基于ADAMS-MATLAB的汽車主動懸架聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計與控制

1、HUNAN UNIVERSITYSIT論文 論文題目: 基于ADAMS/MATLAB的汽車主動懸架的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計與控制 學(xué)生姓名: 林彬、 張虎 學(xué)生學(xué)號: 20040410214、 20040410222 專業(yè)班級: 2004級車輛工程2班 指導(dǎo)老師: 宋曉琳 院長 （系主任）： 劉 桂 榮 2007 年10月29日基于ADAMS/MATLAB的汽車主動懸架聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計與控制 摘要目前對車輛主動懸架控制的研究基本上是通過建立其數(shù)學(xué)模型, 然后利用MATLAB 軟件仿真, 得到設(shè)計的控制器的最終減振效果。數(shù)學(xué)模型的精確程度對主動懸架的控制效果有著巨大的影響,而有時精確數(shù)學(xué)模型的建立非常困難，所

2、以，通過這種方式設(shè)計出來的控制器, 與實際應(yīng)用中控制效果有很大的差別。本文應(yīng)用PID算法理論，以車身垂直加速度、懸架變形、車輪動載為控制目標(biāo)，在ADAMS/View中建立汽車1/4的懸架虛擬模型，將被動懸架修改成主動懸架后，利用ADAMS/Controls控制模塊與MATLAB進行聯(lián)合仿真。關(guān)鍵詞：ADAMS，MATLAB，主動懸架，PID控制器，聯(lián)合仿真Co-optimization Design and Control of Vehicle Active Suspension Based on ADAMS and MATLAB AbstractUp to now, the control

3、strategies study for vehicle active suspension is generally based on math model of active suspension. Establishing a math model of active suspension, and then get the effects of the designed shock-absorber by MATLAB software. The exactitude of math model of active suspension has a great effect on co

4、ntrol performance of active suspension. And sometime, an exact math model of active suspension is difficult to build. So the absorber designed by this means cant get a good effect in practice. In this paper, by applying PID algorithm theory, build a virtual model of quarter-passive-suspension by usi

5、ng ADAMS/View, translate the passive suspension to active suspension, simulate the active suspension by MATLAB software, and get the result of co-simulation in ADAMS/Controls. Key Words: ADAMS, MATLAB, Active Suspension, PID Controller, Co-simulation 目錄第一章 緒論- 1 -1.1 課題背- 1 -1.2 本文研究的課題- 1 -1.3 ADAM

6、S 簡介- 1 -1.4 MATLAB 簡介- 2 -第二章 懸架對汽車性能的影響- 3 -2.1 概述- 3 -2.2 懸架對車輛性能的影響- 3 -2.3 優(yōu)化目標(biāo)- 5 -第三章 建立聯(lián)合仿真系統(tǒng)模型- 6 -3.1構(gòu)造ADAMS模型- 6 -3.1.1 ADAMS/View建模- 6 -3.1.2 確定ADAMS輸入輸出- 11 -3.1.3 定義ADAMS/Controls模塊的輸入輸出- 12 -3.2 構(gòu)建MATLAB/Simulink 控制系統(tǒng)- 13 -3.2.1 控制算法簡述- 13 -3.2.2 控制系統(tǒng)建模- 14 -3.2.3 仿真參數(shù)設(shè)置- 17 -第四章 聯(lián)合仿真

7、及結(jié)果分析- 19 -4.1 概述- 19 -4.2 隨機路面輸入- 19 -4.2.1 路面不平度的統(tǒng)計特性- 19 -4.2.2 積分白噪聲隨機路面譜的生成- 20 -4.2.3 PID參數(shù)整定- 21 -4.2.4 后處理及仿真結(jié)果分析- 21 -4.3 階躍路面輸入- 24 -結(jié)論- 28 -結(jié)束語- 29 -致謝- 30 -參考文獻- 31 - 第一章 緒論1.1 課題背景 隨著科技的發(fā)展，計算機輔助設(shè)計技術(shù)越來越廣泛運用于各個設(shè)計領(lǐng)域?，F(xiàn)在，它已經(jīng)突破了二維圖紙電子化的框架，轉(zhuǎn)向以三維實體建模、動力學(xué)模擬仿真和有限元分析為主線的虛擬樣機制作技術(shù)。在汽車行業(yè)， 用UG、Pro/E 等

8、建模，用ANSYS等進行有限元分析， 用ADAMS等進行動力學(xué)仿真已經(jīng)成為一種主流。在各種CAD、CAE、CAM技術(shù)中，利用虛擬樣機技術(shù)對機械和控制系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真技術(shù)是近年來發(fā)展較快的一種。ADAMS/Controls模塊和MATLAB的聯(lián)合仿真為機械和控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真提供了一種全新的方法。在傳統(tǒng)設(shè)計中，機械工程師和控制工程師雖然在共同設(shè)計開發(fā)一個系統(tǒng)，但是他們都需要各自建立一個模型，然后采用不同分析軟件，對機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行獨立的設(shè)計、調(diào)試和試驗。最后建造一個物理樣機，進行機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試。如果發(fā)現(xiàn)問題，機械工程師和控制工程師又需回到各自的模型中，修改系統(tǒng)，然后再進行物理

