智能型汽车油耗快速检测系统仿真技术研究【21931字】【优秀机械毕业设计论文】
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1994 1994 图 1 测速发电机试验原理图交流自耦调压器 ;N 数字式转速表 ;被试电机励磁电压表 ; 被试电机输出电压表 ; 电动机电枢电流表 ;被试电机励磁电流表 ; 被试电机模拟负载 ,等于励磁回路最小电阻值。被测试的测速发电机输出特性符合上述条件 ,装车后可以保证机车调整在规定的恒功率特性曲线范围内工作。测速发电机输出特性达不到上述要求时 ,调整测速发电机的碳刷中性位 ,通常可以解决问题。如果调整测速发电机的碳刷中性位也不起作用 ,则说明该测速发电机存在其它故障 ,需要进一步解体检查。我段 40201 号测速发电机检修后试验 ,在高转速下输出电压 70V ,调整碳刷中性位不起作用 ,再解体检查 ,外观状态均良好 ,更换主极线圈后重新组装试验 ,输出电压正常。此类故障 (主极线圈匝间短路 ) 做电动机空转试验时则看不出任何问题。实验表明 ,由于测速发电机电枢反应很小 ,主磁场畸变也小 ,因此空转与负载状态下碳刷中性位的差别可以忽略不计。4 结束语该试验台投入使用五年来 ,经测试合格的测速发电机 ,基本上都能保证在一个修程内正常工作。测速发电机的故障率大幅率下降 ,减少了检修人员的维修工作量 ,提高了机车质量的可靠性。另一方面 ,也为机车励磁回路故障诊断提供了一定的检测手段 ,可以缩小故障查找范围 ,缩短故障处理时间 ,降低段修率 ,提高机车利用率。实践证明 ,该实验台具有原理简单 ,性能可靠 ,成本低廉 ,易于制造 ,并且操作工艺可行 ,测试标准科学 ,测速发电机的检修质量得到了明显提高 ,收到了良好的预期效果。内燃机车柴油机油耗仪汤易 ,郑平(福州机务段 ,福建 福州 350014)摘要 : 油耗仪采用 89片机对流量及温度传感器输出信号进行处理 ,大大简化了油耗仪的硬件结构 ,提高了精度及可靠性。油耗仪测量精度能满足机务段机车检修工作的需要 ,同时具有结构简单、使用方便、造价低、测量时间短等特点。关键词 : 柴油机 ;油耗测量 ;单片机中图分类号 : . 4 文献标识码 : B 文章编号 : 100321820( 2002) 02200442031 前言机车能源消耗约占铁路运输成本的百分之二收稿日期 : 2001209229作者简介 : 汤易 (1963 - ) , 男 , 福建福州人 , 工程师 ; 郑平(1955 - ) , 男 , 福建福州人 , 高级工程师。十 ,因此降低机车能源消耗是提高铁路运输经济效益的重要手段之一。为了能方便准确地测量内燃机车柴油机油耗 ,我段研制了 内燃机车柴油机油耗仪。通过准确测量内燃机车柴油机油耗 ,提出改善机车柴油机工作状态的措施 ,达到降低机车燃油消耗、提高铁路运输经济效益的目的。第 2期 (总第 336期 ) 内燃机车 2002年 2月2 测量原理内燃机车柴油机检修时是以柴油机燃油消耗率 (每千瓦小时耗油量 ) 来反映其质量状态的 ,要计算柴油机燃油消耗率需要测量柴油机每小时消耗柴油的重量 ,这就是我们研制柴油机油耗仪的目的。为此我们选用流量传感器测量柴油机每小时消耗柴油的体积 ,然后乘以密度得出柴油机每小时消耗柴油的重量。为了使油耗仪有较高的测量精度 ,我们以单片机为核心 ,将油耗仪制成一种有计算功能的智能化仪器。2. 1 流量的测量为了能在较宽的测量范围内获得高精度与快速响应的流量值 ,我们采用 M/ T 法测量流量传感器输出脉冲信号的频率 f ( 。 M/ T 法测量原理参见文献 1。设流量传感器平均转换系数为每升 N 个脉冲 ,则流量 U 可按下式计算 :U = 3600 f N (L/ h) (1)2. 2 流量传感器非线性修正内燃机车柴油机最大油耗与最小油耗之比为30 40 ,而市场上销售的流量传感器的量程比一般为 5 20 ,即在量程比 5 20 范围内流量传感器被认为是线性的。为了能用现有的流量传感器准确地测量内燃机车柴油机油耗 ,油耗仪设置了系数 K(仪表参数之一 ) 对流量传感器进行非线性修正。设置了系数 U = K 3600 f N (L/ h) (2)系数 所示 。 N 可根据流量传感器使用说明书提供的数据换算 ,也可利用油耗仪的计数器功能自行标定与计算。 N 作为仪表参数通过面板按键输入单片机。2. 3 柴油机油耗的计算用流量传感器测得的流量是单位时间里流过传感器的柴油体积 ,为了将体积换算为重量 ,要根据“ 83 石油计量换算表”换算出标准密度、标准体积 ,计算出重量。这种通过油占据的体积和油的密度计算油的重量的方法称之为“体积 2重量”法。由于密度和体积都是随温度变化而改变的 ,所以在用“体积 2重量”法计算油的重量时 ,要使体积和密度在同一温度条件下进行计算。我们国家规定的这个温度为 20 ,凡在 20 时的密度和体积都称之为标准密度和标准体积 ,以 20和 准密度 20按“ 83”介绍的方法获得 ,或由燃料部门提供 ,通过 油耗仪面板按键输入单片机。