基于AMESim电控空气悬架系统性能仿真研究

基于AMESim电控空气悬架系统性能仿真研究
董威望;郑泉
【摘要】基于AMESim软件建立1/4空气悬架系统模型,利用Matlab软件设计空气悬架系统控制器,使用Matlab和AMESim对空气悬架系统进行联合仿真.白噪声路面信号输入下的联合仿真结果分析表明,安装主动空气悬架系统车辆的最大振动加速度与振动加速度均方根、平均车身高度、动载荷均比安装被动空气悬架系统的车辆小,该仿真结果符合有关主动空气悬架系统的一般研究结论,该控制方法可以有效提高车辆的平顺性.
【期刊名称】《山东交通学院学报》
【年(卷),期】2014(022)004
【总页数】5页(P1-4,19)
【关键词】电控空气悬架;AMESim;控制器;联合仿真
【作者】董威望;郑泉
【作者单位】安徽农业大学工学院,安徽合肥230036;安徽农业大学工学院,安徽合肥230036
【正文语种】中文
【中图分类】U463.33
车辆电控空气悬架系统作为主动悬架系统的重要组成形式，其结构形式、性能参数与控制策略的选择，对汽车的行驶平顺性有着直接的影响[1]。

目前，对电控空气悬架系统的主要研究对象是带有附加气室的空气弹簧，通过建立数学及物理模型进
行仿真。

文献[2]基于工程热力学和空气动力学理论分别建立了带附加气室空气弹
簧系统各部件的状态方程和动力学方程，利用空气弹簧动刚度模型，计算了弹簧动刚度和各因素之间的动态变化关系。

文献[3]利用自由衰减振动的方法研究了簧上
质量、节流孔直径等因素对悬架系统等效刚度、等效阻尼等力学特性参数的影响。

文献[4]基于能量守恒方程、理想气体状态方程和孔隙流量方程指出了附加气室容积、节流孔开度对空气弹簧动刚度的影响。

这些研究内容没有考虑到带附加气室空气弹簧的刚度变化具有非线性的特点，所建数学模型欠准确，降低了仿真结果的正确性[5]。

本文以电控空气悬架系统为研究对象，基于AMESim建立车辆二自度1/4电控空气悬架系统模型，利用Matlab/simulink设计悬架的控制系统，通过
Matlab/simulink和AMESim对电控空气悬架系统进行联合仿真。

AMESim作为一个多学科复杂系统的仿真平台，是以图形化语言为基础进行开发
设计的仿真软件，主要针对液压系统、动力传动系统、机电系统、冷却系统等系统进行建模仿真分析。

AMESim的最大特点是将各系统中基本元件进行图形化处理，然后用户根据自身需要按照基本元素法进行自由搭建模型，而推导系统的数学模型不再是重点考虑的因素，用户只需要更多的关注工程系统物理模型自身的设计[6] 。

所以AMESim是多学科复杂系统建模、仿真和分析较为便捷的工具。

同时AMESim提供Simulink、Labview等软件联合仿真接口，可以实现联合仿真。

本文采用AMESim与MATLAB&simulink联合仿真。

电控空气悬架系统主要由电控单元、空气弹簧、减震器、电磁阀和附加气室等组成。

空气被压缩在空气弹簧和附加气室中，气体要实现充放气的调节控制，采用一个二位三通电磁阀实现充气和放气的切换，电磁阀的切换由电子单元控制。

由于AMESim自身的标准库文件无法对空气弹簧进行结构搭建，考虑到簧载质量
和非簧载质量之间要求存在有垂直向上、向下2个方向上的作用力，而AMESim
中又没有符合此要求的空气弹簧元件，因此决定利用AMESim中气动元件设计库
中的2个元件，即可以活动的缸体活塞元件和气室容积可变的元件进行组合设计，从而搭建出空气弹簧结构，使用该结构可以设置空气弹簧内的气体压力和温度等参数。

利用AMESim中的机械、气动元件建立1/4车辆空气悬架系统，如图1所示。

1)模型设计。

分别搭建1/4车辆空气悬架系统和被动悬架系统，在同一路面输入
信号的情况下，分别比较被动悬架系统和空气悬架系统车辆对行驶平顺性的影响。

2)模型参数确定。

建模所需的主要数据：簧载质量1 100 kg，非簧载质量160 kg，附加气室容积3.0 L，附加气室压强0.4 kPa，主气室压强0.3 kPa，节流孔有效面积5.0 mm2，轮胎刚度750 kN/mm。

3)路面的构建。

车辆以80 km/h的速度在E级路面上行驶，基于白噪声法生成路
面不平度时域信号[7]。

2.1 主动悬架控制过程
电控空气悬架系统选用PID控制策略。

PID控制系统结构方案根据控制反馈原理
设计[8]。

根据车身高度的变化情况反馈调节控制量。

选取车身高度期望值与响应值的偏差e(k)作为控制器输入信号，控制器输出信号
u(k)作为电磁阀电流控制信号，本空气悬架系统的算法流程如图2所示。

2.2 PID控制器设计
根据车辆悬架系统工作特点，当车身实际高度和目标高度偏差比较大时，表明空气弹簧刚度较小，此时增加空气弹簧充气时间，增大弹簧刚度；当车身实际高度和目标高度偏差较小时，表明空气弹簧刚度较大，此时减少空气弹簧充气时间，直至停止充气或开始放气，减小弹簧刚度[9-10]。

整个过程避免出现系统的超调现象[11]。

经过多次仿真调整，确定控制系统的最佳比例控制系数kp=850、积分控制系数
kI=6、微分制系数kD=13。

在Matlab命令窗键入“simulink”，在simulink环境下建立如图3所示的PID
控制器仿真模型[12]。

系统仿真时间设为10 s，仿真步长设定0.05，车身目标高度设定为 25 mm，设
车辆以80 km/h的车速在E级路面上行驶，仿真结果如图4～6所示。

由图4可以看出，车辆最大车身垂直振动加速度出现在t=5 s左右，此时，安装
有被动悬架系统的车辆最大垂直振动加速度为15.866 m/s2，而安装有主动空气
悬架系统车辆的最大垂直振动加速度为10.044 m/s2，主动悬架车身最大垂直加
速度明显小于被动悬架。

计算得出，安装被动悬架车辆的车身垂直振动加速度均方根为11.049 m/s2，车身平均高度为37.025 mm，安装主动空气悬架系统的车辆车身垂直振动加速度均方根为9.164 m/s2，车身平均高度为30.491 mm，安装
空气悬架系统车辆的振动加速度、车身高度2个指标在车速为80 km/h的E级路面上分别比被动悬架降低了18.06%，17.64%。

同时由图6车辆悬架动载荷仿真结果可以看出，主动悬架动载荷相比被动悬架动载荷有一定程度的降低，进一步表明了车身平顺性的提高。

该仿真分析结果符合目前关于电控空气悬架系统的一般研究结论，装有电控空气悬架系统的车辆的行驶平顺性明显好于装有被动悬架系统的车辆[13-14]。

基于AMESim软件建立1/4空气悬架系统模型，利用Matlab软件设计空气悬架
系统控制器，使用Matlab和AMESim对空气悬架系统进行联合仿真，仿真结果
符合有关主动空气悬架系统的一般研究结论，验证了使用AMESim与Matlab对
电控空气悬架系统进行联合仿真的可行性、所建模型的正确性及控制方法的有效性。

所建物理模型和采取的控制策略对悬架系统的研发具有一定的参考价值。

【相关文献】
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