9、樣機的聯(lián)合調(diào)試。使用ADAMS/Controls控制模塊，機械工程師和控制工程師可以共享一個虛擬樣機模型，進行設(shè)計、調(diào)試和試驗?？梢岳锰摂M樣機對機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行反復(fù)的聯(lián)合調(diào)試，直到獲得滿意的設(shè)計效果，然后再進行物理樣機聯(lián)合調(diào)試。顯然，利用虛擬樣機技術(shù)對機械和控制系統(tǒng)進行聯(lián)合設(shè)計、調(diào)試和試驗的方法，同傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，具有較明顯的優(yōu)勢，可以大大提高設(shè)計效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品的競爭力。1.2 本文研究的課題本文研究的課題是基于ADAMS/MATALB的汽車主動懸架的聯(lián)合仿真。利用ADAMS軟件建立了汽車被動懸架的1/4的2自由度的虛擬樣機模型,施加一個控制力，將被

10、動懸架改進為主動懸架模型。然后通過ADAMS/Controls接口，與MATLAB進行聯(lián)合仿真。這種優(yōu)化設(shè)計方法擺脫了傳統(tǒng)主動懸架設(shè)計中先對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化得出結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后再對控制器進行優(yōu)化，避免了繁瑣的動力學(xué)方程和控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的推導(dǎo)，也避免了控制參數(shù)的分離化設(shè)計導(dǎo)致的設(shè)計參數(shù)只能達到局部最優(yōu)而難以達到全局最優(yōu)的缺點。1.3 ADAMS 簡介ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件是美國MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司開發(fā)的機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件，它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力

11、庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格朗日方程法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。ADAMS軟件包括核心模塊ADAMS/View和ADAMS/Solver,以及Controls、PostProcessor等其他擴展模塊。ADAMS/View(界面模塊)是以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，它提供豐富的零件幾何圖形庫、約束庫和力庫，將便捷的圖標(biāo)操作、菜單操作、鼠標(biāo)點取操作與交互式圖形建模、仿

12、真計算、動畫顯示、優(yōu)化設(shè)計、X-Y曲線圖處理、結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等功能集成在一起。ADAMS/Solver(求解器)是ADAMS軟件的仿真“發(fā)動機”它自動形成機械系統(tǒng)模型的動力學(xué)方程，提供靜力學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)的解算結(jié)果。ADAMS/Solver有各種建模和求解選項，以便精確有效地解決各種工程問題。ADAMS/Controls(控制模塊)可以通過簡單的繼電器、邏輯與非門、阻尼線圈等建立簡單地控制機構(gòu)，或利用在通過用控制系統(tǒng)軟件（如：MATLAB、MATRIX、EASYS）中建立的控制系統(tǒng)框圖，建立包括控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)和運動機械系統(tǒng)的仿真模型。ADAMS/PostProcessor（

13、后處理）是ADAMS軟件仿真結(jié)果分析的后處理模塊。它主要提供兩個功能：仿真結(jié)果回放和繪制分析曲線。1.4 MATLAB 簡介20世紀(jì)70年代后期，身為美國New Mexico大學(xué)計算機系主任的Cleve Moler，利用業(yè)余時間為學(xué)生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler MATLAB是一種面向科學(xué)和工程計算的高級計算機語言，現(xiàn)已成為國際科技界公認的最優(yōu)秀的應(yīng)用軟件，在世界范圍內(nèi)廣為流傳和使用。該軟件的特點是：強大的計算功能、計算結(jié)果和編程可視化及極高的編程效率，這是其他軟件無與倫比之處。MATLAB包含了幾十個工具箱，涉及自動控制、人工智能、系統(tǒng)辨識、模式識別、

14、動態(tài)仿真、信號分析、圖像處理、數(shù)值計算和分析等學(xué)科，廣泛應(yīng)用于通訊。工業(yè)控制、電子、機械、汽車、建筑、財經(jīng)、生命科學(xué)等工程技術(shù)領(lǐng)域。它汲取了當(dāng)今這些領(lǐng)域的最新研究成果，使之迅速成為從事科學(xué)研究和工程設(shè)計不可缺少的工具軟件。Simulink是MATLAB的一個附加組件，采用模塊組合的方法來創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型，其重要特點是快速、準(zhǔn)確。它可以用于模擬線性與非線性系統(tǒng)，連續(xù)與非連續(xù)系統(tǒng)，或它們的混合系統(tǒng)，是強大的仿真工具。 除此之外，它還提供了圖形動畫處理方法，以方便用戶觀察系統(tǒng)仿真的整個過程。Simulink提供了一種函數(shù)規(guī)則S函數(shù)。S函數(shù)可以是一個M文件、C語言程序或其他高級語言程序。Sim