图 1 系数 83” ,标准体积是按下式计算的 : 1 - C ( t - 20) (3)同理 ,柴油 20 时的流量可按下式计算 : U1 - C ( t - 20) (L/ h) (4)式中 t 为 油耗仪测量的柴油温度 , 是柴油温度变化 1 时其体积的变化率 , C 根据 20查表获得 ( C 与 20的关系表存于 油耗仪单片机测量程序中 ) 。柴油 20 密度 20是指单位体积 (20 ) 柴油在真空中的重量。当柴油以空气中重量计算时 ,必须考虑空气浮力的影响 ,即将 20 密度减去空气浮力修正值 010011g/ 乘以柴油的 20 体积得出柴油在空气中的重量 ,所以柴油机油耗 M 可按下式计算 :M = ( 20 - 0. 0011) h)将公式 (4) 、 (2)代入上式得 :M = K 3600 f N ( 20 - 0. 0011) 1 - C( t - 20) (h) (5)式中M 柴油机油耗 (h) ;K 流量传感器非线性修正系数 ;f 油耗仪测得的流量传感器输出信号的频率 (;N 油耗传感器平均转换系数 (脉冲 / L) ; 20 被测柴油在真空中的标准密度 (g/ ;C 柴油体积温度系数 (L/ ) ;t 油耗仪测得的柴油温度值 ( ) 。54第 2期 (总第 336期 ) 汤易等 :1型内燃机车柴油机油耗仪 3 硬件结构油耗仪硬件结构原理如图 2 所示 ,主要由测流量电路、测温度电路、参数设置、通讯接口、 码管显示及 89片机等组成。复位及时钟电路接口 示器通讯接口光电隔离8952单片机A D 转换光电隔离仪表参数设置电路放大电路放大与整形图 2 硬件结构原理框图3. 1 测流量电路流量传感器输出信号经双运算放大器 非门 大整形后 , 驱动光电偶合器4光电偶合器输出信号经与非施密特触发器形后输入 89片机 。3. 2 测温度电路温度传感器输出信号经放大电路放大后输入A/ D 转换电路。 A/ D 转换电路由四位半双积分式A/ D 转换器 数器等组成。我们将 换标志位 9片机外部中断输入口 换时钟输入端 9时器 / 计数器 接 , 转换时钟由89址锁存信号输出端 数器产生 ,转换时钟频率为 125D 转换器与单片机的接口原理参见文献 2。3. 3 仪表参数设置电路仪表参数设置电路由 数存储器、面板轻触式按键等组成。 4 个按键分别为参数设定选择键“ ,设定值减少键“” ,设定值增加键“”及设定值左移键“” ,仪表参数设定值密码锁定、断电永久保存。3. 4 光电隔离通讯接口通讯接口采用 232 双向串行通讯方式 ,接口与计算机采用光电隔离 ,通讯波特率可设置为300 9600. 5 码管显示显示电路有 10 位 码管 ,分上下两排显示 ,上排 4 个 1127色数码管 ,下排 6 个 0171用动态扫描显示方式 ,89片机将某位数码管要显示的数字通过 到每个数码管 ,然后通过 74出该位数码管的选通信号 ,使该位数码管的共阳端为高电平 ,并保持一段时间。在这一段时间里只有该位数码管的共阳端为高电平 ,所以只有该数码管亮 ,其余数码管都不亮。该位数码管显示结束后再显示另一位 ,如此不断循环。由于每秒循环次数较多 ,人眼不会感觉闪烁。3. 6 单片机最小系统单片机最小系统由 89片机、时钟电路、手动与自动复位电路组成。系统时钟频率为1289片机内 8 测量误差4. 1 温度油耗仪对温度的测量采用高精度运算放大器与四位半双积分式 A/ D 转换器 ,有较高的精度 ,考虑到有关部件存在的温漂问题 ,油耗仪对温度的测量精度定为 015 % 1 字。4. 2 油耗油耗仪对流量传感器输出脉冲信号采用 M/ 同时通过软件修正石英晶体振荡频率的误差 ,因此油耗仪对脉冲频率的测量有较高的精度 ,一般优于 011 %。测柴油机油耗时 ,因受柴油温度及标准密度测量误差的影响 ,测量精度一般优于015 %。5 应用内燃机车柴油机油耗仪可用于测量、 等内燃机车柴油机每小时消耗柴油的重量。用于 内燃机车时 ,流量传感器安装在缝隙式滤清器与燃油精滤器之间 。 内燃机车如果燃油管路系统不做任何变动 ,必须在燃油精滤器前及限压阀后各安装一个流量传感器 ,两个传感器差值才是实际耗油量 ,测量误差为两个传感器误差之和 ,安装也不方便。为此我们在测量 在燃油精滤器前安装一个流量传感器 ,实践证明限压阀堵住后不影响柴油机正常运转。【下转第 37 页】64 内燃机车 2002年为了提高缓冲器的可靠性 ,该装置还设有二级缓冲器即 8s 缓冲器 ,油压不正常情况下 (1 2开 ) ,若一级缓冲器在 5s 后不断电 ,二级缓冲器在开始工作 8s 后再次迫使缓冲器停止工作 ,使柴油机停机。我段安装了 20 台油压缓冲器后 ,16柴油机非正常停机故障彻底得到解决 ,但乘务员运用途中要注意机油压力表的显示 ,如果显示低于80柴油机仍不停机 ,应立即甩掉缓冲器 ,并停机进行检查 ,避免造成柴油机曲轴破损。3 作的原因分析及解决措施差示压力计是避免柴油机发生大规模损坏的一种保护措施 ,根据现场实践经验 ,差示动作分为故障动作和误动作 ,一般说来 ,柴油机油底壳燃气存有量的多少是我们判断柴油机是否误动作的重要依据 ,如果油壳内燃气量很大 ,并且柴油机呼吸口处“呼呼”冒烟 ,则断定柴油机内部出现问题 ,主要原因有 :活塞顶部裂纹、活塞环固死 ,另外还有连杆瓦、主轴瓦碾瓦、主机油泵轴承、大小过轮轴承过烧等 ;如果油底壳内燃气不大 ,可以判断为差示误动作 ,就应该从柴油机外部寻找动作原因 ,如 :差示压力计本身问题、来压管磨破、油气分离器上部有棉丝等。