2024年4月6日发(作者：森晴丽)
第２８卷第３期
文章编号：１００６—９３４８（２０１１）０３—０３３０—０５
计算机仿真 ２０１１年３月
摩托车整车性能仿真系统 的研究
段其昌 ，李黎 ，段盼
（１．重庆大学自动化学院，重庆４０００４４；２．重庆大学电气工程学院，重庆４０００４４）
摘要：研究摩托车整车的动特性问题，为了研究摩托车在实际道路工况下的整车性能，为了保证行驶的稳定性，建立了模拟
驾驶的摩托车整车性能试验的动态系统模型。针对目前研究方法存在的“控制性能差”等问题，利用发动机台架试验数据，
采用曲面拟合方法，建立发动机稳态数学模型，根据行驶动力学方程和其非线性特点，应用分段线性化方法，分别建立了道
路负载模型和整车速度模型，设计模糊控制器和ＰＩＤ控制器，仿真整车驾驶。通过计算机仿真完成摩托车整车性能试验，得
到在目标车速下的车速、油门开度和发动机响应曲线。为验证整个系统模型的正确性，进行结果对比和仿真分析，表明提出
仿真模型是正确的，可保证各种工况下的稳定运行。
关键词：发动机模型；道路负载模型；模拟驾驶；整车性能试验
中圈分类号＿＇ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ｂ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｔｅｓｔ
ＤＵＡＮ Ｑｉ—ｃｈａｎｇ ，ＬＩ Ｌｉ ，ＤＵＡＮ Ｐａｎ
（１．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４４，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４４，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｄｙｎａｍｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ—ｄｒｉｖｉｎｇ，ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔＯ
ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｒｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ａｉｍｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅｔｈ—
ｏｄｓ ｓｕｃｈ ａｓ’’ｌｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅ”，ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｗｏｒｋ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｏｎｅ．Ｔｈｅ ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｅｎｇｉｎｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｂｕｉｌｔ
ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒｉｚｅｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，
ｔｈｅ ｒｏａｄ ｌｏａｄ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｐｅｅｄ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ｐｉｅｃｅ—ｗｉｓｅ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，Ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ
ａｎｄ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ａｙｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｏｄｅ１．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｍｏｄｕｌｅｓ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ
ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｐｅｅｄ，ｔｈｒｏｔｔｌｅ ｏｐｅｎｉｎｇ
ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄａｔａ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｄａｔａ ｗｈｉｃｈ
ｒｅ ａｃｑｕｉａｒｅｄ ｆｒｏｍ ｃｈａｓｓｉｓ ｄｙｎａｍｏｍｅｔｅｒ ｗａｓ ｍａｄｅ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｒｏｏｄ－
ｅｌ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｃｔ．
ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｅｎｇｉｎｅ ｍｏｄｅｌ；Ｒｏａｄ ｌｏａｄ ｍｏｄｅｌ；Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｄｒｉｖｉｎｇ；Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ
