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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。
智者论道智库时代 ·241·减压阀是机车空气管路系统的重要部件，本文利用AMESim 软件对减压阀进行建模并仿真分析，得到减压阀各关键参数的最优取值范围，为减压阀的选型提供依据。
一、减压阀结构及工作原理图1为减压阀结构原理图[1]。
如图所示，初始状态时，低压腔室p2中无压力，调压弹簧2推动膜片4和阀杆5下移，阀杆5再推动阀芯7下移，阀口打开，此时高压腔室p1中压力空气输入到低压腔室p2中。
低压腔室p2压力逐渐上升，同时经阻尼孔6流向膜片4下表面腔室。
当膜片4下表面气体向上推力F2等于调压弹簧向下推力F1时，阀芯7在复位弹簧8的作用下向上移动，阀口关闭，高压腔室p1中压力空气输入到低压腔室p2中的通道关闭，低压腔室p2中的气压不再上升，此时低压腔室p2中即有稳定压力输出。
通过调节调压弹簧2、3的预紧力，即可调节减压阀的输出压力[2]。
图1 直动式减压阀结构原理图1、手柄；2、调压弹簧；3、溢流阀；4、膜片；5、阀杆；6、阻尼孔；7、阀芯；8、复位弹簧二、减压阀AMESim 模型建立A M E S i m (A d v a n c e d M o d e l i n g Environment for performing Simulationof engineering systems)为多学科领域复杂系统建模仿真平台。
用户可以在这个单一平台上建立复杂的多学科领域的系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析，也可以在这个平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性能。
AMESim 软件采用基于物理化图形建模方法，因此对于气动减压阀来说，利用AMESim 软件建模仿真更加方便与准确[3]。
减压阀的AMESim 模型如图2。
调压弹簧3推动阀芯质量块5向右移动，阀芯6打开，高压腔室9内压力空气通过阀口进入低压腔室12中，进一步经过阻尼孔11进入膜片下腔室10。
当膜片下腔室10中压力作用在膜片上推力F2等于调压弹簧3对膜片下推力F1时，阀芯6向左移动，阀口关闭，高压腔室9中压力空气通向低压腔室12的通道关闭，低压腔室12中压力稳定在设定压力值。
第一章引言本章将介绍AMESim 家族产品和AMESim 4.2的新特征。
AMESim 是什么? AMESim 怎么用? 如何使用文件组？在线帮助的组织结构。
AMESim 4 软件包。
AMESim 4.2的新特征1.1 AMESim是什么?AMESim 表示工程系统仿真高级建模环境（A dvanced M odeling E nvironment for performing Sim ulations of engineering systems）. 基于直接图形接口，在整个仿真过程中系统可以显示在环境中。
AMESim 使用图标符号代表各种系统的元件，这些图标符号要么是国际标准组织如工程领域的ISO 为液压元部件确定的标准符号，或为控制系统确定的方块图符号，或者当不存在这样的标准符号时可以为该系统给出一个容易接受的非标准图形特征。
.Figure 1.1: AMESim 中使用符号Figure 1.1 所示为使用标准液压，机械和控制符号表达的一个工程系统。
Figure 1.2所示为使用了非标准图形特征的汽车制动系统。
Figure 1.2: 汽车制动系统的符号1.2 如何使用AMESim?使用AMESim 你可以通过在绘图区添加符号或图标搭建工程系统草图，搭建完草图后，可按如步骤进行系统仿真：• 图标元件的数学描述• 设定元件的特征• 初始化仿真运行• 绘图显示系统运行状况Figure 1.3 所示为从HCD 符号构建的一个三柱塞径向液压泵详细模型。
箭头用来表示液流方向。
Figure 1.3: 从HCD 符号构建的一个三柱塞径向液压泵大多数自动化系统都可按上述步骤执行，在每一步都可以看到系统草图。
