой «эталонной» модели подтверждена в ходе натурных испытаний объекта колесной техники при проведении типовых заездов в рамках выполнения работы [24].
Общий алгоритм проведения верификации ИММРВ состоит из следующих этапов: - имитационное математическое моделирование движения МКШ в режиме «реального времени» с сохранением управляющих воздействий (этап 1); - моделирование движения МКШ с использованием «эталонной» математической модели, где в качестве входных воздействий используются полученные на этапе 1 зависимости параметров управления (этап 2); - сравнение результатов математического моделирования в режиме «реального времени» с результатами работы «эталонной» модели с целью оценки погрешностей функционирования ИММРВ (этап 3) по каждому из рассматриваемых параметров; - выводы о корректности работы ИММРВ по результатам оценки погрешностей основных параметров движения МКШ. Погрешность расчета параметров моделирования при работе в режиме «реального времени» и работе «эталонной» математической модели определяется в виде временной зависимости на протяжении всей длительности моделирования. При этом для каждого временного отсчета соответствующее значение погрешности определяется в соответствии с выражением (2.37). Для подтверждения адекватности функционирования ИММРВ МКШ во взаимодействии с действующей бортовой системой управления объекта колесной техники используются следующие критерии: - максимальное значение относительной погрешности на протяжении всего процесса моделирования в режиме «реального времени» не должно превышать 10%;