１ 引言
摩托车整车性能试验、发动机台架试验是摩托车产品设
传动系统模型嵌入到整车试验仿真系统来仿真摩托车在道
路行驶中的起步、加速和制动等动态响应过程。本文利用发
计开发，性能检测的重要试验步骤 Ｊ。现阶段行业中发动机
试验和整车试验均分步进行，测试周期长，任务繁重，设备投
入巨大，严重影响行业的发展。国内研究中，文献［２］所给出
较为简化的动力学模型存在不能很好地模拟整车起步过程
中车速和发动机运转速度的变化等问题；国外已开发基于汽
车整车性能仿真系统ＡＤＡＭＳ／ｃａｒ，但也存在测试标准差异和
低速时车速难以控制等问题 Ｊ。本文先以３０ｋＷ摩托车发
动机性能台架试验为基础建立发动机数学模型 。然后，
将道路试验工况、驾驶员模型、发动机模型、道路阻力模型和
收稿日期：２００９—１２—０９修回日期：２０１０—０２—１ １
－－－——
动机台架试验数据构建整车试验仿真系统来代替大部分整
车性能试验，使摩托车的研发周期大大缩减，节约试验投人
成本。
２发动机数学模型的建立
发动机性能特性曲线拟合通常采用多项式，其速度特性
模型通式为：
ｋ
Ｍ ＝∑Ａ ｎ
多项式拟合系数；Ｋ多项式次数。
（１）
式中：肘 发动机输出扭矩（Ｎ・ｍ）；ｎ发动机转速（ｒ／ｍｉｎ）；Ａ
３３０・－－——
对台架试验数据采用最小二乘拟合，得到油门开度为
时的输出扭矩方程用式（２）表示。
Ｍ ＝，（ ， ）
特性试验数据表示为同维矩阵，矩阵形式表示如下：
油门开度：
＝
３ 传动系统模型和道路负荷模型
３．１摩托车传动系统
摩托车是由发动机曲轴输出扭矩，经离合器、变速传动
系统（降速增矩作用）传递绐驱动轮足够大的驱动扭矩，其
对地面产生一圆周力，地面的ｌ孽擦力作用给驱动轮一反作用
力驱动摩托车行驶 Ｊ。
（２）
为了便于曲面拟合，将ｋ组不同油门开度下测得的速度
｛Ｏｔ ｝ｌ
｛ｎ ｝
（３）
（４）
（５）
＝ ＝ ＝ — —卫— 丝ｔ』』
： ： ：
（（）Ｎ） （８）（）
发动机转速：
＝
式中： 摩托车的驱动力（Ｎ）；Ｆｏ驱动轮对地面产生的圆周
力（Ｎ）； 驱动轮上的驱动扭匝（Ｎ・ｍ）；ｒ驱动轮半径（ｍ）；
发动机扭矩：
Ｍ ＝｛ｍ Ｉ
摩托车发动机曲轴输出扭矩（Ｎ・ｍ）；ｉ。一次传动比； 变
ｎ 表示在第ｉ个油门开度下，采集系统按等间隔所取得
的发动机的转速（ｒ／ｍｉｎ）；
ｍ 表示在第ｉ个油门开度下，在发动机扭矩曲线上对应
的发动机转速点所取得的扭矩值（Ｎ・ｍ）；
’根据台架试验得出发动机不同工况（油门开度、曲轴转
速）下发动机输出扭矩，通过插值、曲面拟合的方法，得出发
动机速度特性的曲面图如图１所示。
３５
目３０
Ｚ
２５
要２０
舞
１５
１００
１０ １００００
８０ｏ０ 、
５０
ｓｏｏｂ、 一
发动机转速Ｎｅ，（ｒ，ｍ－ｍ）４ｏ５ｏ
油门开度ａ／％
０
图１ 拟合后的扭矩与转速、油门开度曲面
根据力学原理，发动机的角加速度 主要由发动机的
输出扭矩和发动机的负载扭矩之差所决定的：
（ 一 ） …
山ｅ — 。Ｊ
式中， 为发动机输出扭矩（Ｎ・ｍ）； 为发动机负载扭矩
（Ｎ・ｍ）； 为发动机转动惯量。
为了反映发动机加速过程时的实际工况，引入扭矩下降
系数来修正发动机稳态模型的输出扭矩，修正量与发动机角
加速度成比例关系，扭矩下降系数取值为（０．Ｏ７—０．０９），具
体可参考文献［１］。
Ｍｅ＝ ａ，ｎ ）（１一Ａ ） （７）
式中： 为油门开度， 为当前发动机转速，Ａ为摩托车
发动机加速状态下的输出扭矩下降系数。
结合（６）（７）式，可得到在油门开度为 时，发动机实际
输出扭矩。
速器传动比； ：二次传动比； 传动变速系统总传动效率。
３．２ 摩托车行车阻力模型 建立
根据文献［４］，摩托车在 直道路上稳态行驶时的行驶
动力学方程为：
＝０。＋０ｌ ＋ ＋６ｍ警 （９）
０ｏ＝Ｃｆｏ １
。－ ｝ （１０）
ｎ２＝ＣＤＡＤ／２Ｉ．１５＋ ｌ
Ｇ：，
Ｊ
式中， 为驱动力（Ｎ）；ｍ为摩托车质量（培）；占为摩托车旋
转质量转换系数； 为车速（ｋｍ／ｈ）；ｃ。为空气阻力系数；Ａ。
为摩托车有效迎风面积（ｍ ） 为基本的路面滚动阻力系
数 为速度一次方影响的滚：’力阻力系数 为速度二次方影
响的滚动阻力系数；０为坡度角（ｒａｄ）；ｇ为重力加速度
（ｍ／ｓ ）。
摩托车在平直道路上滑，ｆ 时Ｆｚ＝０，由式（９）、（１０）得
出方程式（１１），化简得到方程式（１２）。
８ｍ （Ｉｖ
（１＋ ＋ ） ＣＤＡ
百Ｄｖ２（１１）
一
＝
一
６ｍｄｖ／ｄｔ＝． ０＋ｏｌ ＋ ２
ｄｖ／ｄｔ＝ｂ０＋ｂｌ ＋６２ （１２）
通过不同的道路滑行试验求得ｂ。、ｂ。、ｂ：再将其代入式
（１２）求得。０、０１、０２。
本文仿真系统参考的摩托车动力系统主要参数：摩托车
加载质量１０２ｋｇ，总传动比３．４０２，滚动阻力系数０．０１８，车后
轮半径０．２７５ｍ，风阻系数０．４３，迎风面积０．６ ｍ ，发动机最
大功率３０ｋＷ。测试得到某国・ 摩托车在同一路面的５组道
路滑行数据，经过滤波处理，以消除随机激励对试验结果的
影响。利用处理后的Ｆ一”势据，根据上式求得Ｏ，０、ｏ 、ｎ ，得
到试验摩托车的行车阻力曲曼． 如图２所示。
３．３ 摩托车速度模型的近似处理
为了得到摩托车整车试验时驱动力与车速大小的关系，
根据行驶动力学方程建立行驶模型。式（９）为一非线性方
程，对其建模需进行线性化近以处理，用泰勒级数对其展开：
＝口０＋（Ｘ１ ＋口２ ０ ＋
２×Ⅱ２ ） 安 ‘ 。’
一
３３１—
量
盏
是
摩托车速度ｖ／（ｍ／ｓ）
图２ 道路仿真试验结果
＝ａｍ ｄ ｖ
＋（。１＋２ｎ２ 。） ｆｌ４）
（Ⅱ２ ｏ 一ａ０）
其中 。为摩托车工作的某工况点；假定摩托车时速在０
