способ построения передаточной функции водителя автомобиля

Формула изобретения

Способ построения передаточной функции водителя автомобиля, заключающийся в измерении курсового угла движущегося автомобиля и угла поворота рулевого колеса , являющегося результатом реакции водителя на изменение курсового угла движения автомобиля от внешних воздействий, с последующим получением корреляционных функций водителя , отличающийся тем, что по корреляционным функциям вычисляют соответствующие им спектральные плотности S (i ) и S (i ) путем прямого преобразования Фурье, частным от деления которых является передаточная функция водителя, состоящая из трех составляющих: одного звена запаздывания и двух колебательных звеньев:

где коэффициенты передаточной функции водителя определяют по характерным точкам экспериментальной амплитудно-фазово-частотной характеристики передаточной функции водителя, в частности для разомкнутого витка постоянная времени

где ₁ - экстремальная точка разомкнутого витка, соответствующая минимальному значению мнимой составляющей,

а коэффициент усиления k₁ соответствует вещественной составляющей точки начала разомкнутого витка, для замкнутых витков k₂, k₃ - коэффициенты усиления колебательных звеньев,

- инерционная постоянная времени,

постоянная времени демпфирования n-го колебательного звена T_n1 определяется из выражения - где _n минимальное значение мнимой составляющей АФЧХ,

_nmax - максимальное значение вещественной составляющей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к математическим моделям, а именно к математическим моделям водителя автомобиля, и может быть использовано в системах управления, включающих оператора, от динамических характеристик которого зависит качество функционирования системы в целом, а именно устойчивость и качество переходных процессов.

Существует способ построения математической модели автомобиля (Динамика системы дорога - шина - автомобиль - водитель. Под ред. А.А.Хачатурова. М., «Машиностроение». 1976. - 800 с., стр.456), основанный на предположении, что его структурная схема содержит: звено запаздывания, форсирующее звено, произведение двух колебательных звеньев и нелинейный элемент типа «люфт на выходе», причем коэффициенты структурной схемы подбираются по логарифмическим амплитудно-частотным характеристикам.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при применении известного способа построения математической модели, принятого за прототип, относятся: низкая точность модели, поскольку подбор коэффициентов математической модели водителя осуществляется по спектральным плотностям на входе и выходе системы.

Технический результат - построение более точной адекватной модели водителя, соответствующей экспериментальным данным, с использованием ее в задачах устойчивости и управляемости автомобиля - определения уточненного значения критической скорости движения, оценки возможности управления автомобилем конкретным водителем в зависимости от его психофизиологического состояния и т.д.

Особенность заключается в том, что предлагаемый способ построения передаточной функции водителя, состоящей из трех составляющих: одного звена запаздывания и двух колебательных звеньев, основан на схеме измерения (фиг.1) курсового угла движущегося автомобиля и угла поворота рулевого колеса , с последующим получением корреляционных функций водителя , , соответствующих им спектральных плотностей S (i ) и S (i ), вычисляемых путем прямого преобразования Фурье, делением спектральных плотностей в результате определяется передаточная функция водителя, причем коэффициенты передаточной функции водителя определяют по амплитудно-фазочастотной характеристике передаточной функции водителя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема работы устройства определения передаточной функции водителя, на фиг.2 - структурная схема прототипа, на фиг.3 - предлагаемая структурная схема, на фиг.4 - исходная корреляционная функция курсового угла движения автомобиля , на фиг.5 - взаимная корреляционная функция , на фиг.6 - АФЧХ (амплитудно-фазочастотная характеристика) передаточной функции водителя.

С рассматриваемого объекта, управляемого водителем, автомобиля 1 (фиг.1) во время движения снимаются величины: курсового угла и угол поворота рулевого колеса , являющийся результатом реакции водителя на изменение курсового угла движения автомобиля от внешних воздействий. Значение угла поворота (t) подается на звено сдвига 2, после чего значение (t+ ) и значение (t) одновременно подаются на перемножитель 3, результатом работы которого является сигнал (t) (t+ ), передаваемый на интегратор 4. В интеграторе 4 сигнал (t) (t+ ) преобразуется во взаимно-корреляционную функцию . В блоке 5 получают спектральную плотность S (i ) путем преобразования Фурье функции , полученной с блока 4.

