Нефедов А.Ф., Высочин Л.Н. Планирование эксперимента и моделирование при исследовании эксплуатационных свойств автомобилей

Подождите немного. Документ загружается.

м.енных. Один

из

методов решения этой задачи состоит

следую-

щем [55]:

а) выбираются числа

и е

так,

чтобы первое было соизмери-

мо

со

средним моментом инерции,

второе

— со

средней подат-

ливостью звеньев системы;

б) рассчитывается масштаб времени

по

формуле

>~ш

;

в) выбирается масштаб угловой скорости

рассчитывается

масштаб момента

по

выражению

/е

л.

J2.9)

г) рассчитываются коэффициенты передачи

по

выражению

= ^Н

(2.10)

где а

= т

—

для

интеграторов, моделирующих массу;

а=

—

для

интеграторов, моделирующих упругое звено;

вх

—

масштаб вели-

чины

на

входе интегратора;

ВЬ1Х

—

масштаб величины

на

выходе

интегратора.

При

затруднении

выборе масштабов можно принимать

•:

В этом случае коэффициенты передачи будут равны

—

для

интеграторов, моделирующих массы,

ki= ~ ;

—

для

интеграторов, моделирующих упругие звенья,

ki= —.

После набора

помощью коммутационных устройств машины

составленной структурной схемы решения задачи приступают

к ее

решению.

Результаты моделирования

на

ЭАВМ выдаются

дискретном

(показания стрелочных приборов) или непрерывном виде

(на

экра-

не устройства визуального наблюдения телеметрической инфор-

мации).

2.3.

Моделирование

на

электронных цифровых

вычислительных машинах

ЭЦВМ характеризуются быстродействием, высокой точностью,

универсальностью, высокой степенью автоматизации вычислений.

Для решения задачи

на

ЭЦВМ

в нее

должны быть введены

числовые данные

правила действия

над

ними

соответствии

определенным алгоритмом. При этом решение задачи сводится

к автоматическому выполнению действий различными устройства-

ми машины по заданной программе, преобразующей вычислитель-

ную задачу в форму, пригодную для решения.

Электронные цифровые вычислительные машины различаются

мощностью, внешним видом, размерами, скоростью выполнения

операций и логикой работы. Но все они состоят из одинаковых

функциональных частей, к которым относятся: память, устройство

ввода—вывода, устройство управления, арифметическое устройство.

Устройство

ввода-вывода -

-»-

Арифметическое •

устройство

•

Оперативная

память (ОЗУ)

Устройство

управления

Пульт 1

управления

внешняя

память

_»_

_ J

Рис.

2.12. Упрощенная блок-схема ЭЦВМ.

На рис. 2.12 представлена упрощенная блок-схема цифровой

вычислительной машины, на которой направление потоков инфор-

мации показано стрелками.

Памятью называется устройство для кратковременного и дол-

говременного хранения информации. В первом случае использу-

ются ферритовые сердечники и интегральные элементы, а во вто-

ром — магнитные ленты, диски, барабаны, а также неэлектронные

виды памяти (перфоленты и перфокарты).

Каждой ячейке памяти присвоен адрес, что дает возможность

считывать и использовать информацию. Для адресации и хране-

ния информации, выполнения арифметических и логических опе-

раций используется определенная система счисления (внутренняя

двоично-восьмеричная, а для связи с внешним пользователем —

десятичная).

Устройства ввода—вывода (электрические пишущие машинки,

быстропечатающие устройства, устройства считывания с перфо-

лент) предназначены для двусторонней связи машины с внешними

пользователями.

Блок управления обеспечивает выполнение арифметических и

логических команд, команд переадресации и ввода—вывода ин-

формации в интересах выполнения всей рабочей программы.

Арифметическое устройство выполняет все предусмотренные

•программой арифметические операции (сложение, умножение, вы-

читание, деление). Этот блок представляет собой электронное уст-

3-3533

Определение

требова-

ний к

инсрормоции

исходным данным

Постанодка задачи

Анализ задачи

Сбор необходимой

информации и

исходных данных

Принятие рабочих

гипотез и допущений

Составление

обоснования модели

Определение необхо

димых аппроксимаций

1Л

Определение пара

гЛметроб и

переменным

П-*-" Определение крите

Zr*—Р

ие

Эфсрективности

Описание

замысла модели

Подготовка

плана проведения

эксперимента

Выбор ЭВМ Н

Проверка правильнос-

ти замысла модели

Доставление докумен-

таиии обоснования

замысла модели

Вывод математи-

ческих Выражений

Составление логе -

ческой блок - схемы

Проверка правиль

ности модели

Составление

спецификации

для программы

Составление

блок-

-схемы программу

Составление плана

рабочих расчетов

Проверка 5лок-схе-

мь!