～
ｌＯＯｋｍ／ｈ行驶范围内，现将其区间划分为６个区段，每个区
段的初始速度为 ，将单位转换为ｍ／ｓ，如表１所示。
两边取拉普拉氏变换有：
（ ）
＝
ａ
ｅｒｓ
＋（
口ｌ＋ ２）
２ａ Ｕ０
（１５）
根据式（１４）、（１５），建立６种线性近似处理的摩托车整
车速度模型来满足不同速度区间模型仿真的需要。
表１ 线性化模型的速度分段表
４ 驾驶员操作仿真
本文考虑一般行驶的驾驶操作，一般行驶是指离合器完
全结合，驾驶员通过操纵油门开度和制动踏板来控制车速，
此时发动机输出转矩等于传动系的主动轴的制动转矩 。
驾驶员在对整车控制的过程中存在许多不确定性，这主
要依赖于驾驶员的经验，驾驶员总是依据某些推理规则来实
现对整车的控制。驾驶模拟是一个非常复杂的推理决策过
程，用设计的控制器代替有经验的驾驶员，模拟驾驶员对摩
托车传动系统的操纵动作。根据文献［６，８］，驾驶员模拟采
用闭环控制，其原理如图３所示。
模拟驾驶模型包括油门控制器和制动力控制器模型。
根据文献［７，９］，油门控制器可选择增量模糊控制器，模糊控
制器的输出为油门开度变化量，模糊控制器的输人为目标车
速和实际车速的差值以及差值的变化率。油门模糊控制原
理如图４所示。
车速的差值以及差值的变化率表达式如下：
．．．——
３３２．．．——
实际车速
图３ 驾驶员控制原理图
图４ 模糊控制器设计图
Ｅ（ｔ）＝（ （ｔ）一 （ｔ））／ １
△ （ ）＝（ （ 一Ａｔ） （ ）） ｌ
△ｕ （ｔ）＝ Ｋ￣ｚＩＵ
Ｏｌ ｔ
（）： （
一
ｔ ａｔ）＋／
＋
ｔｕ Ｊ
ｌ
（１６）
式中， 。（ｔ）为目标车速； （ｔ）为实际车速；ｔ，ａｔ为当前时刻
和采样问隔；Ｅ（ｔ），ＡＥ（￡）为模糊控制器的归一化差值和差
值变化率； ， 为车速差值和差值变化率归一化的量化
因子；Ｋ 为模糊控制器输出的比例因子；ＡＵ，／ｔｕ（ｔ）为模糊
控制器的输出和解模糊输出； ）， （ 一Ａｔ）为当前采样和
前一采样时间的油门开度。
模糊控制器输入的模糊集合｛ＥＮＢ（负大），ＥＮＳ（负
小），ＥＺＥ（零），ＥＰＳ（正小），ＥＰＢ（正大）｝，｛ＤＮＢ（负
大），ＤＮＳ（负小），ＤＺＥ（零），ＤＰＳ（正小），ＤＰＢ（正大）｝；
输入的模糊变量集合为｛一１，一０．５，０，０．５，ｌ｝。模糊控
制器输出的模糊集｛ＵＮＢ（负大），ＵＮＭ（负中），ＵＮＳ（负
小），ＵＺＥ（零），ＵＰＳ（正小），ＵＰＭ（正中），ｕ肋（正大）｝；
输出的模糊变量集合为｛一１，一０．６，一０．３，０，０．３，０．６，
１｝。采用三角形函数作为输人变量和输出变量的模糊化隶
属度函数，如图５、６所示。表中 一，Ｄ一分别模糊控制器
的归一化差值和差值变化率，Ｕ一为模糊控制器的输出，模
糊控制规则如表２所示。
表２ 控制油门开度的模糊规则
推理方法采用最大一最小推理法。模糊推理得出的是
模糊量，实际控制则必须为清晰量，因此需要将模糊量转化
为清晰量。限于篇幅，不对清晰化作详细论述，详见文献［７，
９］。
输出扭矩 阻力扭
图５ 输入变量（Ｅ、△Ｅ）的模糊隶属度函数
ＮＢ ＮＭ Ｎｓ ｚＥ●ＰＳ ＰＭ ＰＢ
图７ 仿真系统设计原理图
度和制动力矩。控制系统可以根据传动系统反馈的发动机
＞＜ ＞＜ × ＞＜
转速、输出扭矩和整车车速，输出制动扭矩到驱动轮。
６ 整车试验动力学仿真及结果分析
图６ 输出变量（△ ）的模糊隶属度函数
如图８所示仿真系统中，发动机模型的输出扭矩，经过
离合器后克服摩托车运行时各种阻力矩，再经过变速器传递
到驱动轮，形成摩托车驱动力 。以驱动力为输入，整车速
制动控制器为ＰＩＤ控制器。制动力矩由实际车速与理
度模型输出整车行驶车速 （ｋｍ／ｈ）。整车车速”通过 —
想车速的差值来决定，控制器的输出为制动踏板的行程。根
据文献［５］，制动控制器的表达式为：
转换模块反馈到发动机模型的输入端 ，形成整车车速闭
环；在速度设定端，速度设定值与整车车速 的差 作为驾
Ａｖ＝ｍａｘ（Ｏ， （ｔ）一Ｕｏ（ ）） １
驶员模型输入，控制整车的油门开度和制动力。摩托车运行
．
卢 ＝ ＋ｋ ｄｔ＋ｋ￣ｖ／Ａｔ｝
１
（１７）
时阻力矩 （等效到离合器输入轴）分别由道路负荷模型输
０ ｌ
Ｊ
出的道路阻力矩、空气阻力矩和制动力矩等共同作用。基于
： 卢
前述各子系统模型，构建整车系统在实际工况下的仿真模
式中 为目标车速和实际车速的速度差；ｋｐ，ｋ ，ｋ 为控
型，并在Ｍａｔｌａｂ＼＼Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真环境下实现整车性能试验的
制器的ＰＩＤ参数； 为制动踏板行程；７ 为最大制动扭矩；
仿真系统。
实际的制动扭矩。
本文只针对摩托车在平直路面工况下的整车性能试验
做仿真及结果的分析。图９．ａ为设
定行驶目标车速为８０ｋｍ／ｈ时，摩托
车车速和油门开度的仿真变化过程。
如图示，发动机从怠速工况进入高速
工况的同时，整车由停止状态进人加
速状态，随着行驶速度增大，道路阻
力、空气阻力逐渐加大，同时需要克
服较大的加速阻力，油门开度处于全
开状态。随着目标车速跟近，行驶工
况从加速过渡到恒速工况，油门开度
减小，进人保持状态（４７％），仅用以
图８ 整车系统仿真框图
克服道路行驶阻力和空气阻力。从
仿真结果可以得出系统有较小超调
５ 试验仿真系统的总体方案
后收敛到目标车速，过渡过程平稳。
试验仿真系统主要分为动力系统、传动系统、控制系统
图９．ｂ为整车性能试验仿真过程中，摩托车发动机转速
和道路阻力加载系统四个子系统。整个系统模拟摩托车整
响应曲线。发动机转速Ｎ 从怠速工况（３４００ ｒ／ｍｉｎ）达到最
车在实际道路工况下运行的动态过程，其系统仿真原理如图
大加速工况（７０００ ｒ／ｍｉｎ），然后进入恒速工况（６０００ ｒ／ｒａｉｎ）。
７所示。