15、ulink模塊可以通過一定的語法規(guī)則來調(diào)用S函數(shù)，使得仿真功能大大加強。第二章 懸架對汽車性能的影響2.1 概述 懸架系統(tǒng)是車輛的一個重要組成部分。車輛懸架性能是影響車輛行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性的重要因素。傳統(tǒng)的被動懸架一般由具有固定參數(shù)的彈性元件和阻尼元件組成，被設(shè)計為適應(yīng)某一種路面，限制了車輛性能的進一步提高。20世紀(jì)70年代工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)開始研究基于振動主動控制的主動、半主動懸架系統(tǒng)。懸架作為汽車上的重要總成之一，它把車身和車輪彈性地連接在一起。懸架的主要作用是傳遞作用在車輪和車身之間的一切力和力矩，比如支撐力、制動力和驅(qū)動力等，并且緩和由不平路面?zhèn)鹘o車身的沖擊載荷、衰減由此

16、引起的振動、保證乘員的舒適性、減小貨物和車輛本身的動載荷。懸架與汽車的多種使用性能有關(guān)，為滿足這些性能，懸架系統(tǒng)必須滿足以下性能的要求：首先，懸架系統(tǒng)要保證汽車有良好的行駛平順性，對以載人為主要目的的轎車來講，乘員在車中承受的振動加速度不能超過國標(biāo)的規(guī)定值。其次，懸架要保證車身和車輪在共振區(qū)的振幅小，振動衰減快。再次，要能保證汽車有良好的操縱穩(wěn)定性，一方面懸架要保證車輪跳動時，車輪定位參數(shù)不發(fā)生很大的變化，另一方面要減小車輪的動載荷和車輪跳動量。還有就是要保證車身在制動、轉(zhuǎn)彎、加速時穩(wěn)定，減小車身的俯仰和側(cè)傾。最后要保證懸架系統(tǒng)的可靠性，有足夠的剛度、強度和壽命。所以，汽車懸架是保證乘坐舒適性

17、的重要部件。同時，汽車懸架作為車架(或車身)與車軸(或車輪)之間的連接和傳力機構(gòu)，又是保證汽車行駛安全的重要部件。因此，汽車懸架往往列為重要部件編入轎車的技術(shù)規(guī)格表，作為衡量轎車質(zhì)量的指標(biāo)之一。 近年來電子技術(shù)、測控技術(shù)、機械動力學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展，使車輛懸架系統(tǒng)由傳統(tǒng)被動隔振發(fā)展到振動主動控制。特別是信息科學(xué)中對最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的研究，不僅使懸架系統(tǒng)振動控制技術(shù)在現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下更趨完善，同時已開始應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)的振動控制，使懸架系統(tǒng)振動控制技術(shù)得以快速發(fā)展。隨著車輛結(jié)構(gòu)和功能的不斷改進和完善，研究車輛振動，設(shè)計新型懸架系統(tǒng)，將振動控制到最低水平是提高現(xiàn)代

18、車輛質(zhì)量的重要措施。 2.2 懸架對車輛性能的影響懸架對汽車的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性和行駛安全性等都有影響，本次SIT課題的研究方向是懸架性能對汽車的行駛平順性、行駛安全性的影響。（1）汽車行駛平順性的評價方法1）基本評價方法：ISO2631-1：1997（E）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)振動波形峰值系數(shù)<9時，用加權(quán)加速度均方根值來評價振動對人體舒適和健康的影響。根據(jù)測量，各種車輛包括越野汽車，在正常行駛工況下對這一方法均適用。對記錄的加速度時間歷程，通過相應(yīng)的頻率加權(quán)函數(shù)的濾波網(wǎng)絡(luò)得到加權(quán)加速度時間歷程,按下式計算加權(quán)加速度均方根值 （2-1式）表2-1給出了加權(quán)加速度均方根值與人體的主觀感覺之間的

19、關(guān)系。 表2-1加權(quán)加速度均方根值（）人體主觀感覺<0.315沒有不舒適0.3150.63有一些不舒適0.51.0相當(dāng)不舒適0.81.6不舒適1.252.5很不舒適>2.0極不舒適 2）輔助評價方法：當(dāng)峰值系數(shù)>9時，ISO2631-1：1997（E）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用4次方和根值的方法來評價，它能更好地估計偶爾遇到過大的脈沖引起的高峰值系數(shù)振動對人體的影響，此時采用輔助評價方法振動劑量之為 VDC= （2-2式）（2）主動懸架數(shù)學(xué)模型（2-3式）式中，為可控力部分，非簧載質(zhì)量和簧載質(zhì)量分別代表了車身質(zhì)量和車輪質(zhì)量；、分別表示路面輸入位移、非簧載質(zhì)量位移、簧載質(zhì)量位移；、為懸架剛度和