解决措施 :(1) 运用机车途中如果发生差示动作 ,乘务员应先判断是否为误动作 ,如果是误动作 ,应直接甩掉差示压力计 ,维持机车运行 ,回段后再查找原因并消除故障。如果是差示真动作 ,就应该请示救援。(2) 严把质量关 ,定修时交车前 ,由乘务员甩车 ,交车工长、验收员观察示功阀是否有雾气喷出及窜气声 ,如果有 ,则由班组装压力表测压缩压力 ,如压缩压力低于 2165则吊检。(3) 地勤人员在运用机车出入库时对柴油机进行检查 ,先检查油底壳加油口和油气分离器出气口有无大量燃气喷出。如有蓝色燃气急促喷出 ,说明可能已发生活塞顶部裂纹 ,再打机油几分种后甩车 ,检查示功阀内有无机油喷出 ,及时吊检抢修。4 调速器故障原因分析及解决措施调速器作为柴油机的神经中枢 ,它控制着柴油机转速、供油量和输出功率等。因此 ,如果调速系统发生故障而非正常停机 ,会直接影响到机车正常运用。分析我段调速器故障原因有 : 最低转速止钉脱落 ; 调速器传动轴花键、花键套剃齿 ; 调速器转筒断。分析造成故障的原因是调速器转筒等配件检修周期过长 ,在检修过程中又麻痹大意 ,不按照工艺检修 ,以至于调速器质量失控。因此 ,我们制定了以下技术措施 :(1) 重新修订检修范围 ,加大了对调速器的检修力度 ,第 5、 10 次定修时抽转筒检查清洗 ,8 次定修时检查传动轴花键及花键套 (禁止使用短齿花键轴 ,改用长齿花键轴 ) 。每次定修交车时测量调速器油压。(2) 针对大修、中修机车质量不稳定的现实情况 ,要求对大修、中修回段机车调速器传动轴进行整修 ,一律改用长齿花键轴。(3) 加强对乘务员进行调速器有关知识的教育 ,督促他们学会调速器不良状态时如何采取紧急措施 ,保证机车继续运行。【上接第 46 页】6 结束语内燃机车柴油机油耗仪 1999 年 12 月17 日通过了福州铁路分局组织的技术验收。 油耗仪采用 89片机对流量及温度传感器输出信号进行处理 ,大大简化了油耗仪的硬件结构 ,提高了精度及可靠性 ,能用于测量各型内燃机车柴油机油耗。在我段试用情况表明其测量精度能满足机务段机车检修工作的需要 ,同时具有结构简单 ,使用方便 ,造价低 ,测量时间短等特点 ,预计油耗仪将成为受机务段欢迎的一种内燃机车检测设备。参考文献 :1 郑平 ,汤易 . 便携式速度、转速校验仪 J . 机车电传动 ) .2 郑平 携式内燃机车功率检测仪 J . 机车电传动 . 1995(2) 期 (总第 336期 ) 杨金山 :机车柴油机非正常停机原因分析及解决措施 by 30201 , of F4 is of in of F4 55020 , of is on of 10031 , A of is on of be as by of be i ,50014 , 9of of is is 50117 , on of D5 is of is 1995o., 1995o., 文章编号 :1007 - 144X(2004) 04 - 0032 - 04收稿日期 :2004 - 03 - 马志雄 (1978 - ) ,男 ,湖北天门人 ,武汉理工大学汽车工程学院硕士研究生 1基金项目 :科技部 863 资助项目 (20031主成分分析法在车辆实际行驶工况开发中的应用马志雄 1 ,李孟良 2 ,张富兴 1 ,朱西产 2(1. 武汉理工大学 汽车工程学院 ,湖北 武汉 430070 ;2. 中国汽车技术研究中心 天津 300162)摘 要 :将主成分分析法应用于车辆实际行驶工况开发中的交通特征分析环节。研究表明 ,将众多反映道路交通特征的短行程特征值用主成分分析法压缩成代表原始数据 80 %以上信息的 3 个或 4 个主成分的方法是可行的。关键词 :主成分分析 ;主成分 ;贡献率 ;短行程特征值中图法分类号 :U 270. 14 文献标识码 :前 言车辆的实际行驶工况 (瞬态工况 )是由几个从一个怠速开始到下一个怠速开始的短行程构成的。在车辆实际行驶工况开发过程中 ,需要将短行程按照交通特征即短行程特征值 (如最大速度和平均速度等 )的不同进行分类 1 ,2 。如果用一两个短行程特征值作为分类的指标进行分类 ,则可能会丢失一些信息 ;而如果用更多的特征值对短行程分类 ,一则变量太多增加了计算的复杂性 ,而且也给合理分析和解释问题带来了困难 ;再则 ,虽然每个变量都提供了一定的信息 ,但有些变量有一定的相关性 ,也就是变量之间并不相互独立 ,从而使得这些变量所提供的信息在一定程度上有所重叠 3 。例如 ,加速、减速、匀速和怠速这 4 个特征值一定是此消彼长的 ;再例如 ,运行时间、运行距离和平均速度这 3 个特征值一定是强烈相关的。笔者用多元分析中的主成分分析来解决这一问题。主成分分析即构造原变量的一系列线性组合 ,使各线性组合在彼此不相关的前提下 ,尽可能多地反映原变量的信息 ,即使其方差最大。在使用时根据不同的需要取反映 80 %或 90 %以上原变量信息的线性组合即可。2 相关理论 4 设 , 车辆行驶工况开发所涉及的 p 个短行程特征值变量。记 X = ( , T ,其协方差矩阵为 = ( p p = E ( X - E( X) ) ( X - E( X) ) T (1)它是一个 p 阶非负定矩阵。