在加速过程中，油门开度ｄ保持全开状态，Ｎ 快速升到７０００
系统建立发动机模型和道路负载模型，仿真整车运行时
ｒ／ｍｉｎ，以输出最大扭矩。在达到目标车速后，油门开度０【下
的发动机工况和道路负载状况，参数包括：发动机驱动力矩
降，Ｎ 达到６０００ ｒ／ｍｉｎ，在恒速工况，输出最大扭矩。
（输出扭矩）和阻力矩。控制系统模型模拟驾驶员在当前路
以上结论可以通过下面实测数据得到验证。图１０为摩
况下对整车的操作，参数包括：行驶车速、节气门（油门）开
托车发动机在５种不同油门开度下速度特性实测曲线，发动
．．．．——
３３３．．．．——
机输出扭矩、发动机输出功率和发动机油耗率三组曲线簇如
图所示。由实测数据分析得出，油门开度在大于５０％时，摩
托车最佳动力性能转速点分布在７０００ ｒ／ｍｉｎ附近，即摩托车
可以输出最大扭矩和功率。油门开度在２５～５０％范围内时，
最佳动力性能转速点分布在６０００ ｒ／ｍｉｎ附近。怠速工况转
、埘 ＬＩ景越一 ａ蜀一、髓捌奸铡
速点分布在３５００ ｒ／ｍｉｎ附近。
综上所述，通过仿真结果和实测结果的对比，仿真系统
加 ∞ 舳 ∞ 蚰 加
一口 曼 鞠辛聿幂稃越＊ 避
舢 舢 ㈣ 姗 伽 姗 舢
能较准确的反映摩托车在平直道路上的起动、加速过程。在
摩托车整车加速工况和恒速工况中，发动机均处于最佳动力
性能状态。
最大油门—、
开度状态 ～～
／
／
。＼ 砸／、 恒。速状希
／ 整车加自
●
Ｅ状态
＼
进 保持状态
～
，
，
，
，
，
ｔ自门开度
０ ｌ０ ２０ ３０ ４０ ５Ｏ ６Ｏ
仿真时间，ｓ
（ａ）油门开度及行驶速度仿真结果
／ —，最大 矩输 ＼ 、
／ ｔ ｉ逮工况
，
自ｊ塞 工况
０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６Ｏ
仿真时问／８
（ｂ）发动机响应曲线仿真结果
图９仿真试验结果
７结束语
本文利用发动机台架试验和道路滑行试验数据，建立能
够满足摩托车整车性能试验的虚拟试验环境的系统模型，使
传统方法所存在问题，得到较好的解决。基于模糊控制和
ＰＩＤ控制，建立驾驶员操作模型使整车行驶控制由控制算法
完成，减少了人为操作的随机性。从系统响应和仿真分析来
看，系统仿真试验与速度试验结果对比一致性较好，表明系
统能正确仿真整车试验动态过程。利用发动机台架试验数
据构建整车试验仿真系统，来代替大部分摩托车整车道路性
能试验，作为本系统研究的主要内容，具有很高的研究价值。
从研发新产品方面考虑，缩短了摩托车的研发周期；从经济
性来考虑，节省了整车性能试验所需的试验设备、燃油、技术
方面的投入。
参考文献：
［１］黎苏，黎晓鹰，黎志勤．汽车发动机动态过程及其控制［Ｍ］
北京：人民交通出版社，２００１．
［２］曹辉，等．基于动力学分析的驾驶模拟器运动仿真算法［Ｊ］
．．－——
３３４－－－——
２０００ ３０００ ４０００ ５０００ ６００Ｏ ７０００ ８０００ ９ＯＯ０ Ｌ００００
图１０发动机速度特性试验实测曲线
武汉理工大学学报（交通科学与工程版），２００５，６（３）．
［３］ 程超，王登峰，秦民．利用试验数据控制汽车模型驾驶行为
［Ｊ］．计算机仿真，２００６，２３（５）．
［４］ 韩宗奇，苏亮．测定汽车空气阻力系数的方法［Ｊ］．汽车工程，
２００２，２４（４）．
［５］周支山，蔡源春，张飞铁，刘金刚．ＣＶＴ传动系统虚拟试验系统
研究［Ｊ］．中国机械工程，２００８，２２（１９）．
［６］柴山，荆旭，王龙江，王树风，刚宪约，焦学键．基于汽车系统动
力学的虚拟驾驶仿真模型研究［Ｊ］．系统仿真学报，２００９，２１
（８）．
［７］Ｆ Ｕ Ｓｙｅｄ，Ｈ Ｙｉｎｇ，Ｍ Ｋｕａｎｇ，Ｓ Ｏｋｕｂｏ，Ｍ Ｓｍｉｔｈ．Ｒｕｌｅ—Ｂａｓｅｄ
Ｆｕｚｚｙ Ｇａｉｎ—Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ＰＩ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｔｏ Ｉｍｐｒｏｖｅ Ｅｎｇｉｎｅ Ｓｐｅｅｄ ａｎｄ
Ｐｏｗｅｒ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｉｎ ａ Ｐｏｗｅｒ—ｓｐｌｉｔ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｃ］．Ｉｎ：
Ｆｕｚｚｙ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００６．ＮＡＦＩＰＳ２００６．Ａｎｎｕ－
ｌａ ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＮｏＡｈ Ａｍｅｒｉｃａｎ ３—６ Ｊｕｎｅ ２００６．２８４—２８９．
［８］蔡忠法，章安元．汽车模拟驾驶模型与仿真的研究［Ｊ］．浙江
大学学报（工学版），２００２，３６（２）．
［９］ Ｒ Ｓ Ｓｈａｒｐ．Ｏｐｔｉｍａｌ ｌｉｎｅａｒ ｔｉｍｅ－ｉｎｖａｒｉａｎｔ ｐｒｅｖｉｅｗ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｆｏｒ ｍｏｔｏｒｃｙｅｌｅｓ［Ｊ］．Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，２００６，４４（９）：３２９
—．
３４０
［作者简介］
段其昌（１９５３一），男（汉族），四川省内江人，教授，
硕士研究生导师，主要研究领域为测控系统、太阳
能、风能发电等；
李 黎（１９８４一），男（汉族），陕西省商洛人，硕士研
究生，主要研究方向为虚拟仪器技术，智能测控技
术；
段盼（１９８６一），男（汉族），重庆人，硕士研究生，主要研究方向为
电力系统可靠性理论与优化控制。