20、阻尼系數(shù)；為車輪的剛度。圖2-1 主動懸架數(shù)學(xué)模型 （3）車輪動載車輪與路面之間的動載影響車輪與路面的附著效果，與行駛安全性有關(guān)。按下式計算 （2-3式） 或者 （2-4式）即直接用車輪變形與輪胎剛度的乘積來表示。2.3 優(yōu)化目標(biāo)車身加速度是評價汽車平順性的主要指標(biāo)，另外，懸架彈簧動撓度與其限位行程（懸架允許的最大行程）有關(guān)。當(dāng)它們配合不當(dāng)時會增加撞擊限位緩沖塊的幾率，使平順性變壞。車輪與地面間的動載的方向是上、下交變的。當(dāng)與車輪作用于路面的靜載大小相等時且方向相反時，車輪作用于路面的垂直載荷等于零。此時，車輪會跳離路面，將失去縱向和側(cè)向附著力，使行駛安全性惡化。本課題研究的對象是保持被動懸架

21、各參數(shù)不變，將其改進為主動懸架后，比較行駛平順性和行駛安全性的前后變化，即本次聯(lián)合仿真優(yōu)化和控制的目標(biāo)是提高汽車的行駛平順性和行駛安全性。而這可以通過三個參數(shù)車身垂直加速度、懸架變形和車輪動載，分別求出它們的最大值和均方根值來評價優(yōu)化的效果。第三章 建立聯(lián)合仿真系統(tǒng)模型3.1構(gòu)造ADAMS模型3.1.1 ADAMS/View建模（1）在View中建立懸架的虛擬樣機模型：主要有以下步驟：1）新建模型：打開ADAMS/View界面，創(chuàng)建一個新模型，命名為M_suspention。如圖3-1 圖3-1 新建模型對話框2）創(chuàng)建設(shè)計點：選擇ADAMS/View主工具箱中零件庫的點（Point），選擇“A

22、dd to Ground”和“Dont Attach”，然后點擊“Point Table ”，根據(jù)表3-1 ，輸入各點的坐標(biāo)，創(chuàng)建主要設(shè)計點（如圖3-2）。 表3-1 主要設(shè)計點坐標(biāo)PointsPoint NamesXYZPoint 1lca_out（下橫臂外點）0.0198.2-347.5Point 2lca_front（下橫臂前點）-78.0198.2-13.0Point 3lca_rear（下橫臂后點）-13.0198.2-5.0Point 4upper_link（懸架上掛點）26.0693.0-278.0Point 5spring_bearing（彈簧下支座點）8.0401.0-326

23、.0Point 6knuckle_inner（車軸內(nèi)點）1.0276.0-380.0Point 7knuckle_outer（車軸外點）0.0275.0-580.0 圖3-2 點列表編輯器 生成點之后，分別對應(yīng)地按順序重命名各點。3）創(chuàng)建下橫臂（lca）：在零件庫中選擇連桿（Link），以lca_out和lca_front，lca_out和lca_rear為端點分別創(chuàng)建兩個連桿， 然后將它們合并(Unite Two Solids)為一個物體，重命名為“l(fā)ca”，并將其質(zhì)量修改為0.1kg。4）創(chuàng)建轉(zhuǎn)向節(jié)總成（knuckle_assembly）：分別以spring_bearing和knuckle

24、_inner，knuckle_inner和lca_out為端點分別創(chuàng)建兩個圓柱體，將它們合并為一個物體，重命名為“knuckle_assembly”，并將其質(zhì)量修改為0.1kg。5）創(chuàng)建車軸（knuckle）：選擇零件庫中的圓柱體（Cylinder），以knuckle_inner和 knuckle_outer為端點創(chuàng)建一個圓柱體，重命名為“knuckle”，并將其質(zhì)量修改為0.1kg。 6）創(chuàng)建彈簧下支座（spr_down_holder）：以spring_bearing為質(zhì)心，長度設(shè)置為30（mm），創(chuàng)建一個圓柱體，重命名為“spr_down_holder”，然后將其質(zhì)量修改為0.1kg。7）

25、創(chuàng)建彈簧下支座（spr_up_holder）：以upper_link為質(zhì)心，長度設(shè)置為30（mm），創(chuàng)建一個圓柱體，重命名為“spr_up_holder”，然后將其質(zhì)量修改為0.1kg。8）創(chuàng)建車身（chassis）：以upper_link為下端點， 沿y軸正方向創(chuàng)建一個長200（mm）,寬200（mm），高50（mm）的方塊（Box），代替車身，重命名為“chassis”，將其質(zhì)量修改為330.0kg。9）創(chuàng)建車輪（wheel）：以knuckle_inner和 knuckle_outer為端點，半徑設(shè)置為300（mm），創(chuàng)建一個圓柱體，重命名為“chassis”， 將其質(zhì)量修改為25.0kg