设 ( 1+ 2 + + l1 p p 个常数向量 ,考虑如下线性组合 : l = 1 + 2 + + l1 p l = 1 + 2 + + l2 p p = l l 1 + l 2 + + l p(2)易知有= l ) = l i = 1 ,2 , , p (3) = l , l ) = l j = 1 ,2 , , p (4)如果希望用 替原来 p 个变量 , 这就要求 可能地反映原 p 个变量信息。这里“信息”用 方差来度量 ,即要求 = l 到最大 。但对任意常数 k ,若取 则 l ) = l ) =k2 l 因此 ,必须对 以限制 ,否则 无界。最方便的限制是要求 有长度单位 ,即在约束条件 l T1 1 之下 ,求 达到最大 ,由此 定的随机变量 l 称为 , X p 的第一主成分。如果第一主成分 不足以反映原变量的信息 ,则需进一步求 为了使 2 反映的原变量信息不重叠 ,要求 2 不相关 ,即第 26 卷 第 4 期 武汉理工大学学报信息与管理工程版 26 42004 年 8 月 F ( ) 2004 1995o., = l 0 (5)于是 ,在约束条件 l 1 及 l 0 之下 ,求 使 达到最大 ,由此 确定的 l 称为 , X p 的第二主成分。一般地 ,在约束条件 l 1 及 l 0 ( k = 1 ,2 , , i - 1) 下 ,求 使 达到最大 ,由此 确定的 l 称为 , 第 i 主成分。在实际应用中 ,由于车速、加速度等特征值具有不同的量纲 ,同时又由于不同的量纲会引起各变量取值的分散程度差异较大 ,这时总体方差则主要受较大变量的控制。若用 求主成分 ,则优先照顾方差大的变量 ,但有时会造成很不合理的结果。为了消除由于量纲的不同可能到来的影响 ,常采用变量标准化的方法 ,即令X 3i = i = 1 ,2 , , p (6)式中 , i = E( , 。3 算例及结果分析笔者以在我国广州采集到的部分公交车车速数据为算例。在对原始数据进行短行程分割后得到了 1 015 个短行程 ,并参考相关文献定义了如表 1 所给的 15 个短行程特征值 5 。通过计算得到了一个 1 015 15 的短行程特征值矩阵15 15 。笔者对 A 进行了主成分分析。表 1 短行程特征值序号 特征值 意义 单位 序号 特征值 意义 单位1 T 运行时间 s 9 V 送速度 a 加速时间 s 10 V 度标准偏差 d 减速时间 s 11 a 大加速度 m/ c 匀速时间 s 12 速段的平均加速度 m/ i 怠速时间 s 13 a 大减速度 m/ 运行距离 4 速段的平均减速度 m/ 大速度 h 15 速度标准偏差 m/ m 平均速度 15 个特征值量纲不同 ,故应先对 6) 进行标准化 (即无量纲化 ) 后再用式 (1) (5) 进行主成分分析。通过主成分分析 (采用自编的行驶工况解析软件 V 完成 ) 得到了主成分矩阵 15 15 。表 2 列出了 15 个主成分的方差及贡献率和累计贡献率 。由表 2 可知 ,前几个主成分包含了 15 个特征值的绝大部分信息 ,其中前 3 个主成分的贡献率累积为 82. 42 % ,前 4 个主成分的累积贡献率达 90. 01 %。这说明主成分分析完全可以应用于工况开发中 ,而且在后继的研究过程中发现 ,取前 3 个主成分或前 4 个主成分进行交通特征分类时 ,获得了相同的结果 (另文发表 ) 。为了简化问题 ,减少计算量以及节约资源 ,最终确定为用前 3 个主成分进行分析 ,即取 列构成新的主成分矩阵 15 3进行后继的交通特征分类。表 2 主成分方差 、贡献率及累计贡献率主成分序号 主成分方差 贡献率 / % 累积贡献率 / % 主成分序号 主成分方差 贡献率 / % 累积贡献率 / %1 6. 730 4 44. 87 44. 87 9 0. 119 33 0. 80 98. 692 3. 707 6 24. 72 69. 59 10 0. 095 075 0. 63 99. 323 1. 923 9 12. 83 82. 42 11 0. 056 846 0. 38 99. 704 1. 140 5 7. 60 90. 01 12 0. 025 883 0. 17 99. 875 0. 441 95 2. 95 92. 96 13 0. 010 577 0. 07 99. 956 0. 356 23 2. 37 95. 34 14 0. 008 185 8 0. 05 99. 997 0. 215 48 1. 44 96. 77 15 7. 673 7 e - 032 0. 01 1008 0. 168 02 1. 12 97. 89前 3 个主成分与表 1 中的 15 个短行程特征 值的相关系数如表 3 所示 。对表 3 进行分析得到33第 26 卷 第 4 期 马志雄等 :主成分分析法在车辆实际行驶工况开发中的应用 1995o., 所给的结果 。前 3 个主成分很好地代表了15 个短行程中的每一个特征值 ,这一点也表明了用前 3 个主成分作后继的分析是合理的 。