主動懸架在AMESim與Simulink聯合仿真技術中的研究

張麗萍，劉志剛，劉 猛，謝黎明

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

1 引言

AMESim軟件是根據法國Imaginne公司開發的多種領域系統仿真平臺，可以分析計算復雜系統的仿真特性；并且支持控制系統的設計和模型的建立，其中包括從早期技術的參數設定以及后期的子系統測試。AMESim提供了大量的機械元件庫，如：機械庫、液壓庫、信號庫等等[1]。諸如AMESim之類的軟件有很多，如Carsim、Panosim以及Prescan等。文獻[2]采用Carsim與Simulink軟件進行聯合仿真，Carsim軟件提供車輛動力學模型，Simulink軟件中搭建控制算法，進行車輛ACC系統控制算法仿真分析研究。同樣采用Panosim和Prescan軟件可以提供車輛動力學模型、智能駕駛仿真場景及一些車載傳感器，只需在Simulink中搭建相應的控制算法。利用聯合仿真的優勢，可以為用戶節省大量的時間。

AMESim軟件與Simulink有單獨的接口，可以將在AMESim構建的物理模型直接導入到Simulink中，它的作用與其它的SFunction作用相同。它還允許在仿真運行時更改AMESim模型的相關參數，不需要采用特殊的方法，其他步驟與單個的AMESim模型仿真分析相同。聯合仿真后，還可以利用AMESim中的數據后處理模塊對相關數據進行觀察和分析[3-4]。

車輛的懸架系統是汽車行駛動力學中的典型結構，懸架的剛度和阻尼參數的大小直接影響乘坐人員的舒適性和安全性[5]。分別在AMESim和Simulink中搭建1/4主動懸架的物理模型，然后在Simulink中搭建隨機模型并設計PID控制器。

2 聯合仿真接口設置

在Windows系統下實現AMESim-Matlab聯合仿真，需要三個軟件VC++6.0、AMESim和Matlab2014a，其中VC++6.0作為實現AMESim-Matlab聯合仿真的編譯器。

2.1 設置環境變量

（1）選擇-我的電腦→屬性→高級系統設置→環境變量。

（2）在我的電腦環境變量中點擊新建，變量名稱為：HOME、變量值為：D：。

（3）設置環境變量：在安裝amesim時，系統會自動生成AME的系統變量；變量名：稱MATLAB、變量值：D：Matlab。

2.2 系統編譯器配置

（1）在軟件AMESim中，應選擇VC++6.0為編譯器，操作過程如下：AMESim→Tools→Opions→Preferences→Compilation。

（2）在Matlab中選擇VC++6.0為編譯器。

2.3 添加路徑設置

在Matlab Set Path中加上Amesim與Matlab接口文件所在的目錄%AME%MatlabAMESim，其中%AME%是AMESim的安裝目錄。

3 主動懸架模型與控制器設計

3.1 路面模型的建立

路面輸入模型是與路面等級和車輛行駛速度相關的函數。汽車的振動輸入一般可以分為兩種：濾波白噪聲模型和積分白噪聲模型。濾波白噪聲模型主要是將白噪聲進行一階濾波。因為僅考慮外界路面不平度對模型的影響，選擇B級積分白噪聲路面作為路面輸入激勵。通常做懸架的動態特性分析時，將時域信號作為較直觀的信號，所以我們通過積分函數將道路不平程度的頻域特性轉化為較為直觀的時域特性，其時域數學模型為：

式中：q—路面激勵，隨機路面；w(t)—單位白噪聲；f0—下限截止頻率；v—速度。根據式（1）搭建路面仿真模型，在建模中取Gq(n0)=6.4×10-5m3，v=20m/s。

3.2 Simulink主動懸架模型

如果把整車作為研究對象，即使簡單化后的車輛模型也是十分復雜。所以，我們假設汽車在行駛時，四個車輪受力均勻，以其中一個輪子的受力情況作為研究對象。二自由度的1/4車輛主動懸架系統的力學模型，如圖1所示。

圖1 1/4車體簡化模型Fig.1 Simplified 1/4 Car Body Model

應用牛頓運動第二定律，建立的二自由度車輛平順性四分之一模型微分方程如下：

式中：mb—簧載質量；mw—非簧載質量；ks—振動模型中懸架的彈簧剛度；kt—車輪等效剛度；xb—振動系統中簧載質量的質心垂直位移；xw—振動系統中非簧載質量輪胎的垂直位移；—振動系統中簧載質量質心垂直速度—振動系統中非簧載質量輪胎垂直速度；—振動系統中簧載質量質心垂向加速度—振動系統中非簧載質量輪胎的垂向加速度；xq—振動系統中路面的垂直輸入激勵；Uɑ—振動系統當中的主動控制力。

