汽车平顺性教学仿真GUI设计

田梅兰 李向功

1.中国石油大学(华东)机电工程学院 山东青岛 266580

2.一汽解放青岛汽车有限公司 山东青岛 266043

汽车平顺性是指汽车行驶过程中路面产生的振动和冲击对乘客舒适性的影响[1]。汽车的平顺性由路面振动经悬架等传递形成的车身振动加速度，结合车轮与路面之间的动载荷和悬架弹簧的动挠度等性能指标评价。相关章节理论枯燥，计算复杂，学生的学习积极性不高，教学效果差。

MatLab因其强大的计算分析功能和方便的可视化手段，被广泛应用在汽车性能建模和仿真中[2-7]，也有高校逐渐开始将MatLab应用于汽车平顺性教学中[8,9]。

本文利用MatLab GUI设计了一个汽车平顺性教学仿真软件，首先基于1/4车辆二自由度被动悬架和主动悬架的物理模型，给出了其对应的数学模型；然后在MatLab GUI中设计了相应的仿真功能界面，利用MatLab软件、Simulink和GUI控件回调函数实现了相应功能；最后给出了应用实例。

1 汽车平顺性相关模型原理

在分析汽车行驶平顺性时，一般将车辆简化为如图1所示模型，即1/4车辆二自由度模型[10-12]，此模型以汽车坐标系为基础，只考虑垂直方向上的运动，轮胎刚度用弹簧表示，阻尼忽略不计。模型包括汽车1/4簧载质量(由车身、车架及其上的总成所构成)，非簧载质量(由车轮和车轴所构成)，悬架弹簧刚度，悬架减振器阻尼系数，以及轮胎刚度。悬架弹簧刚度和减振器阻尼系数在设计时选定后无法更改的悬架被称为被动悬架。

图1 被动悬架模型

1.1 被动悬架模型

常用的路面输入由式(2)来表示[13]，为下截止频率，为路面不平整度系数，为车速，为高斯白噪声。

1.2 主动悬架模型

汽车行驶过程中，载荷、路况、车速等都会发生较大变化，不同工况对平顺性和操纵稳定性的要求也不同，悬架特性也需要相应的变化，被动悬架难以满足各种行驶状况对悬架性能的较高要求。在被动悬架的基础上并联一个主动控制力发生器形成主动悬架，如图2所示，主动悬架根据传感器测量的数据可以实时改变主动控制力，以满足不同行驶状况对悬架特性的要求。

图2 主动悬架模型

主动悬架运动微分方程为：

路面输入、状态变量和输出量同被动悬架，式(4)可转化为状态空间方程：

主动悬架采用LQG最优控制方式[12]，控制目标是使汽车在不同行驶状况下获得良好的平顺性，反映在物理量上即减少车身的振动加速度，悬架动挠度，轮胎变形量和轮胎动载荷，同时对控制力进行约束以减少控制能量消耗，控制目标函数为：

其中Ts为车辆行驶时间，取，结合式(6)与输出量y，可得：

即：

整理得：

控制力u=—Kx，K由MatLab函数lqr[如式(11)]求解，K为反馈增益矩阵，S为Riccati方程的代数解，E为闭环系统特征值。

2 功能模块介绍

汽车平顺性教学仿真GUI包括以下几大功能模块：仿真参数输入模块，被动悬架仿真模块，主动悬架仿真模块，对比分析模块和性能指标均方根值比较模块。

2.1 仿真参数输入模块

仿真参数输入模块用来输入仿真所需要的各项参数，主要由可编辑文本和静态文本两类控件组成。静态文本用来标识各参数名称，可编辑文本用来输入参数数值。

2.2 被动悬架仿真模块

被动悬架仿真模块以图形形式显示仿真结果，由2个坐标区控件和4个按钮控件组成。2个坐标区中，一个用来显示被动悬架模型，另一个用来显示仿真结果；4个按钮分别控制4个输出量的仿真结果，单击相应的输出量，仿真结果坐标区就会显示其仿真结果。

2.3 主动悬架仿真模块

主动悬架仿真模块同被动悬架仿真模块相似，由2个坐标区和4个按钮控件组成，此外，在此模块中还需要5个静态文本和5个可编辑文本来输入主动悬架控制器控制参数。

2.4 对比分析模块

此模块用来显示主、被动悬架仿真对比结果，由4个坐标区来显示4个输出量的结果，将主、被动悬架的同一输出量绘制在同一张图形中，对比直接了然。

2.5 性能指标均方根值比较模块

性能指标均方根值比较模块用2个面板控件来标识主、被动悬架，在2个面板中分别添加一个可编辑文本控件，用来显示各性能指标的均方根计算值。此外，添加4个按钮控件来分别控制车身加速度、悬架动挠度、轮胎变形量和轮胎动载荷4个性能指标，点击相应的性能指标按钮，可编辑文本处就显示其均方根值。

根据模块结构和各模块控件组成，设计得到汽车平顺性教学仿真GUI界面，如图3所示。

图3 汽车平顺性教学仿真GUI界面

3 仿真应用实例

主、被动悬架采用相同的仿真参数，便于对比分析结果，仿真参数见表1，主动悬架的控制算法加权系数见表2。

表1 主、被动悬架仿真参数

表2 主动悬架控制算法加权系数

在图3汽车平顺性教学仿真GUI界面中的参数部分输入表1和表2的仿真参数，在相应的模块中单击所需要的性能指标即可获得其仿真结果，如图4所示。

图4 仿真结果实例

将性能指标均方根值比较模块的数据整理放到表3中，从计算结果可知，主动悬架相对于被动悬架而言，对汽车平顺性有明显的改善效果，从对比分析模块的各图中也能直观观察到主动悬架的各性能指标的峰值波动均小于被动悬架。

表3 主、被动悬架性能指标均方根值计算结果

3 结语

本文利用MatLab GUI设计了一个汽车平顺性教学仿真软件，界面友好、仿真形象、结果正确、对比分析直观，在学习相关理论知识前进行仿真演示，能有效提高学生的学习兴趣。对相关模型进行建模讲解，可将枯燥复杂的理论具体形象地教授给学生，能有效提高教学质量，也能激发学生的创新研究兴趣，为以后的毕业设计及深造学习奠定基础。