表 3 前 3 个主成分与特征值的相关系数特征值 第一主成分 相关系数 第二主成分 相关系数 第三主成分 相关系数 特征值 第一主成分 相关系数 第二主成分 相关系数 第三主成分 相关系数T 0. 73 - 0. 43 - 0. 49 V . 84 0. 14 0. 43. 89 - 0. 28 - 0. 24 V . 80 0. 23 0. 41. 84 - 0. 31 - 0. 31 a . 30 0. 62 - 0. 51. 71 - 0. 50 - 0. 25 0. 12 0. 78 - 0. 41 0. 01 - 0. 24 - 0. 53 a 0. 56 - 0. 63 0. 24S 0. 89 - 0. 29 - 0. 11 0. 15 - 0. 83 0. 13V . 90 0. 17 0. 30 a . 35 0. 87 - 0. 04V m 0. 84 0. 12 0. 48表 4 前 3 个主成分所代表的主要特征值类 别 特征值第一主成分持续时间、加速时间、减速时间、巡航时间、行驶距离、最大加速度、平均速度、运行速度和速度标准偏差。第二主成分 最大加速度、平均加速度、最大减速度、平均减速度和加速度标准偏差。第三主成分 怠速时间4 小 结(1)在车辆行驶工况的开发过程中引入主成分分析法进行交通特征分析 ,使得反映道路交通特征的车速、加速度等多个短行程特征值都得到考虑的同时又简化了所分析的问题。(2)通过主成分分析并取前 3 个主成分将短行程特征值总体样本矩阵压缩成了 1 个能代表绝大多数总体样本信息的新总体样本主成分矩阵。这个新的总体样本矩阵将用于交通特征 (短行程 )分类以及车辆实际行驶工况的构建。参考文献 :1 . of J . 1996 , 961112. 2 , J , , . J . 1995 ,95092613 现代应用数学手册编委会 . 现代应用数学手册概率论与随机过程卷 M 清华大学出版社 ,1999 :315 - 318.4 范金城 ,梅长林 . 数据分析 M 科学出版社 ,2002 :141 - 148.5 , , . J . 2002 ,0100691A on CA to a L i on CA to of of of it is to a of 武汉理工大学学报信息与管理工程版 2004 年 8 月 1995o., ; , 30070 , 辑 :刘美玲 (上接第 31 页 )on i M i a , Y u W u to of a on in is on on of ; , 30070 , 编辑 :刘美玲 53第 26 卷 第 4 期 马志雄等 :主成分分析法在车辆实际行驶工况开发中的应用 1995o., 技 术 导 向仿 真 技 术 在 汽 车 研 发 中 的应 用 及 发 展 趋 势杜 志 强 (同 济 大 学 )1 仿 真 技 术 综 述仿 真 ( 术 是 现 代 产 品 开 发 中 重要 的 支 撑 技 术 ,它 是 指 用 另 一 数 据 处 理 系 统 来 全部 或 部 分 地 模 仿 某 一 数 据 处 理 系 统 ,以 致 于 模 仿的 系 统 能 像 被 模 仿 的 系 统 一 样 接 受 同 样 的 数 据 ,执 行 同 样 的 程 序 ,获 得 同 样 的 结 果 。 在 工 程 实 践中 ,可 用 模 型 (物 理 模 型 或 数 学 模 型 )来 模 仿 实 际系 统 ,代 替 实 际 系 统 来 进 行 实 验 和 研 究 。目 前 ,计 算 机 已 相 当 普 及 ,以 计 算 机 为 平 台 的仿 真 技 术 在 现 代 产 品 开 发 中 发 挥 着 重 要 作 用 :(1)可 以 提 高 产 品 开 发 质 量 。 现 代 产 品 开 发强 调 “ 最 优 化 设 计 ” ,以 追 求 产 品 全 寿 命 周 期 的 综合 性 能 最 佳 为 核 心 准 则 。 但 是 ,产 品 在 其 全 寿 命周 期 内 可 能 遇 到 各 种 各 样 复 杂 的 工 作 环 境 ,而 且这 些 复 杂 的 工 作 环 境 往 往 是 人 工 难 以 复 现 的 。 应用 计 算 机 仿 真 技 术 ,甚 至 可 以 在 产 品 尚 未 最 终 设计 出 来 之 前 ,就 考 察 研 究 它 们 在 各 种 工 作 环 境 下的 表 现 ,从 而 保 证 其 综 合 性 能 的 最 优 。(2)可 以 缩 短 产 品 开 发 周 期 。 传 统 的 产 品 开发 ,常 常 要 经 历 方 案 设 计 图 样 设 计 样 机 制 造 工 艺 设 计 (必 要 时 伴 以 工 艺 试 验 ) 批 量 生 产 这样 一 系 列 步 骤 ,在 任 何 一 个 步 骤 中 发 现 问 题 ,常 常要 退 回 到 前 面 的 某 一 步 骤 重 新 循 环 。 此 外 ,样 机制 作 、 工 艺 试 验 本 身 也 要 花 费 很 多 时 间 ,因 而 造 成产 品 开 发 周 期 的 冗 长 。 应 用 仿 真 技 术 ,在 方 案 设计 中 ,可 以 同 时 对 多 个 方 案 进 行 综 合 性 能 的 模 拟预 测 ,以 便 迅 速 确 定 最 佳 方 案 ;在 图 样 设 计 阶 段 ,可 以 通 过 仿 真 ,对 结 构 、 参 数 是 否 适 合 产 品 综 合 性能 要 求 进 行 验 证 ;可 以 通 过 对 制 造 过 程 、 装 配 过 程的 仿 真 ,及 早 在 设 计 阶 段 就 发 现 并 解 决 工 艺 设 计 、加 工 制 造 中 可 能 发 生 的 问 题 。