УДК 004.942

Matlab Similink как инструмент компьютерного моделирования движения болида класса «Formula Student»

Аленов Ален Жаксклыкович – магистрант Южно-Уральского государственного университета.

Николаев Владислав Андреевич – магистрант Южно-Уральского государственного университета.

Школяренко Анастасия Олеговна – магистрант Южно-Уральского государственного университета.

Федоров Дмитрий Олегович – магистрант Южно-Уральского государственного университета.

Научный руководитель Илимбетов Рафаэль Юрикович – кандидат технических наук, доцент кафедры Электропривода мехатроники и электромеханики Южно-Уральского государственного университета.

Аннотация: В данной статье представлено исследование движения гоночного электроболида класса Formula Student Electric. Для реализации исследования использовалось программное обеспечение (ПО) Matlab Similink, чтобы изучить поведение транспортного средства в различных условиях, что позволило нам получить глубокое понимание его динамики, эффективности и потенциала для оптимизации.

Ключевые слова: Matlab Similink, Formula Student, электроболид, моделирование.

Ведение

Движение Formula Student Electric является международным проектом, ориентиром которого является подготовка высококвалифицированных инженерных и научных кадров для автомобильной промышленности. Студенческими командами по всему миру стремятся разработать уникальный гоночный электроболид, который будет иметь высокую степень эффективности и инновационности в своей области.

В данном исследовании мы обратили внимание на компьютерное моделирование движения электроболида и анализ его характеристик в различных сценариях и выберем необходимую программу для компьютерного модерирования.

MATLAB (от англ. Matrix Laboratory) — это высокоуровневый язык технических вычислений и программное обеспечение для численных вычислений и визуализации данных. Он широко используется инженерами, учеными, аналитиками и другими специалистами для анализа данных, моделирования, разработки приложений, обработки сигналов, машинного обучения, и многих других задач.

MATLAB обладает множеством возможностей, включая:

• Мощные инструменты для работы с матрицами и векторами, что делает его идеальным для выполнения линейной алгебры и работы с многомерными данными.
• Богатые возможности визуализации данных: от построения графиков и диаграмм до создания интерактивных визуализаций.
• Встроенные инструменты для работы с сигналами и обработки изображений.
• Библиотеки для решения уравнений, численного интегрирования, оптимизации, статистического анализа и машинного обучения.
• Многообразие специализированных инструментов и расширений, таких как Simulink для моделирования динамических систем и MATLAB Compiler для превращения MATLAB программ в самостоятельные приложения.

Simulink – это дополнительный пакет (Toolbox) для MATLAB, предназначенный для моделирования, анализа, и симуляции динамических систем. Этот пакет используется для проектирования и моделирования различных систем, таких как электрические, механические, гидравлические, а также для моделирования управляющих систем и других технических процессов.

Основные возможности MATLAB Simulink

Компьютерное моделирование движения гоночного электроболида класса Formula Student Electric является важной составляющей проектирования и разработки электромобилей этого типа. Это исследование позволяет лучше понять и оптимизировать динамические и кинематические свойства гоночного электроболида, что в свою очередь способствует созданию более эффективных и конкурентоспособных автомобилей.

Результаты компьютерного моделирования значительно упрощают и ускоряют процесс проектирования, позволяя инженерам и дизайнерам провести множество виртуальных тестов и оптимизаций до того, как будут созданы физические прототипы. Ниже представлены показатели компьютерного моделирования, которые можно реализовать в MATLAB Simulink:

1. Динамические характеристики

Моделирование в MATLAB Simulink позволяет исследовать как гоночный электроболид реагирует на различные условия дороги, углы наклона, уровень сцепления и другие параметры для оптимизации управляемости и стабильности.

Рисунок 1. Общая схема динамической модели автомобиля [1].

На рисунке 1 представлена схема динамической модели для решения задачи по разработке модели движения электроболида в среде динамического моделирования Matlab/Simulink. Разработанная модель включает в себя несколько расчетных блоков-структур:

1. Электронный блок управления трансмиссией, а точнее «верхний уровень». Алгоритм управления переключением передач и муфтой сцепления был реализован при помощи метода «конечных автоматов».
2. Упрощенные модели силовой установки и элементов трансмиссии (двигатель, сцепление, коробка передач, карданная передача, задний мост).
3. Блок расчета перераспределения нормальных реакций по осям.
4. Блоки передних (ведомых) и задних (ведущих) колес. 5. Блок-расчетчик динамики кузова автомобиля.

Из особенностей стоит отметить, что в модели было учтено:

• Электронное принудительное снижение значения крутящего момента двигателя на первых трех передачах.
• Возможность расчета динамики при буксовании ведущих колес.
• Исходные данные при расчете силы аэродинамического сопротивления были получены экспериментальным (коэффициент аэродинамического сопротивления) и расчетным методами (площадь «Миделева» сечения).
• Учет скорости ветра, влияние температуры и давления атмосферы на плотность воздуха, угол подъема или спуска.
• Сохранение результатов в файл xlsx после окончания расчета [1].

2. Моделирование системы

Simulink предоставляет возможность построить динамическую модель электроболида, включая различные аспекты его поведения, такие как динамика движения, реакция на управление и изменения параметров дороги.

