汽车油耗智能测量的数学建模与仿真【20464字】【优秀机械毕业设计论文】
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黑龙江工程学院本科生毕 业论文 1 第 1章 绪 论 述 近几年，随着我国公路建设和道路运输业的发展，为道路运输和汽车正常运行提供技术支持和后勤保障的汽车维修和检测行业也得到了迅速发展。随着汽车制造和检测技术的进步，汽车检测行业也不断发展壮大，在汽车维修生产和管理部门动态检测汽车技术状况方面发挥着极其重要的作用 1。 能源是发展生产和提高生活水平的物质基础。汽车主要能源是石油产品中的汽油和柴油。随着我国汽车保有量的逐年增加，石油消耗日益增长，石油能源短缺迫使人们关注汽车燃料经济性及检测手段的准确性。 在 交通部 发布的 汽车运输业车辆技术管理规定中要 求对营运车辆进行燃料经济性检测评价具有重要意义。 汽车的燃料经济性一般是用汽车燃油消耗量来评价。汽车燃油消耗量是在 用汽车技术状况与维修质量的综合性能的体现，也是诊断和分析汽车故障 的重要参考。 汽车燃油消耗量通常用燃油消耗检测仪测量燃 油消耗的容积或质量来测定。传统的燃油消耗量的测定方法有容积法、质 量法、流量计法、流速计法等 2。这些测量方法的基本形式相同，即将测试 仪器 串接到汽车发动机供油系统中，因而在对汽车燃料消耗量测量时 必须拆卸其供油管路，对被测车辆损害较大，且检测时间较长，不便于应用在检测线上。因此，寻 求开发新的汽车燃油消耗检测技术以适应社会发展的需要，一直都是摆在广大科技工作者面前的一项重大课题。实践证明，用智能油耗仪进行的汽车油耗快速检测系统测量汽车发动机燃油消耗量，能缩短检测时间、减少对车辆的损害，提高检测精度。 内外研究现状 车保有量现状 我国汽车市场的潜力巨大。石油消耗大幅上升 ， 到 2006 年我国汽车需求量超过700 万辆，汽车保有量超过 3700 万辆。 2006 年 8 月底我国汽车的轿车需求量已经超过170 万辆， 2006 年年底超过 280 万辆。十年来，我国汽车产量由 1990 年的 50 万辆激增至 2006 年的 700 余万辆，年平均增长速度接近 23%，轿车产量占总产量的比重也达到了 38%3。 十年来，我国汽车保有量增长很快， 2005 年末达 3000 万辆，比 1990 年增长 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 2 年均递增 与 1990 年相比，载客汽车 (含轿车和客车 )的保有量增长 普通载货车增长 专用载货车、专用车及特种车增长 私人汽车保有量增长迅速。近年来，私人汽车保有量增长迅速。中期预测结果显示，到 2015 年汽车保有量将超过 8000 万辆，其中轿车（主要是家庭用车）的保有量所占的比例将占相当大的比例。 虽 然我国的汽车需求量很大，但 我国汽车普及率还很低，每千人保有量低于世界平均水平。据统计我国汽车普及率平均每千人拥有 ，载客汽车普及率每千人拥有 。北京和广州的千人保有量分别为： 120 和 140 辆，略超过世界平均千人保有水平。 2006 年我国汽车保有量超过 5000 万辆 ,根据分析预测， 2010 年将超过 5000 万辆、2015 年将超过 8000 万辆，轿车产量分别将超过 1000 万辆、 2000 万辆和 4000 万辆。我国的机动车保有情况比较特殊， 2005 年机动车保有量为 9105 万辆。其中汽车的保有量中乘用车占 约为 1131 万辆，截止到 2006 年的 3 月 1 日有 2131 万辆乘用车实施燃料消耗量限值。还有 7974 万辆轻型车、农用车和摩托车的油耗问题亟待解决。因此不能只对乘用车实施油耗限值标准，还应当考虑对摩托车和轻型车实施油耗限值，将农用车的管理纳入汽车的管理之中，这样才能从根本上解决汽车油耗增长过快的问题。所以，研究车辆燃油智能检测技术一直是广大科技工作者的一项重大课题 。 车燃料经济性现状分析 将我 国轿车燃料经济性现状和日本 2010 年目标、欧盟的 放协议要求以及美国的 准比较 ， 从中可以看出，我们 国家轿车的燃料经济性水平同发达国家在未来 10 年内的要求有很大差距，因此，尽快制定燃料经济性标准，推动技术进步，才可能保证中国的汽车工业在未来 10 年中达到发达国家的水平，保证中国汽车工业的竞争力，并减少交通部门对石油消耗和能源安全问题的压力。中国汽车的整备质量按车型平均要小于美国，排量和发动机功率也小于美国。整备质量较美国少 24%，排量只有美国的 57%，功率与美国相比只有 50%，但整体比较油耗只略好于美国约 5%。