2024年4月6日发(作者：森晴丽)
第２８卷第３期
文章编号：１００６—９３４８（２０１１）０３—０３３０—０５
计算机仿真 ２０１１年３月
摩托车整车性能仿真系统 的研究
段其昌 ，李黎 ，段盼
（１．重庆大学自动化学院，重庆４０００４４；２．重庆大学电气工程学院，重庆４０００４４）
摘要：研究摩托车整车的动特性问题，为了研究摩托车在实际道路工况下的整车性能，为了保证行驶的稳定性，建立了模拟
驾驶的摩托车整车性能试验的动态系统模型。针对目前研究方法存在的“控制性能差”等问题，利用发动机台架试验数据，
采用曲面拟合方法，建立发动机稳态数学模型，根据行驶动力学方程和其非线性特点，应用分段线性化方法，分别建立了道
路负载模型和整车速度模型，设计模糊控制器和ＰＩＤ控制器，仿真整车驾驶。通过计算机仿真完成摩托车整车性能试验，得
到在目标车速下的车速、油门开度和发动机响应曲线。为验证整个系统模型的正确性，进行结果对比和仿真分析，表明提出
仿真模型是正确的，可保证各种工况下的稳定运行。
关键词：发动机模型；道路负载模型；模拟驾驶；整车性能试验
中圈分类号＿＇ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ｂ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｔｅｓｔ
ＤＵＡＮ Ｑｉ—ｃｈａｎｇ ，ＬＩ Ｌｉ ，ＤＵＡＮ Ｐａｎ
（１．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４４，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４４，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｄｙｎａｍｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ—ｄｒｉｖｉｎｇ，ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔＯ
ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｒｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ａｉｍｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅｔｈ—
ｏｄｓ ｓｕｃｈ ａｓ’’ｌｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅ”，ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｗｏｒｋ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｏｎｅ．Ｔｈｅ ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｅｎｇｉｎｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｂｕｉｌｔ
ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒｉｚｅｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，
ｔｈｅ ｒｏａｄ ｌｏａｄ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｐｅｅｄ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ｐｉｅｃｅ—ｗｉｓｅ ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，Ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ
ａｎｄ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ａｙｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｏｄｅ１．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｍｏｄｕｌｅｓ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ
ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｐｅｅｄ，ｔｈｒｏｔｔｌｅ ｏｐｅｎｉｎｇ
ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄａｔａ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｄａｔａ ｗｈｉｃｈ
ｒｅ ａｃｑｕｉａｒｅｄ ｆｒｏｍ ｃｈａｓｓｉｓ ｄｙｎａｍｏｍｅｔｅｒ ｗａｓ ｍａｄｅ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｒｏｏｄ－
ｅｌ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｃｔ．
ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｅｎｇｉｎｅ ｍｏｄｅｌ；Ｒｏａｄ ｌｏａｄ ｍｏｄｅｌ；Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｄｒｉｖｉｎｇ；Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ
１ 引言
摩托车整车性能试验、发动机台架试验是摩托车产品设
传动系统模型嵌入到整车试验仿真系统来仿真摩托车在道
路行驶中的起步、加速和制动等动态响应过程。本文利用发
计开发，性能检测的重要试验步骤 Ｊ。现阶段行业中发动机
试验和整车试验均分步进行，测试周期长，任务繁重，设备投
入巨大，严重影响行业的发展。国内研究中，文献［２］所给出
较为简化的动力学模型存在不能很好地模拟整车起步过程
中车速和发动机运转速度的变化等问题；国外已开发基于汽
车整车性能仿真系统ＡＤＡＭＳ／ｃａｒ，但也存在测试标准差异和
低速时车速难以控制等问题 Ｊ。本文先以３０ｋＷ摩托车发
动机性能台架试验为基础建立发动机数学模型 。然后，
将道路试验工况、驾驶员模型、发动机模型、道路阻力模型和
收稿日期：２００９—１２—０９修回日期：２０１０—０２—１ １
－－－——
动机台架试验数据构建整车试验仿真系统来代替大部分整
车性能试验，使摩托车的研发周期大大缩减，节约试验投人
成本。
２发动机数学模型的建立
发动机性能特性曲线拟合通常采用多项式，其速度特性
模型通式为：
ｋ
Ｍ ＝∑Ａ ｎ
多项式拟合系数；Ｋ多项式次数。
（１）
式中：肘 发动机输出扭矩（Ｎ・ｍ）；ｎ发动机转速（ｒ／ｍｉｎ）；Ａ
３３０・－－——
对台架试验数据采用最小二乘拟合，得到油门开度为
时的输出扭矩方程用式（２）表示。
Ｍ ＝，（ ， ）
特性试验数据表示为同维矩阵，矩阵形式表示如下：
油门开度：
＝
３ 传动系统模型和道路负荷模型
３．１摩托车传动系统
摩托车是由发动机曲轴输出扭矩，经离合器、变速传动
系统（降速增矩作用）传递绐驱动轮足够大的驱动扭矩，其
对地面产生一圆周力，地面的ｌ孽擦力作用给驱动轮一反作用
力驱动摩托车行驶 Ｊ。
（２）
为了便于曲面拟合，将ｋ组不同油门开度下测得的速度
｛Ｏｔ ｝ｌ
｛ｎ ｝
（３）
（４）
（５）
＝ ＝ ＝ — —卫— 丝ｔ』』
： ： ：
（（）Ｎ） （８）（）
发动机转速：
＝
式中： 摩托车的驱动力（Ｎ）；Ｆｏ驱动轮对地面产生的圆周
力（Ｎ）； 驱动轮上的驱动扭匝（Ｎ・ｍ）；ｒ驱动轮半径（ｍ）；
发动机扭矩：
Ｍ ＝｛ｍ Ｉ
摩托车发动机曲轴输出扭矩（Ｎ・ｍ）；ｉ。一次传动比； 变
ｎ 表示在第ｉ个油门开度下，采集系统按等间隔所取得
的发动机的转速（ｒ／ｍｉｎ）；
ｍ 表示在第ｉ个油门开度下，在发动机扭矩曲线上对应
的发动机转速点所取得的扭矩值（Ｎ・ｍ）；
’根据台架试验得出发动机不同工况（油门开度、曲轴转
速）下发动机输出扭矩，通过插值、曲面拟合的方法，得出发
动机速度特性的曲面图如图１所示。
３５
目３０
Ｚ
２５
要２０
舞
１５
１００
１０ １００００
８０ｏ０ 、
５０
ｓｏｏｂ、 一
发动机转速Ｎｅ，（ｒ，ｍ－ｍ）４ｏ５ｏ
油门开度ａ／％
０
图１ 拟合后的扭矩与转速、油门开度曲面
根据力学原理，发动机的角加速度 主要由发动机的
输出扭矩和发动机的负载扭矩之差所决定的：
（ 一 ） …
山ｅ — 。Ｊ
式中， 为发动机输出扭矩（Ｎ・ｍ）； 为发动机负载扭矩
（Ｎ・ｍ）； 为发动机转动惯量。
为了反映发动机加速过程时的实际工况，引入扭矩下降
系数来修正发动机稳态模型的输出扭矩，修正量与发动机角
加速度成比例关系，扭矩下降系数取值为（０．Ｏ７—０．０９），具
体可参考文献［１］。
Ｍｅ＝ ａ，ｎ ）（１一Ａ ） （７）
式中： 为油门开度， 为当前发动机转速，Ａ为摩托车
发动机加速状态下的输出扭矩下降系数。
结合（６）（７）式，可得到在油门开度为 时，发动机实际
输出扭矩。
速器传动比； ：二次传动比； 传动变速系统总传动效率。
３．２ 摩托车行车阻力模型 建立
根据文献［４］，摩托车在 直道路上稳态行驶时的行驶
动力学方程为：
＝０。＋０ｌ ＋ ＋６ｍ警 （９）
０ｏ＝Ｃｆｏ １
。－ ｝ （１０）
ｎ２＝ＣＤＡＤ／２Ｉ．１５＋ ｌ
Ｇ：，
Ｊ
式中， 为驱动力（Ｎ）；ｍ为摩托车质量（培）；占为摩托车旋
转质量转换系数； 为车速（ｋｍ／ｈ）；ｃ。为空气阻力系数；Ａ。
为摩托车有效迎风面积（ｍ ） 为基本的路面滚动阻力系
数 为速度一次方影响的滚：’力阻力系数 为速度二次方影
响的滚动阻力系数；０为坡度角（ｒａｄ）；ｇ为重力加速度
（ｍ／ｓ ）。
摩托车在平直道路上滑，ｆ 时Ｆｚ＝０，由式（９）、（１０）得
出方程式（１１），化简得到方程式（１２）。
８ｍ （Ｉｖ
（１＋ ＋ ） ＣＤＡ
百Ｄｖ２（１１）
一
＝
一
６ｍｄｖ／ｄｔ＝． ０＋ｏｌ ＋ ２
ｄｖ／ｄｔ＝ｂ０＋ｂｌ ＋６２ （１２）
通过不同的道路滑行试验求得ｂ。、ｂ。、ｂ：再将其代入式
（１２）求得。０、０１、０２。
本文仿真系统参考的摩托车动力系统主要参数：摩托车
加载质量１０２ｋｇ，总传动比３．４０２，滚动阻力系数０．０１８，车后
轮半径０．２７５ｍ，风阻系数０．４３，迎风面积０．６ ｍ ，发动机最
大功率３０ｋＷ。测试得到某国・ 摩托车在同一路面的５组道
路滑行数据，经过滤波处理，以消除随机激励对试验结果的
影响。利用处理后的Ｆ一”势据，根据上式求得Ｏ，０、ｏ 、ｎ ，得
到试验摩托车的行车阻力曲曼． 如图２所示。
３．３ 摩托车速度模型的近似处理
为了得到摩托车整车试验时驱动力与车速大小的关系，
根据行驶动力学方程建立行驶模型。式（９）为一非线性方
程，对其建模需进行线性化近以处理，用泰勒级数对其展开：
＝口０＋（Ｘ１ ＋口２ ０ ＋
２×Ⅱ２ ） 安 ‘ 。’
一
３３１—
量
盏
是
摩托车速度ｖ／（ｍ／ｓ）
图２ 道路仿真试验结果
＝ａｍ ｄ ｖ
＋（。１＋２ｎ２ 。） ｆｌ４）
（Ⅱ２ ｏ 一ａ０）
其中 。为摩托车工作的某工况点；假定摩托车时速在０