(3)可 以 降 低 产 品 开 发 费 用 。 用 计 算 机 仿 真代 替 样 机 或 实 体 模 型 试 验 ,不 仅 可 以 缩 短 产 品 开发 周 期 ,而 且 可 以 大 大 节 省 开 发 费 用 。 例 如 ,在 汽车 车 身 覆 盖 件 的 设 计 中 ,不 仅 要 考 虑 其 运 行 阻 力 、外 观 造 型 等 因 素 ,而 且 要 考 虑 安 全 因 素 当 汽车 受 到 碰 撞 时 ,车 身 的 变 形 应 尽 可 能 少 地 危 及 乘员 的 安 全 。 为 此 ,每 设 计 一 个 车 型 总 要 拿 出 十 几辆 车 ,从 不 同 方 向 进 行 撞 车 试 验 ,验 证 车 身 的 变 形状 况 。 现 在 美 国 等 工 业 发 达 国 家 已 实 现 用 计 算 机进 行 撞 车 模 拟 试 验 ,从 过 去 毁 坏 十 几 辆 车 作 撞 车试 验 ,减 少 到 只 用 5辆 。(4)可 以 进 行 复 杂 产 品 的 操 作 使 用 训 练 。 要掌 握 复 杂 产 品 (如 飞 机 、 汽 车 )或 复 杂 技 术 系 统 (如核 电 站 )的 操 作 控 制 ,必 须 进 行 训 练 ,采 用 真 实 产品 或 系 统 进 行 训 练 ,不 仅 费 用 昂 贵 ,而 且 风 险 巨大 。 应 用 仿 真 技 术 ,可 以 让 受 训 人 员 “ 身 临 其 境 ”地 学 习 操 作 、 控 制 性 能 ;还 可 以 制 造 出 许 多 罕 见 的“ 故 障 ” 和 “ 险 情 ” ,让 受 训 人 员 学 会 处 理 和 排 除 ,取 得 用 真 实 产 品 或 系 统 所 达 不 到 的 训 练 效 果 。2 应 用 现 状2. 1 技 术汽 车 产 品 开 发 一 般 分 4个 阶 段 ,即 筹 划 阶 段 、概 念 设 计 和 可 行 性 研 究 阶 段 、 产 品 设 计 和 原 型 车确 认 阶 段 、 定 型 生 产 阶 段 , 的 应 用 在 产 品开 发 的 后 三 个 阶 段 起 着 十 分 重 要 的 作 用 。(1)可 行 性 研 究 和 概 念 设 计 阶 段整 车 参 数 主 要 是 在 概 念 设 计 中 确 定 的 ,对 产品 的 成 功 开 发 非 常 重 要 ,如 后 期 发 现 问 题 后 再 修改 ,后 果 就 十 分 严 重 了 。 如 果 仅 依 靠 总 设 计 师 的63 上 海 汽 车 2005105 1994 “ 经 验 ” 和 样 车 ,那 么 确 定 的 这 些 参 数 必 然 是 不 科学 也 不 可 靠 的 ,这 就 需 要 进 行 ,作 定 量分 析 。汽 车 产 品 开 发 ,特 别 是 轿 车 产 品 开 发 ,只 要 不是 超 前 的 “ 概 念 车 ” ,一 般 都 有 一 个 “ 原 型 车 ” 为 基本 车 型 。 当 然 ,既 然 是 开 发 就 不 可 能 完 全 和 “ 原 型车 ” 一 模 一 样 ,许 多 参 数 必 须 改 变 。 汽 车 是 一 个 各参 数 密 切 相 关 的 系 统 ,参 数 的 更 改 会 产 生 什 么 后果 ,就 需 要 应 用 技 术 ,以 清 楚 确 切 地 回答 这 个 问 题 。 例 如 ,即 使 底 盘 结 构 都 不 变 ,只 是 改变 车 身 造 型 ,那 么 整 车 系 统 的 重 心 、 惯 性 矩 的 改 变将 影 响 到 系 统 的 行 驶 性 、 操 纵 稳 定 性 、 振 动 和 舒 适性 ,车 身 结 构 的 改 变 将 对 车 身 的 刚 度 、 强 度 、 寿 命 、车 身 自 然 频 率 、 轿 厢 的 通 风 、 隔 热 、 噪 声 、 车 身 的 空气 动 力 学 特 性 、 内 部 空 气 流 和 热 交 换 、 被 动 安 全 性水 平 等 产 生 影 响 。 应 用 对 “ 原 型 车 ” 和开 发 车 系 统 进 行 仿 真 ,可 以 在 概 念 设 计 阶 段 就 精确 地 预 测 和 控 制 零 部 件 乃 至 整 车 的 性 能 和 结 构 可靠 性 ,从 而 在 开 发 初 期 就 能 使 未 来 产 品 性 能 和 结构 指 标 得 到 保 证 。 显 然 ,其 技 术 经 济 意 义 非 同 一般 。(2)产 品 设 计 阶 段在 产 品 设 计 阶 段 可 以 全 面 应 用 术 进行 零 部 件 结 构 的 热 变 形 、 流 动 分 析 和 优 化 设 计 ,提高 设 计 质 量 。 本 阶 段 的 范 围 广 泛 ,进 行的 是 比 较 简 单 的 分 析 ,但 是 应 用 效 果 却 是 非 常 显著 的 。 例 如 ,车 身 开 发 的 产 品 设 计 主 要 是 产 生 包括 所 有 部 件 的 设 计 图 纸 ,前 围 、 地 板 、 保 险 杠 、 顶盖 、 车 门 、 发 动 机 和 行 李 仓 盖 板 等 分 总 成 以 及 门 框的 A、 B 和 边 梁 、 副 车 架 、 车 后 部 钣 金 、 行 李厢 等 的 设 计 ,都 需 要 应 用 分 析 。