基于Simulink的汽车主动悬架仿真分析

10.16638/ki.1671-7988.2018.21.014

基于Simulink的汽车主动悬架仿真分析

夏伟

（武汉交通职业学院，湖北武汉430065）

摘要：文章简要介绍了用Simulink建立主动悬架的仿真模型的方法。采用单轮车辆模型动力学方程，建立被动悬架的仿真模型。通过设计主动悬架的LQG控制器，建立主动悬架仿真模型。并将两种模型的车身加速度、悬架动行程、轮胎位移进行比较分析。结果表明LQG控制器的主动悬架能有效改善悬架性能。

关键词：Simulink；主动悬架；仿真

中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2018)21-38-04

Simulation Analysis of Vehicle Active Suspension Based on Simulink

Xia Wei

( Wuhan Technical College of Communications, Hubei Wuhan 430065 )

Abstract: This paper describes the simulation model using Simulink Active Suspension method. Establish a passive suspension simulation model by using the single wheel vehicle model dynamics equations. By LQG controller design active suspension, active suspension simulation model established. Compared and analyzed the body acceleration, suspension dynamic travel, tire displacement of the two models. The results showed that the active suspension with LQG controller can effectively improve the suspension performance.

Keywords: Simulink; Active Suspension; Simulation

CLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)21-38-04

引言

悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间一切传力连接装置的总称。它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（驱动力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架（或承载式车身）上，以保证汽车的正常行驶。虽然汽车的悬架结构各有不同，但是一般来说，汽车的悬架都由弹性元件、减振器和导向机构等三部分组成，分别起缓冲、减振、和导向的作用。三者的共同任务是传力。对于传统的被动悬架，车身高度、悬架刚度和减振器的阻尼大小是固定不变的。这样一来就无法适应多变的路况，也无法满足人们期望的性能要求。

主动悬架是一种能供给和控制动力源（油压、空气压）的装置。根据各种传感器检测到的汽车载荷、路面状况、行驶速度、起动、制动、转向等状况的变化，自动调整悬架的刚度、阻尼力以及车身高度等。当汽车急转弯、急加速或紧急制动时，车内人员能够感受到悬架比较坚硬，减轻“点头”和侧倾现象，而在正常行驶时悬架则表现得较为柔软，从而更好的吸收路面带来的冲击。此外，主动悬架能够根据不同情况自动调节车身高度，当载荷变化时能保持汽车高度一定，高速行驶时降低车身高度以降低空气阻力，正常行驶时提升车身高度，改善汽车的通过性。因此，随着汽车电子技术的的发展与广泛应用，越来越多的汽车都装备了电子悬架控制系统。

1 被动悬架仿真建模

1.1 单轮主动悬架二自由度建模

本次仿真采取的是1/4车辆模型。构建双质量二自由度

作者简介：夏伟，就职于武汉交通职业学院。

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夏伟：基于Simulink 的汽车主动悬架仿真分析

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模型如图1所示。

图1 1/4主动悬架二自由度模型

根据牛顿第二定律得系统的运动微分方程为：

定义状态变量为

令，上述动力学方程可转化为状态

方程为：

状态空间可描述为：

其中：

1.2 路面输入模型

当把汽车近似作为线性系统处理时，通常把路面相对基准平面的高度q ，沿道路走向长度I 的变化q(I)，称为路面纵断面曲线或不平度函数。作为车辆振动输入的路面不平度，主要采用路面功率密度描述其统计特性。在GB 7031《车辆振动输入——路面不平度表示》标准中，建议路面功率谱密度G q (n )用式—作为拟合表达式。

将上述空间频率功率谱密度化为时间频率功率谱密度得：

本文采用的路面输入模型是由高斯白噪声通过一阶滤波得到。即：

其中G 0为路面不平度系数；w 为数字期望为零的高斯白噪声；f 0为下截止频率。路面激励仿真模型如图2所示：

图2 路面激励仿真模型

1.3 被动悬架Simulink 仿真模型

Simulink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在Simulink 环境中，

利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink 包含有sinks （输入方式）、source （输入源）、linear （线性环节）、nonlinear （非线性环节）、connections （连接与接口）和extra （其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块。用户也可以定制和创建用户自己的模块。

图3 被动悬架仿真模型

用Simulink 创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink 的菜单或Matlab 的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于