虽然我国 同等 车型 的汽车燃料消耗量和美国相当，但由于排量、功率、车辆重量等都小于美国车，整体评价汽车 油耗要比美国差。 汽车的燃料经济性一般是用汽车燃油消耗量来评价。汽车燃油消耗量是在用汽车技术状况与维修车维修质量的综合性能的体现，也是诊断和分析汽车故障的重要参考。 汽车燃油消耗量通常用燃油消耗检测仪测量燃 油消耗的容积或质量来测定。传统的燃油消耗量的测定方法有容积法、 质 量法、流量传感器法、流速计法等 4。这些测量方法的基本形式相同，即将测试仪器串接到汽车发动机供油系统中，因而在对汽车黑龙江工程学院本科生毕 业论文 3 燃料消耗量测定时必需拆卸其供油管路，对被测车辆损害较大，且检测时间较长，不便于应用在检测线上。因此，寻求开发新的汽车燃油耗检 测技术以适应社会发展的需要，一直是摆在广大科技工作者面前的一项重大课题。 目前，我国的轻型车燃料消耗测量法规规定燃油消耗的计量要通过排放气体中的碳元素量换算得来。这一方面是由于标准燃油中的碳含量十分稳定和精确，且发动机燃烧过程中碳元素不会消亡，只是原子结合方式发生了变化。 另一方面，我国排放法规在制定和执行方面均领先于油耗法规，既然 要检测 排放 ，通过废气分析仪检测碳元素再换算成油耗值变得既简单又方便。但是对于只想得到油耗数值的人来说，每次测试都要 连 接废气分析仪就显得太昂贵了。针对此我们设计了一种成本较低、测量方 便的容积式油耗仪进行测量。此油耗仪的功能齐全，可进行等速油耗、加速油耗、百公里油耗、定容积测试、定重量测试。 器的组成与原理 经过大量查阅资料之后，我们拟定采用这样一些元器件来组装成智能油耗仪。两个流量传感器，一个单片机，若干个接口芯片，若干个键的键盘，一个液晶显示器，一个智能微型打印机与一个标准通讯接口。 智能油耗仪的组成结构示意图如图 示。 图 能油 耗仪的组成结构示意图 智能油耗仪测量汽车燃油的原理如下：一个流量传感器接在汽车发动 机进油管上，采集燃油流量信号，以脉冲的形式传送给单片机，用单片机中两个定时器 /计数器中的一个作为计数器用以测量片外脉冲数目，用测量时间 乘以单位脉冲所具有的燃油量，即可获得某段时间流经发动机进油管的燃油量；用另一个定时器 /计数器作为计数器，测量某段时间的值 ， 于是，用某段时间流过的燃油量除以该段时间就得此时段的平均进油量，当该段时间趋于无穷小时，就得此时间的瞬时进油量 4。同理，在发动机的流量传感器 单 片 机 打 印 机 键 盘 接口芯片 标准通讯接口 显 示 器 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 4 回油管上再安装一个流 量传感器，便可得出其在该段时间的回油量的值，用进油量减去回油量， 即得燃油消耗量 。 究 的目的和 意义 在 进行产品系统分析时，利用计算机仿真方法与利用一般的性能分析方法相比，有着如下许多优点： (1) 可以较方便地分析 出油耗仪结构参数是如何影响油耗仪测试精度的，特别是这些参数作微小变化时，实际路段试验往往测量不出其影响，而运用计算机仿真方法，则可以利用高性能计算机软硬件来分析这种微小变化对油耗仪精度的影响。 (2) 使产品开发具有预测性，提高产品开发的成功率。在新产品 开发时，必须综合考虑产品各部分参数的匹配，以使测量精度达到最佳， 而利用计算机仿真方法，可以在产品没有试制出来之前，通过计算机来分析设计参数与油耗仪系统的匹配情况，减少设计开发的盲目性。 (3) 能在很短时间内对大量的设计方案进行运算、分析，并 找出这些方案中的最优方案 5。 从上面可以看出，利用计算机来对油耗仪进行仿真分析具有无比的优越性。利用建模及仿真技术能使设计师们在产品设计阶段，对油耗仪的各种参数进行分析和优化，从而实现在一定程度的预期下进行产品设计。这在如今面临激烈市场 竞争的 产品开发行业 来说是极为重要的，它将使产品设计成功率大大提高，大幅降低 各种 产品的设计和开发费用，缩短研制周期，而且也将使所设计产品的性能大大提高，从而使产品在市场竞争中立于不败之地 。 究的主要内 容 通过大量 调查现有的车辆油耗检测仪，从传感器 的原理出发建立具体的系统数学模型，利用 真模型曲线，进行仿真实验并输出仿真结果，并与理想状态比较，同时考虑油耗测量的影响因素，分析所建立的检测系统误差及说明设计系统的可行性。利用 真结果中所得的系数对系统或参数进行改进与优化。 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 5 第 2章 数学建模及仿真 基础 学模型 的类型和作用 在 理解模型的概念 之前 要先理解原型的概念， 原型（ 是人们在社会实践中所关心和研究的显示世界中的事物（或对象）。