關(guān)于汽車起重機(jī)的主動懸架多軟件聯(lián)合仿真及優(yōu)化的探索
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作者：張毅
主動懸架能根據(jù)路面情況及汽車運行的實際狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)反饋控制，使汽車的整體行駛性能達(dá)到最佳，其特點是能夠主動提供減振能量，與被動懸架相比，具有高度的自適應(yīng)性。通常多采用MATLAB軟件對懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真，但是這樣在模型簡化與模型精度方面就會產(chǎn)生矛盾。AMESim具有更加接近實際情況的模型模塊化接口，能夠更好地對汽車起重機(jī)懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真和參數(shù)優(yōu)化。為了更好地對懸架進(jìn)行分析仿真，本文采用AMESim軟件與MATLAB進(jìn)行聯(lián)合仿真。
1汽車主動懸架系統(tǒng)模型的建立
1.1 建立主動懸架模型
對于汽車起重機(jī)，我們采用目前比較常用的四分之一車輛模型研究其主動懸架系統(tǒng)特性。它是一個兩自由度系統(tǒng)，是可以表示懸架位移的最小模型，輪胎的阻尼在該模型中很小可以忽略，同時假設(shè)輪胎和路面是始終接觸的。由此得到車體主動懸架系統(tǒng)動態(tài)模型如圖1所示。
懸架系統(tǒng)運動方程為：
其中：ml為輪胎質(zhì)量，m1=500 kg；m2為車身質(zhì)量，m2 =8 000 kg；k1為輪胎剛度，是l=100 000 N／m；k2為懸架彈簧剛度，k2 =500 000 N／m;重力加速度g-9. 81 m／s2；zo、zl、z。分別表示路面不平的輸入、車輪的垂直位移、車身的垂直位移；C2為車架阻尼系數(shù)，f，=3 000 Ns/m;u為主動控制的輸入量，N。
1.2 建立隨機(jī)路面模型
路面輸入采用積分白噪聲隨機(jī)路面輸入，路面輪廓可由譜密度為c的白噪聲通過一積分器產(chǎn)生，即：
其中：c為譜密度，c=4π2 771vG。(n．，)，n。為參考空間頻率，"。一0.1 m-l，v為車速，v=20 m／s，取C級路面路面不平度系數(shù)G。（n。）=256×10-6m3；w(t)為零均值單位白噪聲，-l<w(t)<l。
主動懸架PID控制數(shù)學(xué)模型為：
其中：K。為比例系數(shù)；T為積分時間常數(shù)；T為微分時間常數(shù)；e(t)為控制誤差；u(t)為控制器的輸出即控制量。
2 基于AMESim和MATLAB的聯(lián)合仿真技術(shù)
2.1 仿真設(shè)置及策略
為了實現(xiàn)聯(lián)合仿真按以下步驟進(jìn)行仿真設(shè)置：①設(shè)置環(huán)境變量，設(shè)置VC作為編譯器；②將兩個軟件的接口文件目錄添加到MATLAB路徑，分別在兩個軟件中建立接口模塊；③根據(jù)物理模型，把系統(tǒng)分為機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩個部分，其中機(jī)械系統(tǒng)模型由AMESim建立，控制系統(tǒng)模型由Simulink建立。
2.2 建立機(jī)械模型
圖2為AMESim懸架模型。由圖2可知，該模型分為主動懸架( Active Suspension)和被動懸架(Passive Suspension)以及接口模塊3部分。
2.3 建立控制系統(tǒng)模型
圖3為控制系統(tǒng)模型。該模型主要包括PID控制和隨機(jī)路面輸入兩部分，首先采用試湊方法得到系統(tǒng)的控制參數(shù)為：K。=800，K，=4 000，Kd=0。
3控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化與仿真
為了使該控制系統(tǒng)能更好地控制主動懸架，使汽車行駛更平穩(wěn)，結(jié)合MATLAB的優(yōu)化工具箱，以能夠反映汽車行駛平穩(wěn)性的車身簧載質(zhì)量的加速度均方根為目標(biāo)函數(shù)對PID控制參數(shù)K。、K，和Kd（比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)）進(jìn)行優(yōu)化。為了找到參數(shù)的全局最優(yōu)點，首先按照試湊法的思路，使用fminbnd單變量優(yōu)化函數(shù)任給一個初始點，求出分別以K。、K，、Kd為單變量時該變量的全局最優(yōu)點，再用該組單變量最優(yōu)點作為尋優(yōu)初始點，使用fmincon多約束多變量優(yōu)化函數(shù)求系統(tǒng)的全局最優(yōu)點。由fminbnd函數(shù)初步求得：K戶一380. 93，K，=393 8，Kd=-0. 528 7。再用fmincon函數(shù)求得全局最優(yōu)點：K。= 382.7，K，一3 937.9，Kd一-0.5。仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。
比較圖4和圖5以及圖6中的主動懸架和被動懸架的加速度均方根曲線，可知主動懸架簧載質(zhì)量的加速度均方根值明顯小于被動懸架簧載質(zhì)量的加速度均方根值，說明主動懸架具有良好的改善汽車平穩(wěn)性的作用。比較圖6中的主動懸架控制參數(shù)優(yōu)化前和優(yōu)化后的加速度均方根曲線，可知經(jīng)優(yōu)化后同一時間加速度均方根減小，汽車行駛的平穩(wěn)性有所提高。
4結(jié)語
本文針對汽車起重機(jī)使用AMESim軟件建立了懸架系統(tǒng)的機(jī)械模型。并在MATI。AB中使用Simulink模塊引入PID控制策略與AMESim的主動懸架控制系統(tǒng)模型配合仿真。然后使用MATLAB相應(yīng)的優(yōu)化函數(shù)對汽車懸架控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真及優(yōu)化研究，得到了理想的結(jié)果，從而證明了聯(lián)合仿真和優(yōu)化的有效性。
5摘要：主動懸架與被動懸架相比較在改善汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等方面都顯示出了其優(yōu)越性。以重型汽車起重機(jī)的二自由度主動懸架為研究對象，以提高汽車起重機(jī)行駛的平穩(wěn)性為目標(biāo)，采用MATLAB和AMESim聯(lián)合仿真對汽車起重機(jī)主動懸架的控制策略進(jìn)行了研究，并證明其有效性。