接口现在的联系是为了提供软件间的接口使它们能够联合工作，以便你能够获得每个软件的最佳特征。
标准AMESim 软件包提供了与MATLAB . 的接口。
这使你有权使用控制器设计，优化工具和功率谱分析等。
还有其它一些接口可用，AMESim 最新接口信息请参见1.6.6节接口。
AMESim论文仿真研究论文：基于AMESim软件的液压控制仿真技术研究摘要imagine公司推出的amesim软件在液压控制建模方面拥有强大的分析和仿真能力，介绍了amesim软件的基本特征，以电液伺服阀为例进行了建模及仿真分析。
关键词amesim；液压控制；仿真研究随着仿真技术的发展，极大缩短了开发周期、减小了科研成本及风险。
amesim是法国imagine公司研究开发的仿真平台，它集机械、流体、气动、控制、电控、热力学等多学科于一体，可以构建比较真实的仿真系统。
amesim软件在仿真开发中，为企业技术人员节省了时间，比较适用于液压控制系统的建模与仿真。
1amesim软件具有的特点1）建模仿真平台。
amesim软件提供了充足的模型数据库，包括了液压、控制、机械、电磁、电工电子等领域。
2）图形建模化。
图形化物理建模方法可使用户专注于物理系统本身的开发。
建模的语言是工程术语，仿真模型的扩展是通过图形用户界面来完成，无需编制程序代码。
3）智能求解数学模型。
可以在多种算法中优选积分方法；同时在不同的仿真时期结合系统的特征动态地调节积分步长和变换积分算法提高仿真精度和缩短仿真时间，同时嵌式数学不连续性处理工具可以解决数值仿真的“间断点问题”。
4）计算准确迅速。
amesim采用变阶数、变步长、鲁棒性强、变类型的智能求解器，结合所建模型自动地优选积分方法。
2amesim在液压控制控制仿真中的应用电液伺服阀是电液伺服系统中的关键部件。
在电液伺服阀中力反馈两级电液伺服阀是最基本、应用最广泛的伺服阀。
为此，以它为例进行分析。
1）建立四通四边功率级滑阀的模型，如图1所示。
图1功率级滑阀仿真模型2）建立前置放大级双喷嘴挡板阀的模型，如图2所示。
图2双喷嘴挡板阀的仿真模型3）建立永磁动铁式力矩马达的模型，如图3所示。
图3力矩马达的仿真模型4）伺服阀的仿真压力曲线，如图4所示。
图4伺服阀的仿真压力曲线根据仿真结果可知，仿真曲线和实际情况相符。
第一章引言本章将介绍AMESim 家族产品和AMESim 4.2的新特征。
AMESim是什么? AMESim 怎么用? 如何使用文件组？在线帮助的组织结构。
AMESim 4 软件包。
AMESim 4.2的新特征1.1 AMESim是什么?AMESim表示工程系统仿真高级建模环境（A dvanced M odeling E nvironment for performing Sim ulations of engineering systems）.基于直接图形接口，在整个仿真过程中系统可以显示在环境中。
AMESim 使用图标符号代表各种系统的元件，这些图标符号要么是国际标准组织如工程领域的ISO为液压元部件确定的标准符号，或为控制系统确定的方块图符号，或者当不存在这样的标准符号时可以为该系统给出一个容易接受的非标准图形特征。
.Figure 1.1: AMESim中使用符号Figure 1.1 所示为使用标准液压，机械和控制符号表达的一个工程系统。
Figure 1.2所示为使用了非标准图形特征的汽车制动系统。
Figure 1.2: 汽车制动系统的符号1.2 如何使用AMESim?使用AMESim你可以通过在绘图区添加符号或图标搭建工程系统草图，搭建完草图后，可按如步骤进行系统仿真：•图标元件的数学描述• 设定元件的特征• 初始化仿真运行• 绘图显示系统运行状况Figure 1.3 所示为从HCD符号构建的一个三柱塞径向液压泵详细模型。
箭头用来表示液流方向。
Figure 1.3: 从HCD符号构建的一个三柱塞径向液压泵大多数自动化系统都可按上述步骤执行，在每一步都可以看到系统草图。
接口现在的联系是为了提供软件间的接口使它们能够联合工作，以便你能够获得每个软件的最佳特征。
标准AMESim软件包提供了与MATLAB.的接口。
这使你有权使用控制器设计，优化工具和功率谱分析等。