программы

Программирование

(кодирование

программы)

Проверка программы

для ЭВМ

Проведение

рабочих расчетов

Составление

документации

по модели на ЭВМ

Вывод уравнений и

получение

повер-х-нос-

тей отклика

Анализ выходнь'х

данных и сравнение

их с входными

Оценка и обобщение

результатов

Составление

отчета

Получение быбодов,

Ь&дачо

рекомендаций

Рис.

2.13. Сетевой график выполнения операций моделирования на ЭЦВМ.

.«©Йств-д, элементы кбторбгб Могут находиться в одном из устой-

чивых состояний «включено» и «выключено». Если одно из этих

состояний условимся обозначать единицей, а другое — нулем, то,

станет понятным большое удобство изображения чисел в машине-

в двоичной системе счисления.

Разработка программ для ЭЦВМ требует много времени и

труда, а также тщательного выполнения всех операций. Чтобы про-

грамма и модель в целом были эффективными, программирова-

нию должна предшествовать серьезная работа и каждый этап

моделирования должен детально анализироваться. На рис. 2.13

показан сетевой график выполнения операций при моделирова-

нии [35]. Этот график дает представление об этапах работы при

моделировании, о составе и содержании операций каждого этапа

и последовательности их выполнения.

Первый этап включает постановку и анализ задачи, сбор необ-

ходимой информации, определение параметров, переменных, кри-

териев эффективности, а также выбор метода решения задачи,

в том числе принятие рабочих гипотез и допущений, и заканчи-

вается описанием замысла модели (см. первые десять блоков на

рис.

2.13). Выполнение этих операций связано с изучением и ана-

лизом поставленной или возникшей задачи, обдумыванием и пла-

нированием методов ее решения путем знакомства с реальным

процессом или его аналогом, изучением структуры и т. п. Резуль*

татом этой работы является создание предварительного варианта

модели.

Перед тем как перейти к очередному этапу, необходимо убе-

диться в достоверности замысла модели путем повторного ее

обдумывания по всем перечисленным операциям и рассмотре-

ния специалистами, не принимавшими участия в разработке мо-

дели.

На втором этапе моделирования — этапе реализации модели —

абстрактный замысел превращается в конкретную модель. Выво-

дятся подробные математические выражения, разрабатывается

логическая блок-схема модели, выбирается ЭВМ, составляется

блок-схема программы, разрабатывается программа, составляется

план проведения экспериментов и рабочих расчетов.

Из существующих способов описания алгоритмов наиболее рас-

пространенным является их описание в виде блок-схем. В этом

случае алгоритм представляется последовательностью блоков, вы-

полняющих определенные функции. Эти функции указываются сло-

весно или в виде формул внутри блоков. Связь между блоками

показывается стрелками. Таким образом, блок-схема дает упоря-

доченное и наглядное представление моделируемого процесса.

На различных этапах решения задачи разрабатываются блок-схе-

мы разной степени детализации.

Логическая блок-схема отражает логическую структуру про-

цесса. Она дает упорядоченную последовательность вычислитель-

ных операций, сравнений и проверок, связанных с решением

задачи. Блок-схема программы показывает порядок программной

а*

реализации модели, то есть представляет собой интерпретацию

логической блок-схемы составителем программы. Каждой проце-

дуре логической блок-схемы соответствует совокупность элемен-

тарных операций программной блок-схемы. При этом переход от

логической блок-схемы к программной не меняет ценности про-

граммы.