在科技领域常 常把所考察的原型用 “系统 ”或 “事物系统 ”等术语代之，如机械系统、电力系统、通信系统、生态系统、生命系统、经济系统、管理系统等等 5。 模型（ 指为了某个特定目的将原型所具有本质属性的某一部分信息经过简化、提炼而构造的原型替代物。一个原型，为了不同的目的可以有多种不同的模型。例如，为了制定大型企业的生产管理计划，模型就不必反映各生产装置的动态特性，但必须反映产品的产量、销售量和库存原料量等变化情况。也就是说，各装置的动态特性对这种模型来说是非本质的。相反，为了实现各生产装置的最佳运行，模型就必须 详细的描述各装置内部状态变化的生产过程动态特性。这时，各装置的动态特性就变成了本质的。可见，模型所反映的内容将因其使用的目的不同而不同。 模型一般分为具体模型和抽象模型两大类。具体模型有 直观 模型、物理模型等，抽象模型有思维模型、符号模型、数学模型等 6。 学模型的概念 数学模型 就是对某种事物 系统的特征和数量关系，借助数学语言而建立起来的符号系统 5。 数学模型有广义理解和狭义理解。按广义理解：凡是以相应的客观原型作为背景加以一级抽象或多级抽象的数学概念、数学式子、数学理论等等都叫做数学模型。按狭义理解： 那些反应特定问题或特定事物系统的数学符号系统就叫做数学模型。在应用数学中所指的数学模型，通常是按狭义理解的，而且构建数学模型的目的仅在于解决具体的实际问题。 数学模型不是原型的复制品，而是为一定的目的对原型所做的一种抽象模拟，它用数学式子、数学符号、程序、图表等刻画客观事物的本质属性与内在联系，是对现实世界的抽象、简化而又本质的描述。它 虽然来自于现实，但却是现实的一种抽象 。它 不仅 能解释事物的各种性 态，预测它将来的 性态 ， 也 能为控制某一事物的发展提供最优化策略 等等，都是为了最终达到解决实际问题 的 目的。 所以本文在 选择模型种类时选择数学模型，除了它的准确性与科学性以外还在于它的现实性。 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 6 学模型的分类 数学模型按照不同的分类标准有着多种分类。 (1) 按照人们对原形的认识过程来分，数学模型可以分为描述性的数学模型和解释性的数学模型。 描述性的模型是从特殊到一般，它是从具体客观事物及其状态开始，最终得到一个数学模型。客观事物之间量的关系通过数学模型被概括在一个具体的抽象的数学结构之中。 解释性的模型是由一般到特殊，它是从一般的公理系统出发，借助于数学客体，对公理系统给出正确解释的一种数学模型。 (2) 按照模型的应用领域分，如人口模 型、交通模型、电器系统模型、通信系统模型、机电系统模型、环境模型、生态模型、水资源模型、再生资源利用模型、传染病模型和污染模型等。 (3) 按照建立模型的数学方法分，如几何模型、代数模型、 图论模型、规划论模型、微分方程模型、最优控制模型、信息模型、随 机 模型、决策与对策模型、模拟模型等。 (4) 按照模型的特征分，如静态模型和动态模型、确定性模型和随机模型、离散模型和连续性模型、线性模型和非线性模型等。 (5) 按照对模型结构了解的程度分，有 白箱模型、灰箱模型和黑箱模型，它们分别意味着人们对原型的内在机理了解清楚、不太清楚和不清楚。 学模型的作用 数学模型的根本作用在于它将客观原形化繁为简、化难为易，便于人们采用定量的方法去分析和解决实际问题。正因为如此，数学模型在科学发展、科学预见、科学预测、科学管理、科学决策、架控市场经济乃至个人高效工作和生活等众多方面发挥着特殊的重要作用。 学建模 的步骤 数学建模（ 构造刻划客观事物原型的数学模型并用以分析、研究和解决实际问题的一种科学方法 5。 数学建模没有固定的模式。按照建模的过程，一般采用的建模基本步骤，如图 在图中不仅用图表的 形式显示了建模的步骤和各部需要满足的条件外，还 分 述各步骤的含义如下。 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 7 图 学建模的基本步骤 1、 建模准备 建模准备是确立建模课 题的 过程。生活中贯穿生产和科技中的根本矛盾是认识和实践的矛盾，我们分析这些矛盾，从中发现尚未解决的矛盾，就是找到了需要解决的实际问题。如果这些实际问题需要给出定量的分析和解答，那么就可以把这些实际问题确立为数学建模的课题。 2、 建模假设 作为课题的原型都是复杂的、具体的、是质和量、现象和本质、偶然和必然的统一体。这样的原型，如 果不经过抽象和简化，人们对其认识是困难的，也无法准确把握它的本质属性。而建模假设就是根据建模的目的对原型进行抽象、简化。