(3)确 认 设 计 和 投 产 准 备 阶 段 仍 以 车 身 开 发为 例 ,在 确 认 设 计 阶 段 ,已 经 有 了 全 面 的 图 纸 数据 、 样 车 实 物 和 试 验 结 果 反 映 出 的 问 题 。 阶 段 的 任 务 是 :针 对 试 验 产 生 的 问 题 (疲 劳 、轻 量 化 、 刚 度 、 车 门 下 垂 、 碰 撞 安 全 、 振 动 噪 声 等 )进 行 有 目 的 的 分 析 ,提 出 问 题 的 焦 点 和 验 证 改 进的 对 策 ;对 产 品 进 行 详 细 分 析 ,将 结 果 保 存 为 技 术档 案 ,进 行 技 术 总 结 ;生 产 准 备 中 工 艺 设 计 、 模 具设 计 和 冲 压 工 艺 仿 真 。2. 2 噪 声 振 动 分 析 ( 真 技 术当 今 愈 演 愈 烈 的 汽 车 市 场 竞 争 促 使 汽 车 设 计师 越 来 越 需 要 在 设 计 早 期 就 重 视 振 动 与 噪 声 的 影响 ,避 免 将 振 动 噪 声 问 题 延 误 到 设 计 的 后 期 才 予以 补 救 ,造 成 大 量 重 新 设 计 对 人 力 和 物 力 的 巨 大浪 费 。 目 前 ,汽 车 业 界 主 要 利 用 V 的 在 产 品 设 计 早 期 进行 振 动 噪 声 分 析 。 这 种 软 件 采 用 统 计 能 量 分 析 的方 法 解 决 振 动 噪 声 问 题 ,它 具 有 图 形 界 面 简 单 、 易于 建 模 分 析 、 结 果 有 效 性 高 等 优 点 ,主 要 用 于 设 计内 部 噪 声 质 量 , 车 身 结 构 声 学 研 究 , 以 及 轿 车 、 卡车 及 巴 士 的 内 饰 材 料 优 化 设 计 等 。国 外 已 有 很 多 公 司 应 用 汽 车振 动 噪 声 分 析 。 例 如 ,克 莱 斯 勒 公 司 采 用 集 成 , 把 对 噪 声 和 内 饰 材 料 的 设 计 与 分 析提 前 到 产 品 开 发 初 期 。 他 们 用 仿 真 模 型 就 能 试 验部 件 和 材 料 ,使 相 应 的 样 机 数 量 大 为 减 少 ,这 种 提前 设 计 和 分 析 噪 声 振 动 的 方 法 ,以 更 低 的 费 用 获得 更 好 的 质 量 。 在 产 品 开 发 过 程 中 ,克 莱 斯 勒 技术 人 员 分 别 运 用 和 样 机 测 试 的 方法 得 出 了 空 气 传 播 噪 声 在 不 同 面 板 和 空 腔 的 系 统响 应 样 本 ,如 图 1 所 示 。 从 图 中 可 以 看 出 , 仿 真 与 样 机 测 试 的 结 果 具 有 很 好 的 一致 性 。图 1 与 样 机 测 试 结 果2. 3 废 气 排 放 仿 真 技 术这 项 技 术 在 国 内 已 有 发 展 。 天 津 市 机 动 车 尾气 催 化 与 净 化 工 程 中 心 开 发 出 汽 车 排 放 后 处 理 系统 计 算 机 仿 真 技 术 ,填 补 了 国 内 汽 车 废 气 排 放 计算 机 仿 真 技 术 的 空 白 。 这 个 项 目 在 我 国 汽 车 排 气73 上 海 汽 车 2005105 1994 ,具 有 峰 值 运 算 速 度 456亿 / s、L 值 240亿 次 / s,在 汽 车 排 气 系 统 数 值模 拟 方 面 具 有 领 先 水 平 。 该 项 目 的 模 型 是 涵 盖 多学 科 的 、 比 较 完 备 的 数 值 模 型 ,其 应 用 具 有 较 好 的经 济 、 社 会 和 环 境 效 益 。台 架 实 验 研 究 表 明 ,该 技 术 的 仿 真 计 算 结 果与 实 验 符 合 ,实 际 应 用 也 证 明 了 其 模 型 有 较 强 的实 用 能 力 。 同 时 ,该 技 术 可 以 全 面 反 映 催 化 转 化器 的 速 度 场 、 压 力 场 、 浓 度 场 和 温 度 场 ,能 够 为 三元 催 化 转 换 器 及 汽 车 排 气 系 统 的 开 发 及 优 化 提 供技 术 支 持 。汽 车 排 放 后 处 理 系 统 计 算 机 仿 真 技 术 的 应用 ,可 以 缩 短 排 放 系 统 开 发 进 程 ,节 约 开 发 费 用 ,实 现 低 排 放 、 低 噪 声 、 低 振 动 、 低 功 率 损 失 、 低 价格 ,促 进 汽 车 整 车 厂 、 催 化 转 换 器 厂 、 三 元 催 化 剂厂 和 蜂 窝 载 体 厂 的 系 统 或 产 品 的 技 术 水 平 的 提高 ,还 可 以 带 动 柴 油 车 、 摩 托 车 排 放 后 处 理 系 统 技术 的 发 展 ,提 升 机 动 车 排 放 后 处 理 领 域 的 技 术 开发 水 平 和 能 力 ,促 进 环 保 事 业 的 发 展 。2. 