Машинная программа решения задачи может быть составлена

как на основном машинном языке, так и на одном из алгоритми-

ческих языков (АЛГОЛ, ФОРТРАН, АКИ, КОБОЛ). В первом

случае используются действительные машинные адреса и коды

команд. Поэтому такой способ программирования называется ко-

дированием. Программы при этом получаются компактными, что

экономит машинное время, но само программирование требует

много времени. Кроме того, трудоемким является и усвоение про-

граммистом самого языка команд данной машины. Во втором

случае программа составляется на некотором условном, общем

для ряда машин, языке и вводится в данную машину с помощью

специального транслятора, автоматически преобразующего исход-

ную программу в рабочую. Составление исходной программы при

этом значительно упрощается и ускоряется, однако программа в

целом имеет большой объем, требует больше машинного времени

и занимает больше памяти.

По мере разработки блок-схемы и машинной программы про-

изводится их проверка. Первая проверка должна дать ответ на

вопрос, насколько логическая блок-схема и используемые урав-

нения отражают замысел модели. Следует проверить, соответствует

ли логическая блок-схема предварительному математическому опи-

санию модели и соответствует ли каждому элементу блок-схемы

правильное уравнение. Необходимо убедиться в правильности

размерностей и масштабов величин.

После разработки блок-схемы программы производится про-

верка соответствия каждой операции этой блок-схемы аналогичной

операции логической блок-схемы.

Третья проверка — проверка достоверности программы. — осу-

ществляется, во-первых, обратным переводом программы в блок-

схему, во-вторых —- путем решения задач-тестов, соответствующих

отдельным частям программы, и в третьих — проверкой модели

в целом.

По окончании второго этапа должны быть составлены следую-

щие документы:

Полная логическая блок-схема с подробными, хорошо

обоснованными и подтвержденными математическими выраже-

ниями.

Полная блок-схема программы с указанием системы про-

граммирования и принятых обозначений.

Полная запись всех команд и кодов программы с подтвер-

ждением достоверности вычислений.

Перечень исходных данных и выходных величин с указанием

размерностей, масштабов, диапазонов изменений.

Инструкция о работе с программой с указанием затрат рабо-

чего времени.

Моделирование обычно проводится в два этапа: сначала конт-

рольные расчеты, а затем рабочие. Контрольные расчеты прово-

дятся для окончательной проверки модели перед выполнением ра-

бочих расчетов.

Вычислительные центры работают по двум вариантам: либо

«заказчик» сам проводит расчеты по своей программе в установ-

ленное для него время, либо от него принимается программа и

исходные данные, а расчеты производятся операторами вычисли-

тельного центра и «заказчику» выдаются готовые результаты.

Во втором случае операторам нужно дать исчерпывающие инст-

рукции, а получив результаты, проверить их правильность. Чтобы

правильно использовать результаты, необходимо уже на предва-

рительном этапе моделирования знать, что с ними делать и как

их интерпретировать.

Таким образом, моделирование на ЭЦВМ представляет собой

сложный творческий процесс, требующий в то же время проведе-

ния кропотливой трудоемкой работы по сбору информации, под-

готовке исходных данных, проверке результатов и т. п. В ряде слу-

чаев более выгодно к окончательной цели идти итерационным ме-

тодом, то есть методом последовательной разработки моделей.

Сначала разрабатывается более простая модель (охватывающая

только часть процесса, дающая пониженную точность и т. п.), а

затем более сложная.

Такой метод применяется, когда можно удовлетвориться более

грубыми результатами или при необходимости лучше уяснить ряд

вопросов перед построением полной модели, при отсутствии пол-

ной информации о процессе на первом этапе, ограниченных ресур-

сах и т. д. В подавляющем большинстве случаев, особенно в науч-

ных исследованиях, модели первого порядка сложности приносят

большую пользу.

Глава 3

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ

И РАБОТЫ ИХ ОТДЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

3.1.

Общие предпосылки

До недавнего времени единственным методом получения показа-

телей (количественных характеристик), необходимых для оценки

эффективности автомобилей и их отдельных эксплуатационных

свойств, были разнообразные виды натурных (дорожных и стен-

довых) испытаний. В настоящее время, наряду с ними, для этой

цели широко применяется математическое моделирование.

Методами воспроизведения (моделирования) эксплуатацион-

ных режимов движения автомобилей на ЭЦВМ может быть полу-

чено большинство представленных в табл. ЗЛ показателей, харак-

теризующих рабочие режимы агрегатов и автомобиля в целом и

фиксируемых при дорожных испытаниях [15]. При этом возможно

изучение большого количества вариантов до изготовления опыт-

ных образцов и устранение влияния неуправляемых факторов

(погоды, особенностей вождения и др.).