但是，对原型的抽象、简化不是无条件的，必须按照假设的合理性原则进行。假设合理性原则有以下几点： （ 1） 目的性原则：从原型中抽象出与建模目的有关的因素，简化掉那些与建模目的无关的或关系不大的因素。 （ 2） 简明性原则：所给出的假设条件要简单、准确，有利于构造模型。 （ 3）真实性原则：假设条款要符合情理，简化带来的误差应满足实际问题所能允许的误差范围。 （ 4）全面性原则：在对事物原型本身 做 出假设 的同时，还要给出原型所处的环境条件。 3、 构造模型 在建模假设的基础上，进一步分析建模假设的各条款，首先区分哪些是常量，哪建模准备 （确立课题） 建模假设 （对原型进行抽象、简化） 构造模型 （数学表达式等） 模型检验 （是否合格） 模型分析 （是否合格） 模型求解 （数字结果） 模型应用 否 否 是 是 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 8 些是变量；哪些是已知的量，哪些是未知的量；然后查明各种量所处的地位、作用和他们之间的关系，选择恰当的数学工具和构造模型的方法对其进行表征，构造出刻画实际问题的数学模型。 在构造模型时究竟采用什么数学工具，要根 据问题的特征、建模的目的要求及建模人的数学特长而定。 数学的任一分支在构造模型时都可能用到，而同一实际问题也可以构造出不同的数学模型。一般地讲，在能够达到预期目的的前提下，所用的数学工具越 简单越好。 在构建模型 时 究竟采用什么方法构造模型，要根据实际问题的性质和建模假设所给出的建模信息而定。随着计算机科学的发展，计算机模拟有力地 促进了数学建模的发展，也成为一种重要的构造模型的基本方法。这些 建 模方法各有其优点和缺点，在构造模型时，可以同时采用，以取长补短，达到建模的目的。 4、 模型求解 构造数学模型之后，根据已知条件和数据，分析模型的特征和模型的结构特点，设计或选择求解模型的数学方法和算法，然后编写计算机程序或运用与算法相适应的软件包，并借助计算机完成对模型的求解。 5、 模型分析 根据建模的目的要求，对 模型求解的数字结果，或进行稳定性分析，或进行系统参数的灵敏度分析，或进行误差分析等。通过分析，如果不符合要求，就要修改或增减建模假设条款，重新建模，直到符合要求。如果通过分析符合要求，还可以对模型进行评价、预测、优化等方面的分析和探讨。 6、 模型检验 模型分析符合要求后，还必须回到客观实际中去对模型进行检验，看它是否符合客观实际。若不符合，就修改或增减假设条款，重新建模。循环往复，不断完善，直到获得满意结果。 目前计算机技术以为我们进行模型分析、模型检验提供了先进的手段，充分利用这一手段，可以节约大量的时间、人 力和经费。 7、 模型应用 模型应用是数学建模的宗旨，也是对模型的最客观、最公正的检验。因此，一个成功的数学模型，必须根据建模的目的，将其用于分析、研究和解决实际问题，充分发挥数学模型在生产和科研中的特殊作用。 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 9 型仿真所用软件 言 为一种 “科学便笺式 ”的科学工程语言，在系统仿真、数字信号处理等各方面都有着广泛的应用。 英文（矩阵实验室）的缩写。自 1984 年由美国 司推向市场以来，得到了广泛的应用和发展。 早期的 用 言编写的。经 过几年的校际流传，在 推动下，由 作，于 1984 年成立了 司，并正式推出 1 版（ 从这时起， 核心采用 C 语言编写，功能也越来越强。它不仅具有数值计算功能，而且还具有符号计算、图形处理等功能。 以后， 本不断更新。 司于 1992 年推出了具有划时代的 ，并于 1993 年推出了其微机版，该版本可以配合 起使用， 使其应用范围越来越广。 1994 年推出的 扩充了 的功能，尤其在图形截面设计方面提供了新的方法。 1997 年推出的 本提供了更多的数据结构，如结构数据、单元数据、多维矩阵、对象分类等，使编程更方便。 1999 年初推出的 在很多方面又进行了进一步的改进。 2001 年 7 月， 司推出了 最新版本 ， 对计算机的培植要求比较高， 但 很多用户仍使用 。 目前， 经不仅仅是一个 “矩阵实验室 ”了，它已经成为一种广泛引用于工程计算及数值分析领域的新 型高级语言。 在欧美 各 高等院校， 经成为线性代数、自动控制理论、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真、图象处理等课程的基本教学工具，成为理工科本科生、硕士生以及博士生必须掌握的基本编程语言。在科研和工业生产领域， 经广泛地用 于 研究和解决各种具体的工程问题。 