選取的狀態向量為：X=

主動懸架二自由度1/4車輛動力學模型狀態空間系統方程為：

根據式（3）所列狀態方程在Simulink中創建出主動懸架的仿真模型，如圖2所示。

圖2 Simulink主動懸架仿真模型Fig.2 Simulink Active Suspension Simulation Model

對于建立的主動懸架車輛仿真模型進行參數設置，其主要參數，如表1所示。

表1 某轎車后懸架單輪模型參數Tab.1 Single Wheel Model Parameters of Rear Suspension of a Car

3.3 主動懸架PID控制器的設計

PID控制是目前在各種工業控制領域當中應用較為常見的閉環控制器[6-7]。系統的參考值與實際值的相對誤差通過測量、比較，然后輸送到控制器中，經由放大比例（P）、積分（I）、微分（D）三個控制參數對誤差進行重新運算組合，從而產生對被控系統的主動控制力。PID控制器的控制規律為：

式中：u(t)—控制器的輸入信號；K—比例調節系數；Ti—積分時間常數；Td—微分時間常數。

PID控制器在確定參數時，通常使用試湊法來確定PID控制器的三個參數。試湊法的三個參數整定的具體步驟如下[8、9]：首先整定比例增益；然后加入積分作用；最后加入微積分作用，來確定微分系數。

此次對主動懸架PID控制的研究中，PID控制器的控制目標為車身系統的垂直加速度，將通過仿真得到的實際值和參考值的兩者之差輸入到PID控制器中進行比例、積分、微分運算，參考值盡可能小，所以設置為零，期望車體的質心垂向加速度無限接近于零，將可調阻尼力作為PID控制的控制量。在Simulink中創建主動懸架的PID控制仿真模型，如圖3所示。

圖3 主動懸架PID控制仿真模型Fig.3 PID Control Simulation Model of Active Suspension

在通過多次的實驗和仿真分析后，最后確定PID控制器的三個具體參數分別為：K=25，Ti=2，Td=0.03。

3.4 AMESim主動懸架仿真模型

選取機械庫中的質量模塊、彈簧模塊、阻尼器模塊以及信號庫中的信號元件，然后根據表1的結構參數及圖3的懸架動力學簡化模型，搭建的1/4車輛主動動懸架模型，如圖4所示。其中接口塊通過AMESim的軟件交互接口調出[10]，并進行相應設置。

圖4 AMESim1/4懸架模型Fig.4 AMESim 1/4 Suspension Model

根據圖4中搭建的主動懸架的仿真模型，將此模型通過Simulik的S-Function函數導出，并加入PID控制，選取與前文相同的比例、微分、積分參數，兩者的聯合仿真控制模型，如圖5所示。在AMESim中搭建的模型和Simulink中搭建的模型在仿真的過程中可以相互交換之前設定好的參數，前者將模型運行的實時參數輸入到后者搭建的模型中，后者的控制模型則根據前者輸入的實時參數計算得出想要的理想控制力，然后將理想的控制力輸到AMESim中，然后通過將作動器的實際控制力與理想控制力進行閉環控制，并輸入到AMESim中，從而使得車輛的平順性和操縱穩定性能夠處于最佳運行狀態。

圖5 聯合仿真模型Fig.5 Joint Simulation Model

4 系統仿真

設置車速為v=20m/s，在B級路面工況下，仿真時間設置為10s。對于車輛懸架系統來說，其性能的優劣可用簧載質量的垂向加速度、車身動行程和車輪動載荷這三項指標來判斷。在AMESim與Simulink軟件中搭建的1/4車輛PID控制主動懸架在質心加速度、懸架動行程和輪胎動位移方面的對比，如圖6～圖8所示。

圖6 懸架動行程Fig.6 Suspension Displacement

圖7 車身垂直加速度Fig.7 Vehicle Body Vertical Acceleration

圖8 輪胎動載荷Fig.8 Tyre Dynamic Load

由圖6～圖8的仿真曲線結果表明，其中虛線與實線分別表示在AMESim和Simulink中搭建的仿真模型得到的仿真曲線，無論是在AMESim軟件中搭建的1/4主動懸架模型還是在Simulink搭建的主動懸架模型，兩者的質心垂直加速度、懸架動行程及輪胎動載荷曲線基本完全吻合。由此可以說明無論采用AMESim軟件或者采用Simulink軟件進行仿真，最終的仿真結果是一樣的。

5 結論

提出一種基于AMESim和Simulink聯合仿真的方法，并通過車輛1/4主動懸架模型平順性分析證明了在AMESim中搭建的等效物理模型和在Simulink中由狀態方程搭建的等效物理模型具有相同的意義。AMESim軟件可以通過直觀的圖形界面展現所搭建的機械結構，讓不同行業和不同領域的工程師在同一個軟件上更加迅速和準確地建立仿真模型，幫助開發者減少耗費成本，縮短了開發所需的時間。使用AMESim和Simulink聯合仿真往往可以達到事半功倍的效果。