26、。懸架系統(tǒng)的質(zhì)量分為簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量，簧載質(zhì)量即車身質(zhì)量，模型中的車身質(zhì)量并非指整個車身的總質(zhì)量，而是指作用于此懸架上的車身質(zhì)量。而將下橫臂、轉(zhuǎn)向軸總成、車軸、彈簧上下支座的質(zhì)量均取為0.1kg，目的是將車輪的質(zhì)量等效于非簧載質(zhì)量。本模型中取簧載質(zhì)量為330.0kg，非簧載質(zhì)量取為25.0kg。10）創(chuàng)建測試平臺（testpatch）：創(chuàng)建一個方塊代替路面，再創(chuàng)建一個圓柱體支撐該方塊，然后將方塊和圓柱體合并，重命名為“testpatch”。（2）施加約束：創(chuàng)建好懸架系統(tǒng)的各構(gòu)件之后，給各構(gòu)件施加約束。按表格3-2所示，給模型施加約束。 表3-2（3）給模型施加驅(qū)動：選擇主工具箱的直線驅(qū)動（

27、Translational Joint Motion），選擇測試平臺和大地之間的移動副（Translational Joint）添加一個驅(qū)動（Motion1）。（4）創(chuàng)建彈簧：1）減振器彈簧：選擇主工具箱的彈簧（spring），在upper_link和spring_bearing兩點之間創(chuàng)建減振器彈簧（spring1）。選中spring1， 點擊鼠標(biāo)右鍵，選“Modify”，在“Stiffness Coefficient”選框內(nèi)輸入“13.0”，在“Damping Coefficient”選框內(nèi)輸入“1.0”。即減振器彈簧的剛度為13.0N/mm，阻尼為1.0N·s/ mm。2）車輪

28、等效彈簧： ADAMS中實體的變形無法直觀地表示，可以用一個彈簧的變形等效為車輪的變形，以便觀察車輪的變形情況。在wheel.cm和testpatch.cm 之間創(chuàng)建spring2。選中spring2， 點擊鼠標(biāo)右鍵，選“Modify”，在“Stiffness Coefficient”選框內(nèi)輸入“170.0”。由于車輪的阻尼很小，可忽略，故選“No Damping”項。即車輪的剛度為170.0 N/mm，無阻尼。（5）做靜平衡：1）選擇主工具箱的仿真動畫控制圖標(biāo)（Interactive Simulation Controls），按圖3-3設(shè)置，結(jié)束時間（End Time）設(shè)置為“5.0”，“S

29、teps”設(shè)置為“100”，然后點擊靜平衡圖標(biāo)（Find static equilibrium）。2）給彈簧施加預(yù)載：做了靜平衡后，計算機自動計算出作用在兩個彈簧上的靜載。分別將相應(yīng)的數(shù)值輸入“Preload”，如圖3-4、圖3-5。3）點擊仿真開始圖標(biāo)，觀察模型運動情況。圖3-3 仿真動畫設(shè)置對話框（6）檢查模型是否有誤：打開菜單欄，在“Tools”下拉菜單中選“Database Navigator”（數(shù)據(jù)庫瀏覽），檢查各構(gòu)件的情況。除了查看數(shù)據(jù)庫之外，還應(yīng)該查看模型的約束和自由度。打開“Information”，查看相關(guān)信息，如圖3-6。 圖3-6 模型約束和自由度信息1個物體共有6個自由

30、度，1個鉸接副約束5個自由度，1個球副約束3個自由度，1個移動副約束5個自由度，1個固定副約束6個自由度，1個萬向節(jié)副約束4個自由度，1個驅(qū)動約束1個自由度，所以模型的自由度計算式： （3-1式）剩下兩個自由度為地面坐標(biāo)系Y移動，Z轉(zhuǎn)動。至此，ADAMS/View實體建模完成，保存模型，如圖3-7。 圖3-7 懸架模型3.1.2 確定ADAMS輸入輸出 （1）定義狀態(tài)變量：在Build菜單，選擇“System Elements” 項，再選擇“State Variable”，最后選擇“New”，按表格3-3所示，分別創(chuàng)建輸入輸出狀態(tài)變量。表3-3 狀態(tài)變量表狀態(tài)變量名變量方程輸出車身垂直加速度（

31、chassis_acc）F=ACCY(chassis.cm)車身垂直速度（chassis_vel）F=VY(chassis.cm)懸架變形（susp_def）F=DY(wheel.cm)-DY(chassis.cm)+432.5車輪垂直變形（wheel_def）F=DY(testpatch.cm)-DY(wheel.cm)+321.3262331輸入控制力（control）F=0 控制力（control）的方程F=0。因為控制力的值不是在View中給定的， 而是自動根據(jù)聯(lián)合仿真控制程序的輸出實時刷新，輸出。（2）定義輸出函數(shù)： 在模型中定義一個作用力SFORCE，由彈簧下支座作用于上支座，方程

