主动悬架在AMESim与Simulink联合仿真技术中的研究

张丽萍，刘志刚，刘 猛，谢黎明

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

1 引言

AMESim软件是根据法国Imaginne公司开发的多种领域系统仿真平台，可以分析计算复杂系统的仿真特性；并且支持控制系统的设计和模型的建立，其中包括从早期技术的参数设定以及后期的子系统测试。AMESim提供了大量的机械元件库，如：机械库、液压库、信号库等等[1]。诸如AMESim之类的软件有很多，如Carsim、Panosim以及Prescan等。文献[2]采用Carsim与Simulink软件进行联合仿真，Carsim软件提供车辆动力学模型，Simulink软件中搭建控制算法，进行车辆ACC系统控制算法仿真分析研究。同样采用Panosim和Prescan软件可以提供车辆动力学模型、智能驾驶仿真场景及一些车载传感器，只需在Simulink中搭建相应的控制算法。利用联合仿真的优势，可以为用户节省大量的时间。

AMESim软件与Simulink有单独的接口，可以将在AMESim构建的物理模型直接导入到Simulink中，它的作用与其它的SFunction作用相同。它还允许在仿真运行时更改AMESim模型的相关参数，不需要采用特殊的方法，其他步骤与单个的AMESim模型仿真分析相同。联合仿真后，还可以利用AMESim中的数据后处理模块对相关数据进行观察和分析[3-4]。

车辆的悬架系统是汽车行驶动力学中的典型结构，悬架的刚度和阻尼参数的大小直接影响乘坐人员的舒适性和安全性[5]。分别在AMESim和Simulink中搭建1/4主动悬架的物理模型，然后在Simulink中搭建随机模型并设计PID控制器。

2 联合仿真接口设置

在Windows系统下实现AMESim-Matlab联合仿真，需要三个软件VC++6.0、AMESim和Matlab2014a，其中VC++6.0作为实现AMESim-Matlab联合仿真的编译器。

2.1 设置环境变量

（1）选择-我的电脑→属性→高级系统设置→环境变量。

（2）在我的电脑环境变量中点击新建，变量名称为：HOME、变量值为：D：。

（3）设置环境变量：在安装amesim时，系统会自动生成AME的系统变量；变量名：称MATLAB、变量值：D：Matlab。

2.2 系统编译器配置

（1）在软件AMESim中，应选择VC++6.0为编译器，操作过程如下：AMESim→Tools→Opions→Preferences→Compilation。

（2）在Matlab中选择VC++6.0为编译器。

2.3 添加路径设置

在Matlab Set Path中加上Amesim与Matlab接口文件所在的目录%AME%MatlabAMESim，其中%AME%是AMESim的安装目录。

3 主动悬架模型与控制器设计

3.1 路面模型的建立

路面输入模型是与路面等级和车辆行驶速度相关的函数。汽车的振动输入一般可以分为两种：滤波白噪声模型和积分白噪声模型。滤波白噪声模型主要是将白噪声进行一阶滤波。因为仅考虑外界路面不平度对模型的影响，选择B级积分白噪声路面作为路面输入激励。通常做悬架的动态特性分析时，将时域信号作为较直观的信号，所以我们通过积分函数将道路不平程度的频域特性转化为较为直观的时域特性，其时域数学模型为：

式中：q—路面激励，随机路面；w(t)—单位白噪声；f0—下限截止频率；v—速度。根据式（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主动悬架模型

如果把整车作为研究对象，即使简单化后的车辆模型也是十分复杂。所以，我们假设汽车在行驶时，四个车轮受力均匀，以其中一个轮子的受力情况作为研究对象。二自由度的1/4车辆主动悬架系统的力学模型，如图1所示。

图1 1/4车体简化模型Fig.1 Simplified 1/4 Car Body Model

应用牛顿运动第二定律，建立的二自由度车辆平顺性四分之一模型微分方程如下：

式中：mb—簧载质量；mw—非簧载质量；ks—振动模型中悬架的弹簧刚度；kt—车轮等效刚度；xb—振动系统中簧载质量的质心垂直位移；xw—振动系统中非簧载质量轮胎的垂直位移；—振动系统中簧载质量质心垂直速度—振动系统中非簧载质量轮胎垂直速度；—振动系统中簧载质量质心垂向加速度—振动系统中非簧载质量轮胎的垂向加速度；xq—振动系统中路面的垂直输入激励；Uɑ—振动系统当中的主动控制力。