4 电 路 和 控 制 系 统 仿 真 技 术为 了 改 善 和 提 高 汽 车 的 性 能 ,需 要 对 汽 车 的电 气 及 控 制 系 统 进 行 优 化 设 计 ,由 于 微 型 计 算 机具 有 结 构 紧 凑 、 工 作 可 靠 、 功 能 强 大 、 响 应 快 速 和价 格 低 廉 等 优 点 ,特 别 适 宜 于 作 为 汽 车 各 控 制 系统 的 控 制 器 。 汽 车 实 现 计 算 机 自 动 控 制 不 仅 可 以改 善 和 提 高 汽 车 的 控 制 质 量 ,还 可 以 扩 展 汽 车 的控 制 内 容 ,所 以 ,目 前 的 汽 车 上 已 有 很 多 由 计 算 机进 行 控 制 的 系 统 或 机 构 。 为 了 适 应 汽 车 大 批 量 多样 化 的 生 产 特 点 ,汽 车 计 算 机 控 制 系 统 正 朝 着 标准 化 、 小 型 化 和 集 成 化 的 方 向 发 展 ,由 于 汽 车 结 构和 性 能 的 复 杂 性 和 关 联 性 ,汽 车 计 算 机 控 制 实 现网 络 化 也 是 必 然 的 发 展 方 向 。 目 前 ,汽 车 计 算 机控 制 已 经 涉 及 到 动 力 性 、 经 济 性 、 安 全 性 、 可 靠 性 、净 化 性 和 舒 适 性 等 诸 多 方 面 ,具 体 包 括 :发 动 机 控制 、 变 速 控 制 、 巡 行 控 制 、 制 动 控 制 、 驱 动 控 制 、 悬架 控 制 、 转 向 控 制 、 照 明 控 制 、 雨 刷 控 制 、 空 调 控制 、 安 全 控 制 、 座 椅 控 制 、 门 窗 控 制 、 防 盗 控 制 、 音响 控 制 和 信 息 管 理 等 ,这 些 控 制 自 成 系 统 ,形 成 了各 种 汽 车 计 算 机 控 制 系 统 ,它 们 组 合 起 来 又 构 成了 整 个 汽 车 计 算 机 控 制 系 统 。 对 这 样 的 系 统 进 行开 发 ,不 仅 需 要 对 基 于 控 制 理 论 的 软 件 系 统 进 行设 计 ,还 必 须 对 硬 件 电 路 进 行 系 统 化 的 设 计 ,这 些必 须 应 用 系 统 仿 真 技 术 ,否 则 其 开 发 周 期 和 开 发成 本 将 是 不 可 控 的 。 所 以 ,电 路 及 控 制 系 统 的 仿真 也 是 当 今 汽 车 研 究 与 开 发 中 应 用 广 泛 的 仿 真 技术 。随 着 计 算 机 技 术 的 迅 速 发 展 和 广 泛 应 用 ,近年 来 出 现 了 许 多 专 门 用 于 系 统 仿 真 的 语 言 和 软 件工 具 ,其 中 最 有 影 响 力 的 是 软 件 的 出现 ,不 仅 使 数 值 分 析 与 应 用 进 入 了 一 个 崭 新 的 阶段 ,而 且 也 为 系 统 仿 真 技 术 提 供 了 更 实 用 、 更 方 便的 解 决 办 法 。 这 个 软 件 显 著 的 特 点 ,就 是 提 供 了系 统 动 态 仿 真 工 具 箱 由 模 块 库 、模 型 构 造 及 指 令 分 析 和 演 示 程 序 组 成 ,是 一 个 模块 化 、 模 型 化 的 系 统 动 态 仿 真 环 境 ,特 别 适 合 于 电路 系 统 和 控 制 系 统 的 仿 真 。目 前 ,在 汽 车 控 制 系 统 的 仿 真 设 计 中 ,重 点 发展 的 是 硬 件 在 回 路 (in 仿 真 ,因为 这 一 技 术 在 利 用 仿 真 技 术 优 点 的 同 时 ,能 够 更加 真 实 地 模 拟 汽 车 控 制 系 统 的 工 作 环 境 。 具 体 做法 是 :在 下 建 立 控 制 系 统 的数 学 模 型 ,先 进 行 离 线 仿 真 获 得 满 意 的 效 果 ,然 后用 实 物 代 替 模 型 中 的 被 控 对 象 与 计 算 机 中 的 控 制器 模 型 通 过 某 种 通 讯 方 式 连 线 进 行 仿 真 。 对 于 电路 的 仿 真 ,也 是 使 用 电 路 模型 ,然 后 仿 真 进 行 调 试 ,直 到 达 到 要 求 后 再 进 行 实际 电 路 的 连 接 ,这 就 避 免 了 用 传 统 方 法 反 复 进 行实 物 调 试 而 花 费 较 多 的 资 金 、 时 间 和 精 力 的 缺 点 。3 发 展 趋 势3. 1 驾 驶 模 拟 仿 真 技 术对 于 汽 车 来 说 ,驾 驶 仿 真 技 术 正 在 日 益 兴 起 ,它 不 仅 为 汽 车 使 用 者 提 供 了 便 捷 的 学 习 方 法 ,而且 为 汽 车 的 设 计 者 提 供 了 一 种 非 常 友 好 的 性 能 评价 方 法 和 平 台 ,这 一 技 术 正 成 为 汽 车 仿 真 技 术 发展 中 的 热 点 。电 脑 控 制 主 被 动 式 汽 车 驾 驶 模 拟 系 统 ( 型 )正 是 这 一 技 术 的 标 志 ,它 是 以 计 算 机 仿 真83 上 海 汽 车 2005105 1994 。 它 能 模 拟 汽 车 驾 驶 的 运 行 环 境和 操 作 效 果 ,培 训 汽 车 驾 驶 人 员 。 系 统 的 图 形 部分 是 由 计 算 机 实 时 形 成 的 ,学 员 在 视 频 上 看 到 的道 路
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