На рисунке 2 представлена блок-схема модели системы управления для беспилотного транспортного средства, включая блоки для управления моментом, системы регенеративного торможения, и оптимального использования энергии из аккумуляторов. Используя MATLAB Simulink возможно смоделировать и протестировать различные алгоритмы управления электроболидом. Анализ и оптимизация их работы повышает эффективность и производительность различных систем электроболида.

Рисунок 2. Блок-схема реализации моделирования движения, колебаний и управляемости беспилотного автомобиля. [2]

3. Имитация условий дороги

Используя модели в Simulink, можно смоделировать разные типы дорожных поверхностей, углы наклона и другие параметры окружающей среды, где будет проходить испытания болида.

4. Анализ влияния параметров на управляемость

Simulink позволяет проводить анализ влияния различных параметров, таких как уровень сцепления, распределение веса, и характеристики подвески, на поведение электроболида в различных условиях.

Создание модели (рисунок 3) основывается на применении уравнения движения, задав скорость движения автомобиля Va, подрессоренная масса М, жесткость подвески kS, коэффициент сопротивления подвески cs и качество поверхности дороги R. Затем, используя различные блоки и параметры модели, исследуется, как электроболид реагирует на изменения углов наклона дороги, различные условия сцепления. Как результат оптимизируется управляемость и стабильность автомобиля для максимальной производительности.

Рисунок 3. Модель Simulink для автомобиля. [3]

5. Оптимизация управления и стабильности

Моделирование в Simulink позволяет тестировать различные стратегии управления и системы стабилизации для оптимизации управляемости и стабильности гоночного автомобиля в различных условиях гонки.

Рисунок 4. Имитирующая модель Simulink для исследования колебания автомобиля с двумя степенями свободы. [4]

При моделировании колебания системы с помощью программного обеспечения Matlab Simulink, необходимо построить математическую модель, описывающую движение системы. Дифференциальные уравнения движения эквивалентной модели с двумя степенями свободы. Далее модель, представленную на рис. 4 можно использовать при исследовании колебания автомобиля.

Использование MATLAB Simulink для компьютерного моделирования позволяет анализировать расход энергии и оптимизацию системы электропривода.

С помощью Simulink, можно тестировать различные стратегии управления энергией за счет анализа расхода энергии в различных режимах движения и дальности хода электроболида в зависимости от различных параметров и условий эксплуатации. А также можно провести тестирование оптимизации режимов регенеративного торможения, управление мощностью двигателя, и эффективное управление батареями для минимизации энергопотребления.

Используя Simulink, можно построить детальную модель электропривода, включая электрические моторы, инверторы, батареи и другие компоненты, чтобы анализировать их эффективность и взаимодействие.

 MATLAB Simulink позволят смоделировать различные сценарии движения электроболида, включая ускорение, торможение, и постоянное движение, а также различные скорости и нагрузки на систему.

Выводы

Проведенный анализ показал, что MATLAB Simulink имеет большие возможности проводить различные виды научных исследований компьютерных моделей таких как воздействие аэродинамических возмущений на гоночный автомобиль, оптимизация формы кузова, а также моделирование тепловых процессов протекающие в тяговых электоприводах и тяговых аккумуляторных батареях с учетом теплового баланса с окружающей средой. Компьютерное исследование с преминем программы MATLAB Simulink дает возможность спроектировать конкурентоспособный гоночный электроболид с учетом регламента соревнований Formula Student Electric.

Таким образом компьютерное моделирование на основе MATLAB Simulink позволит нам в будущем улучшить технические характеристики и повысить энергоэффективность гоночного автомобиля.

Список литературы

1. Торопов Евгений Иванович, Вашурин Андрей Сергеевич, Тумасов Антон Владимирович, Бутин Данила Александрович Разработка динамической модели транспортного средства для апробации алгоритма управления автоматизированной механической трансмиссией // Известия вузов. Поволжский регион. Технические науки. 2019. №3 (51). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-dinamicheskoy-modeli-transportnogo-sredstva-dlya-aprobatsii-algoritma-upravleniya-avtomatizirovannoy-mehanicheskoy (дата обращения: 04.12.2023).
2. Михайлов Владимир Георгиевич Использование имитационного моделирования для отладки беспилотных автомобилей // Труды НГТУ им. Р. Е. Алексеева. 2020. №3 (130). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-imitatsionnogo-modelirovaniya-dlya-otladki-bespilotnyh-avtomobiley (дата обращения: 04.12.2023).
3. Нгуен Хак Минь, Нгуен Хак Туан Исследование влияния параметров системы подвески и условий эксплуатации на плавность движения автомобиля // Universum: технические науки. 2019. №9 (66). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-vliyaniya-parametrov-sistemy-podveski-i-usloviy-ekspluatatsii-na-plavnost-dvizheniya-avtomobilya (дата обращения: 04.12.2023).
4. Нгуен Хак Туан, Нгуен Киеу Хунг Выбор метода компьютерного моделирования для изучения влияния параметров подвески на комфорт езды гоночного автомобиля "Формула студент" // Universum: технические науки. 2018. №5 (50). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vybor-metoda-kompyuternogo-modelirovaniya-dlya-izucheniya-vliyaniya-parametrov-podveski-na-komfort-ezdy-gonochnogo-avtomobilya-formula (дата обращения: 04.12.2023).