还有其它一些接口可用，AMESim 最新接口信息请参见1.6.6节接口。
基于AMESim的气动系统建模与仿真技术研究（版本A）本文主要内容如下(1)推导气体的流量、温度和压力方程。
(2)基于AMESim对普通气动回路进行仿真分析。
并推导气动系统常用元件的数学方程，在此基础上对气动元件及系统进行模型仿真分析。
(3)对气动比例位置系统进行建模与仿真研究，在系统仿真模型基础上进行故障仿真研究。
最后探讨基于 AMESim 的气动比例位置系统实时仿真研究。
1.气动系统建模的理论基础气动系统和元件建模的首要任务就是要充分的明确空气的物理性质和空气的热力学性质，为准确的元件建模和系统仿真奠定基础。
气动元件的结构是十分复杂的，但其中的基本规律和数学描述一般还是比较清楚的。
经过前人的大量研究发现，气动系统的动态特性从本质上讲可以抽象为由一些基本环节所组成，比如放气环节、惯性环节和气容充气环节等等。
而它们之间又是通过压力、力、位移、容积等参数相互关联相互影响的。
1.1 流量方程流量特性表示元件的空气流通能力，将直接影响气动系统的动态特性。
所有的压力降取决于下面两个基本参数：a)声速流导 C(Sonic Conductance)——[null]b)临界压力比b(Critical Pressure Ratio)[S*m4/kg]ISO6358标准孔口——标准体积流量设绝对温度T ，绝对压力p的工况下的体积流量为Q，基准状态和标准状态下的体积流量可表示为：空气压缩机的输出流量通常用换算到吸入口的大气状态下的体积流量来表示。
以上公式同样适用于从吸入口的大气状态到基准或标准状态的换算。
气动孔口流量在气动系统中，一般需要计算通过节流口的气体压力、流量、温度等参数，但是由于气体的可压缩性，气体在通过节流口时是个很复杂的过程，节流口前后的流道突然收缩或扩张，气体在孔口前后均会形成涡流，产生强烈的摩擦，因而机械能变成热能具有不可逆过程。
同时，由于流体运动的极不规则，同一界面上的各点参数极不均匀。
为了研究气体的流量特性，基本上可将阀中的节流口理想地等价为一个小孔或收缩喷嘴，并用小孔或者收缩喷嘴的流量特性来表示其流量特性。
基于AMESim的气动系统建模与仿真技术研究（版本A）本文主要内容如下(1)推导气体的流量、温度和压力方程。
(2)基于AMESim对普通气动回路进行仿真分析。
并推导气动系统常用元件的数学方程，在此基础上对气动元件及系统进行模型仿真分析。
(3)对气动比例位置系统进行建模与仿真研究，在系统仿真模型基础上进行故障仿真研究。
最后探讨基于 AMESim 的气动比例位置系统实时仿真研究。
1.气动系统建模的理论基础气动系统和元件建模的首要任务就是要充分的明确空气的物理性质和空气的热力学性质，为准确的元件建模和系统仿真奠定基础。
气动元件的结构是十分复杂的，但其中的基本规律和数学描述一般还是比较清楚的。
经过前人的大量研究发现，气动系统的动态特性从本质上讲可以抽象为由一些基本环节所组成，比如放气环节、惯性环节和气容充气环节等等。
而它们之间又是通过压力、力、位移、容积等参数相互关联相互影响的。
1.1 流量方程流量特性表示元件的空气流通能力，将直接影响气动系统的动态特性。
所有的压力降取决于下面两个基本参数：a)声速流导 C(Sonic Conductance)——[null]b)临界压力比b(Critical Pressure Ratio)[S*m4/kg]ISO6358标准孔口——标准体积流量设绝对温度T ，绝对压力p的工况下的体积流量为Q，基准状态和标准状态下的体积流量可表示为：空气压缩机的输出流量通常用换算到吸入口的大气状态下的体积流量来表示。
以上公式同样适用于从吸入口的大气状态到基准或标准状态的换算。
气动孔口流量在气动系统中，一般需要计算通过节流口的气体压力、流量、温度等参数，但是由于气体的可压缩性，气体在通过节流口时是个很复杂的过程，节流口前后的流道突然收缩或扩张，气体在孔口前后均会形成涡流，产生强烈的摩擦，因而机械能变成热能具有不可逆过程。
同时，由于流体运动的极不规则，同一界面上的各点参数极不均匀。
为了研究气体的流量特性，基本上可将阀中的节流口理想地等价为一个小孔或收缩喷嘴，并用小孔或者收缩喷嘴的流量特性来表示其流量特性。