～
ｌＯＯｋｍ／ｈ行驶范围内，现将其区间划分为６个区段，每个区
段的初始速度为 ，将单位转换为ｍ／ｓ，如表１所示。
两边取拉普拉氏变换有：
（ ）
＝
ａ
ｅｒｓ
＋（
口ｌ＋ ２）
２ａ Ｕ０
（１５）
根据式（１４）、（１５），建立６种线性近似处理的摩托车整
车速度模型来满足不同速度区间模型仿真的需要。
表１ 线性化模型的速度分段表
４ 驾驶员操作仿真
本文考虑一般行驶的驾驶操作，一般行驶是指离合器完
全结合，驾驶员通过操纵油门开度和制动踏板来控制车速，
此时发动机输出转矩等于传动系的主动轴的制动转矩 。
驾驶员在对整车控制的过程中存在许多不确定性，这主
要依赖于驾驶员的经验，驾驶员总是依据某些推理规则来实
现对整车的控制。驾驶模拟是一个非常复杂的推理决策过
程，用设计的控制器代替有经验的驾驶员，模拟驾驶员对摩
托车传动系统的操纵动作。根据文献［６，８］，驾驶员模拟采
用闭环控制，其原理如图３所示。
模拟驾驶模型包括油门控制器和制动力控制器模型。
根据文献［７，９］，油门控制器可选择增量模糊控制器，模糊控
制器的输出为油门开度变化量，模糊控制器的输人为目标车
速和实际车速的差值以及差值的变化率。油门模糊控制原
理如图４所示。
车速的差值以及差值的变化率表达式如下：
．．．——
３３２．．．——
实际车速
图３ 驾驶员控制原理图
图４ 模糊控制器设计图
Ｅ（ｔ）＝（ （ｔ）一 （ｔ））／ １
△ （ ）＝（ （ 一Ａｔ） （ ）） ｌ
△ｕ （ｔ）＝ Ｋ￣ｚＩＵ
Ｏｌ ｔ
（）： （
一
ｔ ａｔ）＋／
＋
ｔｕ Ｊ
ｌ
（１６）
式中， 。（ｔ）为目标车速； （ｔ）为实际车速；ｔ，ａｔ为当前时刻
和采样问隔；Ｅ（ｔ），ＡＥ（￡）为模糊控制器的归一化差值和差
值变化率； ， 为车速差值和差值变化率归一化的量化
因子；Ｋ 为模糊控制器输出的比例因子；ＡＵ，／ｔｕ（ｔ）为模糊
控制器的输出和解模糊输出； ）， （ 一Ａｔ）为当前采样和
前一采样时间的油门开度。
模糊控制器输入的模糊集合｛ＥＮＢ（负大），ＥＮＳ（负
小），ＥＺＥ（零），ＥＰＳ（正小），ＥＰＢ（正大）｝，｛ＤＮＢ（负
大），ＤＮＳ（负小），ＤＺＥ（零），ＤＰＳ（正小），ＤＰＢ（正大）｝；
输入的模糊变量集合为｛一１，一０．５，０，０．５，ｌ｝。模糊控
制器输出的模糊集｛ＵＮＢ（负大），ＵＮＭ（负中），ＵＮＳ（负
小），ＵＺＥ（零），ＵＰＳ（正小），ＵＰＭ（正中），ｕ肋（正大）｝；
输出的模糊变量集合为｛一１，一０．６，一０．３，０，０．３，０．６，
１｝。采用三角形函数作为输人变量和输出变量的模糊化隶
属度函数，如图５、６所示。表中 一，Ｄ一分别模糊控制器
的归一化差值和差值变化率，Ｕ一为模糊控制器的输出，模
糊控制规则如表２所示。
表２ 控制油门开度的模糊规则
推理方法采用最大一最小推理法。模糊推理得出的是
模糊量，实际控制则必须为清晰量，因此需要将模糊量转化
为清晰量。限于篇幅，不对清晰化作详细论述，详见文献［７，
９］。
输出扭矩 阻力扭
图５ 输入变量（Ｅ、△Ｅ）的模糊隶属度函数
ＮＢ ＮＭ Ｎｓ ｚＥ●ＰＳ ＰＭ ＰＢ
图７ 仿真系统设计原理图
度和制动力矩。控制系统可以根据传动系统反馈的发动机
＞＜ ＞＜ × ＞＜
转速、输出扭矩和整车车速，输出制动扭矩到驱动轮。
６ 整车试验动力学仿真及结果分析
图６ 输出变量（△ ）的模糊隶属度函数
如图８所示仿真系统中，发动机模型的输出扭矩，经过
离合器后克服摩托车运行时各种阻力矩，再经过变速器传递
到驱动轮，形成摩托车驱动力 。以驱动力为输入，整车速
制动控制器为ＰＩＤ控制器。制动力矩由实际车速与理
度模型输出整车行驶车速 （ｋｍ／ｈ）。整车车速”通过 —
想车速的差值来决定，控制器的输出为制动踏板的行程。根
据文献［５］，制动控制器的表达式为：
转换模块反馈到发动机模型的输入端 ，形成整车车速闭
环；在速度设定端，速度设定值与整车车速 的差 作为驾
Ａｖ＝ｍａｘ（Ｏ， （ｔ）一Ｕｏ（ ）） １
驶员模型输入，控制整车的油门开度和制动力。摩托车运行
．
卢 ＝ ＋ｋ ｄｔ＋ｋ￣ｖ／Ａｔ｝
１
（１７）
时阻力矩 （等效到离合器输入轴）分别由道路负荷模型输
０ ｌ
Ｊ
出的道路阻力矩、空气阻力矩和制动力矩等共同作用。基于
： 卢
前述各子系统模型，构建整车系统在实际工况下的仿真模
式中 为目标车速和实际车速的速度差；ｋｐ，ｋ ，ｋ 为控
型，并在Ｍａｔｌａｂ＼＼Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真环境下实现整车性能试验的
制器的ＰＩＤ参数； 为制动踏板行程；７ 为最大制动扭矩；
仿真系统。
实际的制动扭矩。
本文只针对摩托车在平直路面工况下的整车性能试验
做仿真及结果的分析。图９．ａ为设
定行驶目标车速为８０ｋｍ／ｈ时，摩托
车车速和油门开度的仿真变化过程。
如图示，发动机从怠速工况进入高速
工况的同时，整车由停止状态进人加
速状态，随着行驶速度增大，道路阻
力、空气阻力逐渐加大，同时需要克
服较大的加速阻力，油门开度处于全
开状态。随着目标车速跟近，行驶工
况从加速过渡到恒速工况，油门开度
减小，进人保持状态（４７％），仅用以
图８ 整车系统仿真框图
克服道路行驶阻力和空气阻力。从
仿真结果可以得出系统有较小超调
５ 试验仿真系统的总体方案
后收敛到目标车速，过渡过程平稳。
试验仿真系统主要分为动力系统、传动系统、控制系统
图９．ｂ为整车性能试验仿真过程中，摩托车发动机转速
和道路阻力加载系统四个子系统。整个系统模拟摩托车整
响应曲线。发动机转速Ｎ 从怠速工况（３４００ ｒ／ｍｉｎ）达到最
车在实际道路工况下运行的动态过程，其系统仿真原理如图
大加速工况（７０００ ｒ／ｍｉｎ），然后进入恒速工况（６０００ ｒ／ｒａｉｎ）。
７所示。