真技术 及仿真软件 国 外 的仿真技术发展较早，国外的计算机仿真技术大致经历了几个阶段： 20 世纪40 年代模拟计算机仿真； 50 年代初数字仿真； 60 年代早期仿真语言的出现等。 80 年代出现的面向对象仿真技术为系统仿真方法注入了活力。我国早 在 50 年代就开始研究仿真技术了，当时主要用于国防领域，以模拟计算机的仿真为主。 70 年代初开始应用数字计算机进行仿真。随着数字计算机的普及，近 20 年以来，国际、国内出现了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具，如 7。 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 10 重要组件之一，它提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无须书写大量的程序，只要通过简单直观的鼠标操作，就可以构造 出复杂的仿真系统。 为 工具箱之一，是交互式动态系统建模、仿真和分析的图形环境，是进行基于模型的嵌入式系统开发的基础开发环境。它可以针对控制系统、信号处理及通信系统等进行系统的建模、仿真和分析等工作 29。 持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，而且系统可以是多进程的。 性能进行了改善，并且对大规模系统的开发进行了性能优化。在实际做出系统之前，我们可以使用 先对系统进行仿真和分析，并可以做出适当的实时修正，增强系统的性能，减少系统反复修改的时间，实现高效开发系统的目标。 在构建较大的系统时， 供了系统分层排列的功能。如同设计系统一样，可以将系统分为高级和低级几层，每层又可以细分为几个小部分。每层系统构建完成后，再连接起来就是一个完整的系统了。用户可以查看模型，然后通过双击模块来查看下一级中更详细的内容。分层的功能使我们可以轻松地组织系统，也能使用户深入理解模型的组织结构和各部分之间的相互作用。 在定义完模型后，就可以利用 菜单或者是 命令窗口输入命令来对模型进行仿真。 置的分析工具包括各种仿真算法、系统线性化、寻找平衡点等。仿真结果可以用图形的方式显示在类似示波器的窗口内，以便于用户观察系统的输出结果；也可以将输出结果以变量的方式保存起来，并输入到 可以将输出结构以变量形式保存起来，并输入到，以做进一步的分析。如果仿真结果不符合要求，则可以修改系统模型的参数，继续进行仿真分析。 章小结 数学模型是一个范围很宽的概念， 本章对数学模型做了 简单介绍，让大家从定义上来对数学模型有一个根本的了解。在对数学模型有了根本了解之后，深入的介绍了模型的分类、应用数学模型的作用和建立模型的步骤，从而明白我们的研究应该从什么方面，按照什么顺序来进行。最后介绍了这次研究所要使用的两个计算机软件： 在进行全程分析时都要使用这两个仿真软件。 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 11 第 3章 建立数学模型 等模型的假设 为了模型建立的方便而且能够反映出客观的实际条件，在建立数学模型的时候做如下的条件假设： (1) 假设作实验时，风速不大于 3m/s，气压为 98 103 (2) 假设测试时，油路 各段没有泄露的现象。 (3) 假设通过油路连接方法的处理，在连接油耗仪的各段输油管中没有气泡的产生。 (4) 假设经过流量传感器的燃油全部从传感器的四个活塞中排出。 种模型的比较 油耗模型从建模方法上 一般可分为三大类： (1) 多元回归油耗模型 。 (2) 理论油耗模型 。 (3) 台架实验油耗模型 8。 对于第一类模型，由于它来自于大规模的野外实验，因此具有很高的置信度。但这种方法有一个缺点，那就是异地使用性能差。而台架实验模型的基础是 ： 比油耗 功率 转速图，由于它们是由室内实验得到的，因此可以使用在任何地方。但他们的缺点一是可信度差，二是 需要有专门的设备取得实验数据。第二类模型即理论油耗模型 ， 是根据能量守恒或功率守恒的原理，利用牛顿法则通过力学分析和实验标定建立，用这种方法建立的模型能克服上述两种模型的缺点，表现了高的置信度和异地使用性，因此我们选择理论油耗模型建模。 本 模型的建立 从 流量传感器的结构原理出发，对进油管的流量建立初等理论模型。 (1) 活塞式流量传感器的 流量检测装置是由流量变换机构及信号转换机构组成。流量变换机构 将一定容积的燃油流量变为曲轴的旋转运动，它是由十字形配置的四个活塞和旋转曲轴构成 9。 