基于MATLAB Simulink四輪轉向系統的仿真分析

黃鵬飛 衣嘉瑞

摘要：本文以車輛的四輪轉向系統為研究對象，通過對四輪轉向系統進行模型的簡化得到車輛四輪轉向系統的二自由度模型，借車輛四輪轉向系統的二自由度模型運用汽車運動學和車輛動力學的理論及MATLAB建模分析方法，對車輛四輪轉向系統的二自由度模型進行計算機仿真分析，模擬汽車在不同速度下的影響車輛轉向響應的關鍵因素，通過仿真四輪轉向系統的二自由度模型分析得到汽車在高低速行駛工況下，四輪轉向系統指標的狀態響應情況。

關鍵詞：MATLAB;仿真分析;四輪轉向

1. 課程設計總述

汽車的四輪轉向，是指在汽車轉向時四個車輪具有同時發生偏轉的能力。汽車的四輪轉向系統在低速時，可以使得汽車的轉彎半徑變小，這會讓汽車更加靈活，而提高汽車的機動性能;高速時，此系統可以使汽車具有較快的響應速度，所以通過合理控制前后輪的偏轉角，又能增強汽車的操穩性，提高汽車的行車安全性。然而在實際生產生活中，對于具有四輪轉向系統的車輛的安全性和實用性了解和實際應用范圍較少。本文以汽車的四輪轉向系統為例進行相關理論設計和分析。

1.1? 課程設計主要任務

汽車四輪轉向系統是汽車的重要組成部分，四輪轉向對提高汽車駕駛的靈活性、運動型和安全性具有重要意義。通過研究汽車四輪轉向原理，對汽車四輪轉向系統進行正確合理的數學建模和分析，可以加深研究人員對汽車四輪轉向的理解，深刻認識四輪轉向系統在低速和高速下對輸入信號的影響。然而四輪轉向系統需要考慮整車質量、質心位置、車輛轉動慣量、前輪側偏剛度、后輪側偏剛度等各種復雜因素，所以四輪轉向系統的建模的準確性對仿真真實反映實際系統至關重要。

本設計為了便于分析汽車的四輪轉向系統，將四輪轉向管理系統簡化成而二自由度結構模型，建立了汽車的四輪轉向控制系統的運動通過微分方程，運用?MATLAB/Simulink?對模型可以進行設計相應的仿真結果分析，構建仿真模型，之后在低速和高速下對四輪轉向系統仿真進行對比分析。

1.2? 課程設計基本問題

課程設計主要包括四輪轉向系統的二自由度模型的建立，四輪轉向系統兩自由度模型的仿真分析，低速和高速的仿真對比分析等工作。

假設汽車做等速直線運動，汽車的前后輪轉角是二自由度系統的輸入，同時不考慮汽車模型的懸架，即將簧載質量和非簧載質量當做一部分，忽略地面變化對輪胎側偏特性的影響，在忽略負荷汽車輪胎的轉彎特性的影響，忽略汽車的回正力矩，將輪胎側偏特性進行考慮為線性的，汽車可以左右結構對稱。

1.3 課程設計的工具

1980年開始出現了很多科學計算語言，包括MATLAB語言，c語言等，此次課程設計我們主要運用“Matlab Simulink"這方面的知識。MATLAB有矩陣實驗室的意思，在矩陣計算等方面運用較多。在現代的科學研究領域和工程仿真設計領域有著十分廣泛的應用前景。

MATLAB是矩陣實驗室是美國MathWorks公司出品數學教學軟件，用于學習算法研究開發、數據信息可視化、數據分析問題以及通過數值方法計算的高級管理技術可以計算語言和交互式網絡環境，面向工程應用的主要內容包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是在1984年由美國的MathWorks公司的研發，設計，推廣出去，經過不斷的發展歷史，改進和更新，最終發展成為國際公認的，優良的，完善的科學計算應用程序開發環境之一。

Simulink的是一個軟件包，MATLAB作為包，這是一個軟件包，可用于建模，仿真和活力的機構的分析設計的基礎。

我們只從名字上就可以知道，“Simulink" 有著兩層表面上的含義：

（1）它是可以用于系統仿真的軟件。

（2）它是能夠進行系統連接的程序。

在該軟件環境發展情況之下，我們可以在電腦數據顯示屏幕上直接通過調用已經普遍存在的軟件功能模塊，并將這些企業軟件管理模塊按照學生自己的想法連接起來，以構成新的、系統的模型，這即是所謂的-可視化建模。Simulink由于我們這些功能強大、使用一個簡單方便的好處，現在中國已經發展成為企業應用面積最廣泛的動態管理系統的仿真軟件。

Simulink由于我們這些功能強大、使用一個簡單方便的好處，現在中國已經發展成為企業應用面積最廣泛的動態管理系統的仿真軟件。

本設計以汽車的四輪轉向系統為研究對象。考慮汽車的四輪轉向系統的實際參數將四輪轉向系統簡化成而二自由度模型，建立了汽車的四輪轉向系統的運動微分方程，運用MATLAB m文件和 MATLAB/Simulink 對模型進行相應的數據輸入和仿真分析，構建仿真模型，之后在低速和高速下對四輪轉向系統仿真進行對比分析。

參考文獻：

[1]? 周佳. 四輪轉向系統控制策略對比研究[D]. 2015.

[2]? 郭孔輝，軋浩. 車輛四輪轉向系統的控制方法[J]. 吉林工業大學學報，1998，028（004）：1-4.

[3]? 胡國強. 汽車四輪轉向系統轉向特性的研究[D]. 武漢理工大學，2012.

[4]? 來飛，鄧兆祥，董紅亮，等. 汽車主動懸架和四輪轉向系統的綜合控制[J]. 振動與沖擊，2009（04）：164-167+217.

（作者單位：臨沂大學）