在加速过程中，油门开度ｄ保持全开状态，Ｎ 快速升到７０００
系统建立发动机模型和道路负载模型，仿真整车运行时
ｒ／ｍｉｎ，以输出最大扭矩。在达到目标车速后，油门开度０【下
的发动机工况和道路负载状况，参数包括：发动机驱动力矩
降，Ｎ 达到６０００ ｒ／ｍｉｎ，在恒速工况，输出最大扭矩。
（输出扭矩）和阻力矩。控制系统模型模拟驾驶员在当前路
以上结论可以通过下面实测数据得到验证。图１０为摩
况下对整车的操作，参数包括：行驶车速、节气门（油门）开
托车发动机在５种不同油门开度下速度特性实测曲线，发动
．．．．——
３３３．．．．——
机输出扭矩、发动机输出功率和发动机油耗率三组曲线簇如
图所示。由实测数据分析得出，油门开度在大于５０％时，摩
托车最佳动力性能转速点分布在７０００ ｒ／ｍｉｎ附近，即摩托车
可以输出最大扭矩和功率。油门开度在２５～５０％范围内时，
最佳动力性能转速点分布在６０００ ｒ／ｍｉｎ附近。怠速工况转
、埘 ＬＩ景越一 ａ蜀一、髓捌奸铡
速点分布在３５００ ｒ／ｍｉｎ附近。
综上所述，通过仿真结果和实测结果的对比，仿真系统
加 ∞ 舳 ∞ 蚰 加
一口 曼 鞠辛聿幂稃越＊ 避
舢 舢 ㈣ 姗 伽 姗 舢
能较准确的反映摩托车在平直道路上的起动、加速过程。在
摩托车整车加速工况和恒速工况中，发动机均处于最佳动力
性能状态。
最大油门—、
开度状态 ～～
／
／
。＼ 砸／、 恒。速状希
／ 整车加自
●
Ｅ状态
＼
进 保持状态
～
，
，
，
，
，
ｔ自门开度
０ ｌ０ ２０ ３０ ４０ ５Ｏ ６Ｏ
仿真时间，ｓ
（ａ）油门开度及行驶速度仿真结果
／ —，最大 矩输 ＼ 、
／ ｔ ｉ逮工况
，
自ｊ塞 工况
０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６Ｏ
仿真时问／８
（ｂ）发动机响应曲线仿真结果
图９仿真试验结果
７结束语
本文利用发动机台架试验和道路滑行试验数据，建立能
够满足摩托车整车性能试验的虚拟试验环境的系统模型，使
传统方法所存在问题，得到较好的解决。基于模糊控制和
ＰＩＤ控制，建立驾驶员操作模型使整车行驶控制由控制算法
完成，减少了人为操作的随机性。从系统响应和仿真分析来
看，系统仿真试验与速度试验结果对比一致性较好，表明系
统能正确仿真整车试验动态过程。利用发动机台架试验数
据构建整车试验仿真系统，来代替大部分摩托车整车道路性
能试验，作为本系统研究的主要内容，具有很高的研究价值。
从研发新产品方面考虑，缩短了摩托车的研发周期；从经济
性来考虑，节省了整车性能试验所需的试验设备、燃油、技术
方面的投入。
参考文献：
［１］黎苏，黎晓鹰，黎志勤．汽车发动机动态过程及其控制［Ｍ］
北京：人民交通出版社，２００１．
［２］曹辉，等．基于动力学分析的驾驶模拟器运动仿真算法［Ｊ］
．．－——
３３４－－－——
２０００ ３０００ ４０００ ５０００ ６００Ｏ ７０００ ８０００ ９ＯＯ０ Ｌ００００
图１０发动机速度特性试验实测曲线
武汉理工大学学报（交通科学与工程版），２００５，６（３）．
［３］ 程超，王登峰，秦民．利用试验数据控制汽车模型驾驶行为
［Ｊ］．计算机仿真，２００６，２３（５）．
［４］ 韩宗奇，苏亮．测定汽车空气阻力系数的方法［Ｊ］．汽车工程，
２００２，２４（４）．
［５］周支山，蔡源春，张飞铁，刘金刚．ＣＶＴ传动系统虚拟试验系统
研究［Ｊ］．中国机械工程，２００８，２２（１９）．
［６］柴山，荆旭，王龙江，王树风，刚宪约，焦学键．基于汽车系统动
力学的虚拟驾驶仿真模型研究［Ｊ］．系统仿真学报，２００９，２１
（８）．
［７］Ｆ Ｕ Ｓｙｅｄ，Ｈ Ｙｉｎｇ，Ｍ Ｋｕａｎｇ，Ｓ Ｏｋｕｂｏ，Ｍ Ｓｍｉｔｈ．Ｒｕｌｅ—Ｂａｓｅｄ
Ｆｕｚｚｙ Ｇａｉｎ—Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ＰＩ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｔｏ Ｉｍｐｒｏｖｅ Ｅｎｇｉｎｅ Ｓｐｅｅｄ ａｎｄ
Ｐｏｗｅｒ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｉｎ ａ Ｐｏｗｅｒ—ｓｐｌｉｔ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｃ］．Ｉｎ：
Ｆｕｚｚｙ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００６．ＮＡＦＩＰＳ２００６．Ａｎｎｕ－
ｌａ ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＮｏＡｈ Ａｍｅｒｉｃａｎ ３—６ Ｊｕｎｅ ２００６．２８４—２８９．
［８］蔡忠法，章安元．汽车模拟驾驶模型与仿真的研究［Ｊ］．浙江
大学学报（工学版），２００２，３６（２）．
［９］ Ｒ Ｓ Ｓｈａｒｐ．Ｏｐｔｉｍａｌ ｌｉｎｅａｒ ｔｉｍｅ－ｉｎｖａｒｉａｎｔ ｐｒｅｖｉｅｗ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｆｏｒ ｍｏｔｏｒｃｙｅｌｅｓ［Ｊ］．Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，２００６，４４（９）：３２９
—．
３４０
［作者简介］
段其昌（１９５３一），男（汉族），四川省内江人，教授，
硕士研究生导师，主要研究领域为测控系统、太阳
能、风能发电等；
李 黎（１９８４一），男（汉族），陕西省商洛人，硕士研
究生，主要研究方向为虚拟仪器技术，智能测控技
术；
段盼（１９８６一），男（汉族），重庆人，硕士研究生，主要研究方向为
电力系统可靠性理论与优化控制。