Параллельно вышерассмотренному процессу, величина (t+ ), после звена сдвига 6 и величина (t) подаются на перемножитель 7, выдающий сигнал (t) (t+ ), проходящий через интегратор 8. Полученная в результате автокорреляционная функция , подается на блок 9, где после преобразования Фурье получают спектральную плотность S (i ).

Таким образом, на блок 10 одновременно поступают функции спектральных плотностей S (i ) и S (i ), частное от деления которых является передаточной функцией W (i ). Передаточная функция W (i ) передается на идентификатор 11, где по графически построенной амплитудно-фазочастотной характеристике передаточной функции W (i ) определяются постоянные времени трех составляющих: одного звена запаздывания и двух колебательных звеньев:

Сущность изобретения основывается на следующих теоретических соображениях.

Рассмотрим ансамбль реализации случайных процессов и .

Величина представляет собой автокорреляционную функцию.

Предполагая случайный процесс эргодическим, ее можно вычислить, определяя среднее значение произведения двух ординат процесса, разделенных промежутком времени . Автокорреляционная функция курсового угла будет:

Взаимная корреляционная функция случайных сигналов и :

т.е. представляет собой среднее значение произведения первого сигнала при некотором значении времени t на второй сигнал в момент времени, сдвинутый на .

Рассмотрим взаимные спектральные плотности S (i ) и S (i ) сигналов и по формулам:

На основе известных зависимостей между спектральными плотностями S (i ), S (i ) и передаточной функцией W(i ) имеем:

откуда получаем передаточную функцию:

Строим АФЧХ передаточной функции водителя. По построенным АФЧХ определяются постоянные времени. Для разомкнутого витка постоянная времени: где ₁ - экстремальная точка витка, соответствует минимальному значению мнимой составляющей, а коэффициент усиления k₁ соответствует вещественной составляющей точки начала витка.

Для замкнутых витков фиксируем характерные частоты и берем экстремальные точки АФЧХ, соответствующие минимальному значению мнимой составляющей _n и максимальному значению вещественной составляющей _{n max}. По зафиксированным значениям _n и _{n max} определяют постоянные времени:

где T_n2, Т_n1 - соответственно инерционная постоянная времени и постоянная времени демпфирования n-го колебательного звена. Смотри: Ю.Н.Санкин. Динамика несущих систем металлорежущих станков. - М.: Машиностроение, 1986. - 96 с.

В работе: Динамические характеристики вязко-упругих систем с распределенными параметрами. Санкин Ю.Н. Издательство Саратовского университета, 1977 г., дано теоретическое представление передаточной функции, являющейся математической моделью эквивалентной упругой системы:

где k_n - соответствующие коэффициенты усиления n-го колебательного звена, N - число существенно проявляющихся витков АФЧХ.

Предлагаемая передаточная функция водителя состоит из суммы трех составляющих: одного звена запаздывания и двух колебательных звеньев, и представляется в следующем виде (фиг.3):

Данная линейная часть модели отражает физическое состояние водителя автомобиля, а именно степень запаздывания реакции на входной сигнал «курсовой угол» и «расстояние до средней линии коридора движения», а также учитывает влияние колебаний тела водителя при отработке вышеупомянутых входных сигналов. Нелинейное звено типа «люфт», как и в первоисточнике, считаем мало влияющим на линейную часть.

Предложенная модель позволяет получить более высокую точность для спектральных плотностей.

Данное изобретение было проверено с помощью численного эксперимента. Предлагаемая модель сопоставлялась с моделью водителя, предложенной в работе (Динамика системы дорога - шина - автомобиль - водитель. Под ред. А.А.Хачатурова. М., «Машиностроение». 1976. - 800 с., стр.456). В качестве исходных данных были использованы корреляционные функции из указанного источника (фиг.4, 5, соответственно рис.216, стр.461).

По предлагаемой методике была получена передаточная функция водителя:

На фиг.6 представлены АФЧХ передаточных функций водителя:

пунктирная линия 1 - получена экспериментальным путем, сплошная линия 2 - получена предлагаемым способом и штрихпунктирная линия 3 - по методике, описанной в прототипе.

Численный эксперимент показывает, что кривая 2 достаточно хорошо совпадает с кривой 1, в то время как кривая 3 не имеет даже качественного совпадения и не соответствует принятым в технике нормам точности.

Следовательно, предложенная модель для линейной части передаточной функции водителя дает более точный, а следовательно, и более эффективной результат. Аналогичные результаты получены для еще нескольких вариантов экспериментальных корреляционных функций.