在曲轴旋转 一周，各缸分别排油一次，其排油量可用下式确定： 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 12 1V = 4 24 2 = 22 (式中 ， 1V 曲轴旋转一周四缸排油量， （ 脉冲 ） ； 4 代表四个油缸； 4 代表某一活塞截面积， （ ； 2H 2 倍制的曲轴偏心距（ 即活塞行程。 (2) 若 在单位时间内即 1s 内油耗传感器输出 1N 个脉冲信号，则在单位时间内流过的燃油体积 2V （ ： 2V = 1V 122 (3) 在进行实验时，需要测定汽车通过规定路段的时间 t,则在时间 t 内流过的燃油体积3V（ ： 223 2 (4) 在汽车上，经输油管输入的燃油一般不会全部用完，有一部分过剩的燃油要从回油管流回燃油箱，所以在计算发动机耗油量的时候要从进油管中 的燃油量 减去回油管中流过的燃油量。则发动机消耗的燃油量为： 4V = 进Q - 出Q = )(2 2 出进 (式中 ， 4V 发动机消耗的燃油量 （ ； 进Q 进油管流 过的燃油量 （ ，进Q= 22 出Q 出油管流过的燃油量 （ ，出出 22 ； 进N 接于进油管的传感器所发出的脉冲数 （个） ； 出N 接于出油管的传感器所发出的脉冲数 （个） 。 (5) 由 公式 (知汽车行驶 t 时，经过 N 个脉冲所流过的燃油体积为 4V ， 将 4标准状态下的体积为 标准状态指：大气温度为 20；大气压力为 100油密度 柴油密度 按照 12534车道路试验方法通 则规定有 校正公式为 ： 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 13 )/(3214 (式中 ， 1C 环境温度校正系数 ， 1C =1+0 T)； 2C 大气压力校正系数 ， 2C =1+ 100)； 3C 燃油密度校正系数 ，3C=1+ )（汽油车） 或3C=1+ )（柴油车） ； T 试验 时的环境温度 ，（ ） ； P 试验时的大气压力 ，（ ； 试验时的燃油密度， （ g/。 综上所述 ， 根据油耗仪的脉冲数和汽车行驶的时间所建立的基本模型为 ： 100(20(2 2进 (型的改进 一般研究认为， 汽车运行燃料消耗量的影响因素 有三十多种 ，除汽车结构、工艺水平、车况外，尚有道路、载荷、运距、 环境条件 (如气温、风、雨、雾、交通情况等 )及驾驶水平等，其 中包括随机因素、 自然因素和人为因素 8。为了全面地建立数学表达式，需要考虑可等级化和数量化的因素，如道路、载荷、气温、海拔高度等。交通因素将在道路分类中予以考虑，而车况、驾驶水平等因素，尽管它们对运行燃料消耗也有较大影响，但 它们的影响程度无法在模型中表达出来， 计算时将其 视为一般正常水平，而不予以考虑。对风、雨、雾等特殊环境因素， 它们的影响是局部的、地区性的，而且也难于等级化和数量化， 在建立数学模型时不考虑，只在实验结果的误差分析时考虑 。 路表面 特 性 对油耗量影响的数学模型 道路表面特性主要是由道路表面沿路线纵断面方向（轮迹方向）的纵向特性以及沿路面宽度方向的横向特性组成 10。 道路表面特性直接影响滚动摩擦阻力大小，路面表面构造及不平整度的大小直接影响到行车的速度、车辆的油耗、机械的磨损；路面强度或刚度影响汽车轮胎与路面接触面积及阻尼力的大小，从而影响汽车轮胎滚动摩擦力的大小，进而影响汽车油耗。 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 14 由 我国公路沥青路面养护技术规范 ( 2001) 的规定 ， 路面行驶质量的评价标准是根据行驶质量指数 的大小划分的 ， 值范围为 0 10。如果出现负值 ， 0； 如果计算结果大于 10， 值为 10。路面行驶质量标准与相应路面不平整度指数值见表 表 面形式质量的评价标准 等级评价指标 优 良 中 次 差 使路面行驶质量 保证在中等水平以上 ， 则要求行驶质量指数 对应的不平整度指数 0。因此 ， 研究汽车油耗时 ， 为能保证路面行驶质量在中等以上 ， 则不平整度指数 为符合实际。 一些关于汽车油耗与道路不平整度关系的研究结果，概括见表 些结果都统一换算成基于每变化 1 个单位的不平整度指数 ，相应油耗的百分率变化 10。 表 速情况下路面不平整度对油耗影响的结果 来 源 研究方 法 化范围 汽车类型 每单位 起的变化率 /% 摩擦阻 力 油耗 1988) 滑道试验 人工粗糙 度 车 接测油耗 人工粗糙 度 汽车 接测油耗 汽车并 排 汽车 接测油耗 变化路 表 汽车 1982) 直接测油耗 变化路 表 汽车 1984) 测滚动摩阻力 变化路 表 汽车 990) 测滚动摩阻力 变化 路 表 汽车 龙江工程学院本科生毕 业论文 15 （续表） L 1990) 测滚动摩阻力 变化路 表 汽车 990) 直接测油耗 变化路 表 汽车 u (1990) 测滚动摩阻力 变化路 表 15 小汽车 车 (1987) 测滚动摩阻力 变化路 表 2 14 小汽车 车 据上述研究结果可以看出：在道路、车型不同的情况下， 增加 1 个单位（ 1m/油耗将增加一定的百分量。