式中 u——缩流处的流速k ——空气的比热ρ0 ——喷嘴上游空气密度(kg/m3)p0 ——上游压力(bar)p1——下游压力(bar)因为是等熵流动，将绝热过程公式带入替换密度ρ1可得流经收缩喷嘴的质量流量：式中 R ——气体常数(J/(kgK))T0——上游空气的绝对温度(K)A1——喷嘴出口面积(mm2)这里A1比喷嘴入口处截面积A 0小，两者的比是：称之为缩流系数。
缩流系数根据收缩喷嘴入口的形状及尺寸不同，一般在0.85～0.95 之间的范围内。
当质量流量达到最大时，即流量达到饱和，此时的压力比P1/P0就是临界压力比。
根据气体绝热过程的能量方程式可得临界压力比b为：压力比P1/P0比临界压力小时，流动为声速流。
将临界压力比代入质量流量计算式则：实际上气体流过复杂的内部元件时，流动损失是不能忽略的。
在一定的上游条件和一定的压差条件下，实际通过元件的质量流量将小于按理论公式计算出来的理论质量流量。
则实际流量应为：（重要公式）式中 Cq流量系数：实际流量与理论流量之比当进口的流量系数是一个定值时，那么流过收缩喷嘴的焓流量如下式：式中 Cq ——等压比热(Nm/kg/K)h ——单位质量流量的焓(J/s/kg)注意到在收缩喷嘴处的气体音速表达式是：式中 Tvc——喷嘴下游温度(K)结合质量流量计算式可以推导出：流量系数（重要公式）实际的气动系统中，由于气动元件的节流方程可知节流孔的面积不等于其气流的节流面积，要知道小孔的节流面积是十分困难的，因而流量系数的测定很难做到精确。
而且在实际工程中，不可能逐一的用实验来测定其流量系数，实际上流量系数是一个不断变化的量，因为它不仅跟阀口或者小孔的上下游压力差有关，而且还与阀口或者小孔的类型、开度及气流的流动方向等因素有关。
然而我们在工程设计和仿真时，经常把流量系数看作一个常数，但这样必定会给系统的最终计算结果带来一定的误差，因此针对不同类型的阀口，选取合适的流量系数能真实的反映实际情况，这在建模过程中是十分必要的。
实际的气动元件不同于单个喷嘴，因为每个实际元件并非是单个节流口，而是与流通界面面积相串联的、任意形式收缩的一串喷嘴群，显然，当气体通过串联的两个喷嘴时，当其中任何一个喷嘴达到临界状态时，气流都会发生阻塞而得到最大流量。
然而由于总压力比的原因，因此任何时候的临界压力比都应该小于 0.5283。
在利用 AMESim 软件进行气动元件建模时可以充分利用相关流量系数的曲线图和相关点的数值，只要把这些数值通过 AMESim 中的 Table 编辑器后即可生成“.data”数据文件如图所示，图中显示的是流量系数随上下游压力比和阀口开度关系的二维线性样条变化曲线，该文件可以很方便的在元件模型系统仿真时调用，这样一来可以保证元件流量系数的准确性同时也确保了流量计算的正确。
（打开方式：tools-table editor）1.2 温度压力方程根据热力学第一定律和能量守恒定律推知一个系统(开口或闭口、与外界发生或不发生热交换)的内部能量变化方程为：式中 dQ/dt——外界加入控制体的热量的变化(J/s)dW/dt——控制体内气体对外做功的变化(J/s)dV/dt——腔室体积变化(m3/s)Aex ——元件的热交换面积(m2)T ext——外界温度(K)T ——腔室内气体温度(K)K ——气体热交换系数(J/m2/s)假设单位质量气体的内能是u ，所以气体的内能为：联立dU/dt与U方程得：对于理想气体，单位气体的内能也是温度的函数所以有：式中C V——比定容热容(Nm/kg/K)因为理想气体的状态方程为：上式两边对时间t微分即可求得压力的一阶微分方程式：然而对于变体积的热气动腔室来说，由于气体自身的温度在不断的变化，所以单位气体的内能也是不断的变化，用公式表示即为：综合方程式，可得变体积气动腔室温度变化的一阶微分方程通式：（重要公式）在此公式中，m i、h i表示的是在一开口或闭口系统之中气体带入控制体的焓与气体流出控制体的焓之和，流入的为正值，流出的为负值。
上述所推导的流量、温度和压力方程在气动系统中建模时普遍适用，但针对个别具体的气动元件还有一些个别相关的方程需要计算。
小结：本节针对气体的流量、常见类型的小孔和喷嘴状阀口的流量系数以及温度压力方程进行了详细的分析论述，得出如下结论：(1)通过对流量、温度压力方程推导所得到的相关一阶微分方程在气动元件建模中普遍实用。