选取的状态向量为：X=

主动悬架二自由度1/4车辆动力学模型状态空间系统方程为：

根据式（3）所列状态方程在Simulink中创建出主动悬架的仿真模型，如图2所示。

图2 Simulink主动悬架仿真模型Fig.2 Simulink Active Suspension Simulation Model

对于建立的主动悬架车辆仿真模型进行参数设置，其主要参数，如表1所示。

表1 某轿车后悬架单轮模型参数Tab.1 Single Wheel Model Parameters of Rear Suspension of a Car

3.3 主动悬架PID控制器的设计

PID控制是目前在各种工业控制领域当中应用较为常见的闭环控制器[6-7]。系统的参考值与实际值的相对误差通过测量、比较，然后输送到控制器中，经由放大比例（P）、积分（I）、微分（D）三个控制参数对误差进行重新运算组合，从而产生对被控系统的主动控制力。PID控制器的控制规律为：

式中：u(t)—控制器的输入信号；K—比例调节系数；Ti—积分时间常数；Td—微分时间常数。

PID控制器在确定参数时，通常使用试凑法来确定PID控制器的三个参数。试凑法的三个参数整定的具体步骤如下[8、9]：首先整定比例增益；然后加入积分作用；最后加入微积分作用，来确定微分系数。

此次对主动悬架PID控制的研究中，PID控制器的控制目标为车身系统的垂直加速度，将通过仿真得到的实际值和参考值的两者之差输入到PID控制器中进行比例、积分、微分运算，参考值尽可能小，所以设置为零，期望车体的质心垂向加速度无限接近于零，将可调阻尼力作为PID控制的控制量。在Simulink中创建主动悬架的PID控制仿真模型，如图3所示。

图3 主动悬架PID控制仿真模型Fig.3 PID Control Simulation Model of Active Suspension

在通过多次的实验和仿真分析后，最后确定PID控制器的三个具体参数分别为：K=25，Ti=2，Td=0.03。

3.4 AMESim主动悬架仿真模型

选取机械库中的质量模块、弹簧模块、阻尼器模块以及信号库中的信号元件，然后根据表1的结构参数及图3的悬架动力学简化模型，搭建的1/4车辆主动动悬架模型，如图4所示。其中接口块通过AMESim的软件交互接口调出[10]，并进行相应设置。

图4 AMESim1/4悬架模型Fig.4 AMESim 1/4 Suspension Model

根据图4中搭建的主动悬架的仿真模型，将此模型通过Simulik的S-Function函数导出，并加入PID控制，选取与前文相同的比例、微分、积分参数，两者的联合仿真控制模型，如图5所示。在AMESim中搭建的模型和Simulink中搭建的模型在仿真的过程中可以相互交换之前设定好的参数，前者将模型运行的实时参数输入到后者搭建的模型中，后者的控制模型则根据前者输入的实时参数计算得出想要的理想控制力，然后将理想的控制力输到AMESim中，然后通过将作动器的实际控制力与理想控制力进行闭环控制，并输入到AMESim中，从而使得车辆的平顺性和操纵稳定性能够处于最佳运行状态。

图5 联合仿真模型Fig.5 Joint Simulation Model

4 系统仿真

设置车速为v=20m/s，在B级路面工况下，仿真时间设置为10s。对于车辆悬架系统来说，其性能的优劣可用簧载质量的垂向加速度、车身动行程和车轮动载荷这三项指标来判断。在AMESim与Simulink软件中搭建的1/4车辆PID控制主动悬架在质心加速度、悬架动行程和轮胎动位移方面的对比，如图6～图8所示。

图6 悬架动行程Fig.6 Suspension Displacement

图7 车身垂直加速度Fig.7 Vehicle Body Vertical Acceleration

图8 轮胎动载荷Fig.8 Tyre Dynamic Load

由图6～图8的仿真曲线结果表明，其中虚线与实线分别表示在AMESim和Simulink中搭建的仿真模型得到的仿真曲线，无论是在AMESim软件中搭建的1/4主动悬架模型还是在Simulink搭建的主动悬架模型，两者的质心垂直加速度、悬架动行程及轮胎动载荷曲线基本完全吻合。由此可以说明无论采用AMESim软件或者采用Simulink软件进行仿真，最终的仿真结果是一样的。

5 结论

提出一种基于AMESim和Simulink联合仿真的方法，并通过车辆1/4主动悬架模型平顺性分析证明了在AMESim中搭建的等效物理模型和在Simulink中由状态方程搭建的等效物理模型具有相同的意义。AMESim软件可以通过直观的图形界面展现所搭建的机械结构，让不同行业和不同领域的工程师在同一个软件上更加迅速和准确地建立仿真模型，帮助开发者减少耗费成本，缩短了开发所需的时间。使用AMESim和Simulink联合仿真往往可以达到事半功倍的效果。