32、為： SFORCE= VARVAL(.M_suspension.control) （3-2式）3-1式中，VARVAL()是一個ADAMS函數(shù)，它返回變量.M_suspension.control的值。也就是說作用力SFORCE從輸入變量control處獲得。3.1.3 定義ADAMS/Controls模塊的輸入輸出在View菜單欄的Controls 下拉子菜單欄中選“Plant Export”項，然后在“Plant Input”欄單擊鼠標(biāo)右鍵，在“Plant Input”右拉菜單中選“Create”，在“Variable Name”欄單擊鼠標(biāo)右鍵，出現(xiàn)圖3-8所示畫面，單擊“Browse”，

33、出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫瀏覽器，先后選擇chassis_acc、chassis_vel、susp_def、wheel_def四個變量。 圖3-8 設(shè)置狀態(tài)變量對話框同理，設(shè)置“Plant Output”項，選control作為ADAMS/View輸出變量，輸入到MATLAB/Simulink控制系統(tǒng)中。在“File Prefix”項輸入字符串“mytest”，作為即將生成文件（共三個文件，包括一個可作為MATLAB/Simulink的S函數(shù)名為mytest.m的文件）的文件名。在“control Package”欄中選“MATLAB”選項，即選MATLAB進行聯(lián)合仿真。在“Type”欄，選“non_line

34、ar”項。這是由于懸架模型是非線性模型。在“Initial Static Analysis”欄，選“Yes”，表示聯(lián)合仿真所調(diào)用的View中的模型是經(jīng)過靜平衡仿真后的模型。詳細設(shè)置如圖3-9。 圖3-9 Controls與MATLAB接口設(shè)置對話框 3.2 構(gòu)建MATLAB/Simulink 控制系統(tǒng)3.2.1 控制算法簡述目前應(yīng)用于車輛懸架控制系統(tǒng)的控制方法主要有現(xiàn)代控制方法(如自適應(yīng)控制方法、預(yù)見控制方法、最優(yōu)控制方法及魯棒控制方法)和智能控制方法(如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制)以及復(fù)合控制方法。本課題研究的主要目的是學(xué)習(xí)掌握機電一體化聯(lián)合仿真的過程。為簡單起見，本次研究的是用一種較簡單的控制

35、方法比例積分微分控制，簡稱PID控制，進行聯(lián)合仿真。 比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反映系統(tǒng)的偏差。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。比例作用增大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：是消除或減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但是，加入積分調(diào)節(jié)使得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)變慢，可能使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強。反之，Ti大則積分作用弱。微分調(diào)節(jié)作用：反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改

36、善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。但是，微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。圖3-10中給出了一個PID控制的結(jié)構(gòu)圖。 圖3-10 PID結(jié)構(gòu)示意圖數(shù)字PID控制器的控制規(guī)律可以用以下式子來表示： （3-3式）3.2.2 控制系統(tǒng)建模 控制系統(tǒng)建模的目的是建立懸架機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)一體化的樣機模型。整個控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖3-11： 圖3-11 ADAMS控制系統(tǒng)總框圖通過在MATLAB/Simulink中調(diào)用在ADAMS/Controls中生成的“myte

37、st.m”文件，添加其它模塊，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的建模，步驟如下：（1）啟動MATLAB程序，在命令窗口中輸入：mytest，MATLAB返回相應(yīng)的狀態(tài)變量名；（2）輸入ADAMS模塊：在命令窗口中繼續(xù)輸入：adams_sys，顯示圖3-12。新建一個空白窗口，命名為“adams_1”。將圖3-12中所示的adams_sub模塊復(fù)制到新建的adams_1中。雙擊adams_sub模塊，顯示圖3-13； 圖3-12 圖3-13（3）設(shè)置Simulink仿真參數(shù)： 鼠標(biāo)雙擊圖3-13中ADAMS Plant 模塊，按照圖3-14設(shè)置參數(shù)。 有三個需要設(shè)置的地方（橢圓標(biāo)示處）： 1）Output file

38、s prefix 欄，輸入“test_1”，將輸出文件名為test_1.res的仿真結(jié)果。 2）Simulation mode 欄，選“discrete”項，即選離散方式進行聯(lián)合仿真。對于大多數(shù)聯(lián)合仿真分析，離散方式通常是較有效的仿真方式。同連續(xù)方式（continuous）相比，離散方式分析速度快，并且能夠適用于非常復(fù)雜的樣機模型。 3）Animation mode 欄，選“Interactive”項，即選實時跟蹤顯示仿真過程的方式進行聯(lián)合仿真。圖3-14 ADAMS Plant模塊參數(shù)設(shè)置 （4）按照圖3-15所示，打開Simulink Library Browser，將adams_sub模