设此百分量为 B%，则不同道路表面特性 下油耗量 11V 为： 11V = )1( c (式中， 不平整度指数； B 增加 1 个单位 所对应的油耗 增加的百分量（ %） 。 速对油耗量影响的数学模型 任何一台车辆在 不同的路段上，都有一个经济车速，如果行驶速度离开经济车速则油耗量要增加，不同车速下相关影响系数不同。由表 以得到汽车油耗与车速的关系及相关影响系数 2R 10。考虑车速对油耗的影响，模型应修正为 ： 12V = 211 (式中 ， 2R 车速对油耗量的相关影响系数，由表 出 。 表 车油耗与车速的关系 车型 道路 油耗范围 L/100 耗均值 L/100 速范围 km/h 车速均值 km/h 相关系数2R 小轿车 高速 17 126 121 道 5 76 67 客车 高速 9 91 78 道 5 58 49 龙江工程学院本科生毕 业论文 16 （续表） 重型货车 高速 6 71 67 道 1 57 49 型货车 高速 5 92 88 道 9 66 59 型货车 高速 6 84 79 道 9 62 58 海拔和环境温度对油耗量影响的数学模型 发动机油耗量，除与道路条件、车速影响外，还与测试时的环境，即大气压力（海拔）、环境温度、湿度有密切关系。在做发动机油耗实验时，这些条件都要加以控制或修正测定值。 实现海拔、环境温度和油温对发动机油耗的修正应采用多点修正。这种方式通过实测对应关系的数据与有关资料 对比 分析，不是用一贯简单的数学模型就可以把 要修正的油耗量全部（各点）修正过来，而必须用多个数学模型多点修正 才能完成 11。这种复杂的调运、运算、修正和显示，只有运用单片机电子技术把十几个数学模型 同时存储在用户程序，在测试时根据不同海拔、环境温度和油温变量，单片机再根据多种输入的变量判断要调用相应的数学修正模型，实现不同海拔、环境温度和油温随机运算修正油耗的目的。 借助与大量的海拔和温度对应的数值来实测油耗修正值。通过与有关资料对比分析建立海拔、环境温度影响油耗的数学模型为： （ (式中 ， 对应海拔常数（推导值）； T 环境温度 （ ） ； 对应海拔常数（实测值）； n 定义域取（ 1 10） ； 增减的油耗量（ 。 图 海拔高度与环境温度对发动机功率的影响。 从网上查得的最新数据表明：哈尔滨的平均海拔为 151m，平均大气压为 海拔高，发动机油耗量增加，这样就需要在实测值上加一个增加油耗值拔低，发动机油耗量低 ，这样就需要在黑龙江工程学院本科生毕 业论文 17 实测值上减去一个降低油耗值这样即可得出该 汽车在标准状况下的有效耗油率。海拔高度与环境温度对油耗量的影响模型为： 13V= 12V 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0200400600800100015002000250030003500环 境 温 度 ( )海拔(m)0 . 0 3 5 8 T + 3 . 7 2 = a 1 00 . 0 4 2 T + 3 = a 90 . 0 4 2 T + 2 . 2 8 = a 80 . 0 4 5 T + 1 . 5 6 = a 70 . 0 4 8 T + 0 . 7 2 = a 60 . 0 4 5 T + 0 . 4 8 = a 50 . 0 4 8 T + 0 . 1 2 = a 40 . 0 4 8 T - 0 . 2 4 = a 30 . 0 5 1 T - 0 . 6 0 = a 20 . 0 5 1 T - 0 . 9 6 = a 1图 拔高度与环境温度对发动机油耗的影响 油温度对油耗量影响的数学模型 燃油粘度随着 温度的升高而减小。实测燃油消耗量的修正 是将测得的燃油消耗量加上因温度变化导致的燃油密度变化的量即得发动机在标准状况下的燃油消耗量 11。取轻汽 油密度为 胀系数 为 油消耗量受温度影响的数学模型为： )20(1 01314 (式中 ，13V 实测燃油消耗量； 14V 修正 后的燃油消耗量； 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 18 0t 燃油温度变化值； 燃油膨胀系数。 