Моделирование эксплуатационных режимов движения автомо-

билей с целью расчета показателей движения было одной из пер-

вых задач в области исследования экплуатационных свойств авто-

мобилей и рабочих процессов их систем, при решении которой ста-

ли применяться ЭВМ.

Первоначально ЭВМ использовались для определения лишь

немногих показателей (времени и пути разгона, средней скорости,

расхода топлива) при простейших комбинациях условий и режи-

мов движения (разгон с переключением передач по участку дороги

с постоянным сопротивлением движению, работа двигателя при по-

стоянном положении органа, регулирующего подачу топлива (дрос-

сельной заслонки или рейки подачи топлива), представление про-

дольного профиля дороги без учета переходных кривых и т. д.).

В последующем методы моделирования совершенствовались как

в направлении расширения объема получаемой информации, так

и в направлении увеличения числа учитываемых при моделиро-

вании факторов. На схеме перечислены факторы, под влиянием

которых формируются эксплуатационные режимы движения авто-

мобилей и работы агрегатов. Разработка модели движения с уче-

том такого большого количества взаимно связанных факторов,

многие из которых, в свою очередь, характеризуются несколькими

параметрами, встречает серьезные трудности. Последние усугуб-

ляются тем, что пока недостаточно изучены вопросы оценки пси-

хофизиологических качеств водителя и их влияние на режимы

движения.

Показатели рабочих режимов агрегатов автомобиля

Таблица 3.1

Наименование

агрегатов

Показатели, характеризующие рабочие

режимы

Размерности

Автомобиль

Двигатель

Агрегаты силовой

передачи

Сцепление

Коробка перемен-

ных передач

Задний мост

Ножной тормоз

Рулевое управле-

ние

Подвеска

Средняя скорость движения автомобиля

Эксплуатационный расход топлива

Крутящий момент двигателя

Частота вращения вала двигателя

Оборотность двигателя

Средняя температура охлаждающей

жидкости

Средняя температура масла в картере

двигателя

Количество циклов нагружений деталей

трансмиссии по нескольким диапазо-

нам крутящего момента на каждой

передаче

Статистическое распределение крутяще-

го момента на полуоси по пробегу

автомобиля

Угол буксования сцепления в радианах

на 1 км пробега

Количество включений (выключений)

сцепления на 100 км пробега

Количество включений отдельных пере-

дач на 100 км пробега

Длительность движения на отдельных

передачах по пути (или времени) в

процентах к общему пробегу (време-

ни)

Температура масла в картере коробки

передач

Температура масла в картере

Тормозной момент

Путь торможения в процентах к общему

пробегу автомобиля

Количество торможений на 1 км пробе-

га

Средняя температура тормозных накла-

док

Статистическое распределение угла по-

ворота рулевого колеса по пробегу

автомобиля

Суммарный прогиб рессор в см на 1 км

пробега

Частота возмущающих воздействий

км/ч

л/100 км

Нм

об/мин

об/км

°к

°К

рад/км

вкл/100 км

°К

"К

Нм

торм/км

°К

см/км

рад/с

В связи с этим идут либо по пути создания моделей подсистем,

определяющих соответствующие эксплуатационные свойства (тор-

мозные, плавность хода, управляемость), и учитывают факторы,

относящиеся только к данной подсистеме, либо по пути упроще-

ния общей модели движения.

Схема группировки факторов, влияющих на эксплуатационные режимы и показатели движения

Технические параметры автомобиля:

Психофизиологические каче-

ства водителя:

Геометрические параметры Общие, определяющие характер

дороги: и обстановку движения:

общий вес;

база, колея, высота центра тяжести

габаритные размеры;

сцепной вес;

тип двигателя;

техническое состояние двигателя;

максимальный момент и максималь-

ная мощность двигателя;

частота вращения вала, при которых

они развиваются;

приемистость двигателя;

топливно-экономические характерис-

тики двигателя;

тип трансмиссии;

передаточные числа трансмиссии;

тип шин;

параметры, определяющие сопротив-

ление их качению и уводу;

радиус качения шин;

параметры, определяющие сопротив-

ление воздуха движению;

параметры, определяющие инерцион-

ность транспортной единицы;

параметры, определяющие потери во

вспомогательных агрегатах двигателя

и агрегатах трансмиссии;

параметры, определяющие тормозные

свойства автомобиля и двигателя;

номинальный (средний) коэффициент

сопротивления качению;

работоспособность агрегатов при раз-

личных режимах движения;

параметры подвески.