39、塊補充完整。 圖3-15 控制系統(tǒng)模型框圖系統(tǒng)由兩個數(shù)字PID控制器，一個adams_sub模塊，和四個顯示器構(gòu)成。 adams_sub模塊是連接ADAMS和MATLAB的接口模塊，用來調(diào)用ADAMS/View中懸架模型。兩個PID控制器分別控制車身垂直加速度和車身垂直速度， 經(jīng)過計算，累加，得到一個值輸入到adams_sub中，這個值就是control，control的值再返回給SFORCE，作用于車身。設(shè)置四個顯示器是為了便于觀察控制效果。3.2.3 仿真參數(shù)設(shè)置 點擊圖3-15菜單欄中的Simulation，在彈出的下一層菜單中，選擇Simulation parameters項， 顯示圖

40、3-16參數(shù)設(shè)置對話框。（1）在Stop time 欄，輸入仿真結(jié)束的時間。根據(jù)不同的路面輸入設(shè)置不同的值。（2）在Solve options 欄，分別選“Variable-step”和“ode45(Dormand-Prince)”，即選變步長解法和ode45解法。Ode45解法是連續(xù)狀態(tài)系統(tǒng)默認最好的解法，是變步長4、5階的Runge-Kutta解法。（3）其它參數(shù)取默認值即可。 圖3-16 第四章 聯(lián)合仿真及結(jié)果分析4.1 概述不計車輪寬度，在行駛方向上的路面縱斷面內(nèi)，路面輸入是以汽車行駛方向上的位移（S）為自變量，以豎直方向上地面高度(q)為因變量的一個函數(shù)，即q=F（S）。設(shè)汽車以恒定

41、的速度u在路面上行駛，則行駛方向上的位移S=u·t，t為時間，因此，只要u不變，豎直方向上的地面高度q可以表示為q=F（t）。在本課題研究中，正是以一個直線驅(qū)動（Motion1）的位移隨時間的變化來代替路面輸入的。嚴格來說，所有路面都是隨機路面，但為了直觀地評價優(yōu)化效果，本課題除了研究在隨機路面輸入下，汽車的行駛平順性和安全性的優(yōu)化效果，還補充了在階躍路面輸入下，懸架的性能優(yōu)化效果。4.2 隨機路面輸入4.2.1 路面不平度的統(tǒng)計特性討論隨機路面，必須引入路面不平度的概念。在上一節(jié)已經(jīng)做過介紹，通常把路面相對于基準(zhǔn)平面的高度q ，沿汽車行駛方向上的位移S的變化q（S），稱為路面不平度

42、函數(shù)。在測量路面不平度時，可以用水準(zhǔn)儀或?qū)ｉT的路面計來得到路面縱斷面上的不平度值。將得到的大量不平度隨機數(shù)據(jù)在計算機上進行處理，得到路面不平度的功率譜密度。作為汽車振動輸入的路面不平度，主要采用路面功率譜密度來描述其統(tǒng)計特性。路面功率譜密度用下式作為擬合表達式 （4-1式） 式中，為空間頻率（），它是波長的倒數(shù)，表示每米長度中包含幾個波長；為參考空間頻率，=0.1；為參考空間頻率下的路面功率普密度函數(shù)值，稱為路面不平度系數(shù)，單位是；為頻率指數(shù)，為雙對數(shù)坐標(biāo)上斜線的斜率。上述路面功率譜密度指的是垂直位移功率譜密度，還可以用不平度函數(shù)q（S）對汽車位移S的一階導(dǎo)數(shù)，即速度功率譜密度來表示。當(dāng)=2時

43、，可用下式作為擬合表達式 （4-2式）可以看出，此時路面速度功率譜密度幅值在整個頻率范圍為一常數(shù)，即為一“白噪聲”。4.2.2 積分白噪聲隨機路面譜的生成所謂白噪聲是指它的功率譜密度函數(shù)在整個頻域內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布。之所以稱它為“白噪聲”，是因為它類似于光學(xué)中包括全部可見光頻率在內(nèi)的白光。白噪聲的功率譜密度函數(shù)通常被定義為 （4-3式）按照圖4-1所示， 在MATLAB/Simulink中建立積分白噪聲隨機路面數(shù)據(jù)產(chǎn)生系統(tǒng)。圖4-1中，模型包含一個Simulink自帶的有限帶寬白噪聲產(chǎn)生模塊，一個積分器，構(gòu)成前向通道，兩個增益系數(shù)分別為（k=0.1303，k1=13.89）構(gòu)成反饋通道，