感器自身结构对油耗量影响的数学模型 容积式油耗仪是通过在规定时间范围内测量一定容积量的燃油，计算消耗的燃油质量来测定燃油消耗率的。 其测量燃油消耗的油泡容积的标定方法是在 20恒温条件下，用水作介质来标定、刻度其容积。显然标定过程中未考虑流体介质的密度、粘度、压力以及测量时间等参数对标定容积的影响，必然导致测量结果即油耗量的不真实 2。因此在计算油耗量 的同时要考虑标定系数的影响 ，其影响油耗量的数学模型为： 15V= 14 (式中 ，15V 考虑标定系数后的燃油体积 （ ； k 标定系数。 标定系数根据 传感器 说明书来取。从 传感器 说明书上可知标定： 其中 别是油耗 1 路， 2 路的标定系数。 合各种因素的初等 数学模型 综上 所述， 将式 ( ( ( ( (入式 (得最终的数学模型为： )()100(20(1()(2 2215 nn 出进 )20(10 (式中 ， 进N 接于进油管的传感器所发出的脉冲数 （个） ； 出N 接于出油管的传感器所发出的脉冲数 （个）； 不平整度指数 ； B 增加 1 个单位 油耗所增加的百分量（ %）； 2R 车速对油耗量的相关影响系数； 对应海拔常数（推导值）； 0t 燃油温度变化值 （） ； 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 19 对应海拔常数（实测值）； 燃油膨胀系数 ； k 标定系数 。 章小结 本章是在上一章的知识基 础上建立油耗仪的数学模型，首先对模型进行一些条件假设，以便于数学模型的表达。通过分析各种油耗模型的优缺点最终选择建立模型的方法，根据油耗仪本身的结构建立了基本的数学模型，但由于汽车上油耗测量受到许多的外界影响因素，所以对初等模型进行了改进。主要考虑了道路表面状况、车速、海拔、环境温度、燃油温度和传感器的本身制造特点等因素。 在基本 模型中， 考虑 了各影响因素的 参数，从而得出系统 的 初等 数学模型。 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 20 第 4章 模型仿真 算机仿真 真的概念 仿真是以相似原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和 各种专用物理设备为工具，借助系统模型丢真实系统进行实验研究的一 门 综合性技术。 系统仿真涉及相似论、控制论、计算机科学、系统工程理论、数值计算、概率论、数理统计、时间序列分析等多种学科 7。 真 的 分类 按照实现方式的不同可以将系统仿真分为如下几类： (1) 实物仿真：又称物理仿真。它是指研制某些实体模型，使之能够重现原系统的各种状态。 (2) 数学仿真：数学仿真就是用数学语言去表述一个系统，并编制程序在计算机上对实际系统进行研究的过程。这种数学表述就是数学模型。 (3) 半实物仿真：又称数学物理仿真或者混合仿真。为了提高仿真的 可信度或者针对一些难以建模的实体，在系统研究中往往把数学模型、物理模型和实体结合起来组成一个复杂 的 仿真系统，这种在仿真环节中存在 的 实体 式 仿真称为半实体仿真或者半物理仿真。 按照仿真系统与实际系统时间尺度上的关系，又可将其分为如下几类： (1) 实时仿真：仿真时钟与系统实际时钟完全一致。许多仿真应用需要满足实时性，这时往往需要实时操作系统或者专用实时仿真硬件的支持。 (2) 欠实时仿真： 仿真 时钟比实际时钟慢。当对仿真的实时性没有严格的 要求时，仿真时钟比实际时钟慢，不影响仿真的目的，采取欠实时仿真 可以节约很多资金。 (3) 超实时仿真 ：仿真时钟比实际时钟快。当实际系统周期太长 时 ，若采用实际时钟就变得毫无意义，这时就要进行超实时仿真。 真的作用 仿真技术具有很高的科学研究价值和巨大的经济效益。 由于 仿真技术的特殊功效，特别是安全性和经济性，使得仿真技术得到广泛的应用。 黑龙江工程学院本科生毕 业论文 21 仿真技术在许多复杂工程系统的分析和设计研究中越来越成为不可缺少的工具。系统的复杂性主要体现在复杂的环境、复杂的对象和复杂的任务上。然而只要能够正确地建立系统的模型，就能够对该系统进行充分的分析研究。另外，仿真系统一旦建立就可重复利用，特别是对计算机仿真系统的修改非常方便。经 过 不断的仿真修改，逐渐深化地系统的认识，以采用相应的控制和决策， 使 系统处于科学的控制和管理之下。 归纳起来，仿真技术的主要用途有如下几点： (1) 优化系统设计。在实际系统建立以前，通过改变仿真模型结构和调整系统参数来优化系统设计。如控制系统、数字信号处理系统的设计经常要靠仿真来
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