зрительное и слуховое,

двигательное и акселера-

ционное восприятие об-

становки движения;

острота и точность реак-

ции;

устойчивость внимания;

возраст, опыт, мастер-

ство;

наличие автоматических

навыков;

нервно-психическое со-

стояние;

особенности вестибуляр-

ного аппарата;

темперамент.

уклоны продольного про-

филя;

длины участков с одина-

ковыми уклонами;

число переломов продо-

льного профиля;

радиусы и длины пере-

ходных кривых;

поперечный уклон;

радиусы и длины кривых

в плане;

ширина проезжей части;

характеристика микро-

профиля поверхности до-

роги.

общий характер движения (в

населенном пункте или вне его,

днем, ночью, при дожде, тума-

не,

гололеде);

состав движения;

интенсивность движения;

число пересечений в одном

уровне;

способ регулирования движе-

ния;

характер ограничений и запре-

щений;

число регламентированных ос-

тановок;

наличие пешеходов и велосипе-

дистов;

наличие стоящих транспортных

средств;

коэффициент сцепления шин с

поверхностью дороги;

температура и давление окру-

жающего воздуха.

Рассмотрим один из возможных подходов к построению модели,

предназначенной для воспроизведения режимов движения на

ЭЦВМ с целью исследования тягово-скоростных свойств автомо-

билей, полагая при этом движение устойчивым, а тормоза — обес-

печивающими нормальную эффективность действия в любой мо-

мент движения, и исключая ошибки управления автомобилем.

Вследствие того, что дорога состоит из чередующихся в произ-

вольном порядке горизонтальных участков, подъемов, спусков, вер-

тикальных и горизонтальных кривых разной длины, а также из-за

различных помех движению (перекрестки, некачественное покры-

тие,

недостаточная видимость, сужения проезжей части, встречные,

тихоходные и стоящие на обочинах автомобили и др.), движение

автомобиля складывается из разных по продолжительности перио-

дов разгона, замедления и движения с примерно постоянной ско-

ростью. В любом из этих периодов двигатель может работать при

разных положениях дросселя.

Поэтому моделирование эксплуатационных режимов движения

в общем случае сводится к последовательному решению ряда логи-

ческих задач, то есть к имитации действий оператора и к выпол-

нению вычислительных операций с целью расчета возможной ско-

рости движения в зависимости от геометрических параметров

дороги, ограничений скорости и возможных режимов работы дви-

гателя, определяющихся следующими положениями дросселя:

а) полностью открытый; б) при перемещении его с оптимальной

скоростью, обеспечивающей разгон с максимально возможным

ускорением; в) при перемещении его со скоростью, обеспечиваю-

щей движение с некоторым постоянным ускорением (положитель-

ным, отрицательным или равным нулю); г) полностью закрытый

с выключенной передачей; д) полностью закрытый с включенной

передачей.

Так как при создании алгоритма, обеспечивающего имитацию

действий оператора и выполнение вычислительных операций на

ЭЦВМ, необходимо учитывать особенности уравнений, описываю-

щих движение при указанных положениях дросселя, то моделиро-

ванию эксплуатационных режимов движения в целом предшествует

рассмотрение частных моделей движения и их математическое

описание.

Однако наличие уравнений, позволяющих вычислить скорость,

время движения и другие показатели, не является достаточным

для моделирования эксплуатационных режимов движения в це-

лом. Вычислительные операции, связанные с расчетом показателей

движения в отдельных фазах, должны выполняться в последова-

тельности, зависящей от конкретных условий движения на данном

маршруте, определяющихся численными значениями геометричес-

ких элементов дороги, различных ограничений и порядком чередо-

вания тех и других.

В свою очередь последовательность вычислительных операций

должна соответствовать последовательности действий оператора по

управлению автомобилем, которая зависит не только от условий