(2)流量系数本身是一个不断变化的值，其值的变化情况不仅与阀口处上下游的静压力比有关而且还与阀口的开度大小有关。
通常情况下流量系数都是随阀口的上下游压力的比值增大而增加的，阀口的开度越大时相应的流量系数也是越大的。
通过对一些类型的小孔和喷嘴状阀口的流量系数的分析后，从方便应用的角度出发对它们的流量系数的取值给出了一个合适的取值范围以供使用时作为参考。
根据需要可以将流量系数随变量的变化关系通过 AMESim 设置成数据文件的形式，在进行元件模型系统仿真时能够调用该文件或者直接调用表达式，保证了流量系数或其它相关参数的正确性。
2.气动主要元件及系统的建模与仿真2.1 AMESim介绍AMESim 环境下的气动控制系统建模常采用自上而下的建模方法，把复杂的系统模块化，使得抽象的系统具体化，AMESim 仿真机构框架如图所示。
AMESim 具有丰富的模型库，用户可以采用基本元素法，按照实际物理系统来构建自定义模块或仿真模型，不需要推导复杂的数学模型。
在AMESim 中，用于气动系统建模的气动库中包括了一些在气动系统中经常使用的气动元件图标，这些图标直观形象地表现了气动元件的功能，每个图标有一个或多个数学模型与之对应，用于描述气动元件的特性，以便更真实地模拟气动系统的参数并进行仿真研究。
以PCD中的带环形孔口的滑阀设计一个三通阀为例进行说明。
在完成草图后，在子模型模式中可以更换子模型，然后在参数模式中中设置各个参数，最后进行运行仿真。
在 AMESim 中，每一个子模型都是由语言程序代码编写的。
在建模过程中，如果遇到AMESim 标准库中没有的子模型，可以通过 AMEset（模型、文档生成器）编辑子模型，来扩充 AMESim 应用库。
以下是方波信号的c语言代码：气动元件的数学模型是依据气体状态方程和质量守恒定律以及等熵方程等建立，同时也考虑到了一些元件的动态特性，为了方便地建立数学型，一般都会做一些假设，比如：(1)气体流过阀口或其它限流孔时，均为等熵流动；(2)腔室内气体的压力场和温度场均匀；(3)气体粘度小时，忽略控制截面处粘性阻力的影响；(4)不考虑引力场对气流的作用；等等。
2.2 气体回路分析以列车中一个简单的气动回路为例进行说明。
该回路描述的是两个压力储能容器释放气体进入到第三个储能器中。
这个系统中三个储能器的体积分别为(800L、400L 和100L)通过两个截面积分别是500mm2和 20mm2的节流口和气管连接而成的，它们的初始压力分别是12bar、7bar 和1 bar，而初始温度是293.15 K，所采用的仿真时间是20秒，步长为0.01秒。
经过仿真之后，可知在第三个腔室达到稳定之前，两个较高压力的腔室首先达到了稳定状态，这个最终的稳定压力大概是 8.7bar 在仿真时间进行到 18 秒左右时到达。
气体由节流口面积为500mm2和20mm2的节流口进入储能器 2 和 3，因而气体流量因为较大的节流口面积而较快达到稳定，通过小的节流口时候，节流口达到稳定过程就需要耗费较长的时间，同时也因为储能器之间的高压力比而导致了音速饱和流，而这种情况可以通过质量流参数Cm来反映。
这个例子，需要设置的参数不多，但对于一些复杂的系统来说，需要设置的参数十分庞大，要得到满意的结果往往需要反复不断的试值才能找到一个满意的结果。
2.3 调压阀PCD模型调压阀在气动系统中起到稳定系统压力的作用，AMESim对元件进行仿真，可以模拟调压阀在气源压力波动和负载变化的情况下的稳压效果。
比如B10调压阀可以类似地看为这种调压阀。
通过一个可变节流孔来控制气源压力的变化，另外一个可变节流孔来控制负载的变化，气源为一个简单的温度压力源。
在建模过程中最重要的是对各个子模块设置参数，准确的参数使得系统模型更加精确。
下图所示为气体喷嘴平板阀子模型PNAPO32-1 的参数列表。
设置阀口的开口量为零，表明在没有气源通过时，阀芯处于关闭状态。
再通过阀芯质量的参数列表设置阀芯的最大位移为 2 mm。
在 0～1 秒内控制气源的可变节流孔逐渐打开并在 1 秒后保持恒定，这时控制负载的可变节流口开始逐渐打开，并在 2 秒时保持稳定。