44、輸出一個文件名為“white-noice.mat”數(shù)據(jù)文件，同時直接輸出數(shù)據(jù)到MATLAB的工作空間，增加一個顯示器是為了方便實時觀察產(chǎn)生的數(shù)據(jù)曲線。圖4-1 隨機路面數(shù)據(jù)產(chǎn)生模型在ADAMS/View 中導(dǎo)入上圖的曲線數(shù)據(jù)，生成樣條函數(shù)。必須先將生成的數(shù)據(jù)復(fù)制保存為文本格式，才能在ADAMS/View中導(dǎo)入。在主菜單File下拉菜單中選定“Import”，顯示圖4-2對話框。File Type選“Test Data”，即選文本格式輸入；選“Create Splines”，表示數(shù)據(jù)作為成樣條函數(shù)儲存；在File To Read欄，輸入已經(jīng)保存為文本格式的數(shù)據(jù)文件名。最后點擊“OK”，生成樣條函

45、數(shù)。然后選定驅(qū)動（Motion1），單擊鼠標(biāo)右鍵，選“Modify”，如圖4-3，在Function（time）欄輸入驅(qū)動的方程：F=100*AKISPL(time,0,SPLINE_1) （4-4式）4-4式中，AKISPL（）是ADAMS的一個函數(shù)，表示按Akima插值方法將樣條數(shù)據(jù)“SPLINE_1”擬合成以時間為橫軸的函數(shù)曲線。 修改驅(qū)動方程后，就可以開始進行聯(lián)合仿真了。點擊仿真開始后，程序?qū)@示一個新的ADAMS/View窗口，顯示仿真分析過程懸架的動畫。 曲線導(dǎo)入對話框 驅(qū)動（Motion1）屬性修改對話框4.2.3 PID參數(shù)整定由于加速度的積分是速度，速度和加速度正好構(gòu)成一個數(shù)

46、字PI控制器，故可以將速度PID的積分和微分項設(shè)為0，而將加速度PID的比例和微分項設(shè)為0，即可達到控制效果。用試湊法進行參數(shù)整定。打開圖3-15所示的四個顯示器，根據(jù)實時顯示的效果，取不同的參數(shù)反復(fù)進行聯(lián)合操作，直至得到滿意的曲線為止。最后得到兩個PID的參數(shù)分別為：acceleration ( Kp=0 , Ki=0.5, Kd=0 ) velocity ( Kp=0.5 , Ki=0 , Kd=0 ) 4.2.4 后處理及仿真結(jié)果分析仿真完成后，可以在ADAMS/Postprocessor模塊中進行曲線的編輯處理。點擊ADAMS/View主工具箱的Plotting圖標(biāo)，進入Postpro

47、cessor（后處理）模塊。在Postprocessor的主菜單File的下拉子菜單項中選“Import”，然后再選“Results File”，導(dǎo)入仿真生成的結(jié)果文件“test_1.res”。在Postprocessor界面的控制區(qū)選擇需要繪制的曲線，在主菜單的View下拉菜單選“Toolbars”的“Statistic Toolbars”，這是一個能直接顯示曲線的當(dāng)前點坐標(biāo)，最值，均方根值，平均值等的工具條。分別將車身垂直加速度，懸架變形，車輪變形的曲線繪制出，并記錄下它們的最大值和均方根值，以和被動懸架的相應(yīng)參數(shù)作對比。MATLAB能方便地繪制出各種曲線。本次課題就是在MATLAB中繪制

48、主動懸架和被動懸架的車身垂直加速度，懸架變形，車輪變形曲線，如圖4-4，圖4-5，圖4-6。 圖4-4 車身垂直加速度曲線圖 圖4-5 懸架變形曲線圖 圖4-6 車輪變形曲線圖主被動懸架的車身垂直加速度，懸架變形，車輪變形的最大值，均方根值對比如表4-1，表4-2。 表4-1 最大值表格車身垂直加速度最大值（mm/s2）懸架變形最大值 (mm)車輪動載最大值（N）被動懸架-172.33622.74867015.61主動懸架-127.47753.72647009.049 表4-2 均方根值表格車身垂直加速度均方根值（mm/s2）懸架變形均方根值（mm）車輪動載均方根值（N）被動懸架31.4779

49、0.69346972.567主動懸架23.57180.82176972.567 通過對圖4-4，圖4-5，圖4-6，表4-1，表4-2的對比，可以得出以下結(jié)論：（1）車身垂直加速度（負號表示方向垂直向下）最大值減小了27.0298%，均方根值減小了25.1163%。車身加速度均方根值明顯減小,說明該控制系統(tǒng)能很好的降低車身加速度幅值,達到抑制、衰減車身振動,改善汽車的行駛平順性。（2）懸架變形最大值增加了35.5745%，均方根值增加了18.5030%，說明對于隨機路面，該控制系統(tǒng)對懸架變形的影響很大，增加了懸架撞擊緩沖塊的幾率。（3）車輪變形減小了0.0935%，均方根值沒有改變。說明經(jīng)過控

50、制后，車輪的動載有所減小，但效果不明顯。4.3 階躍路面輸入按上節(jié)所述方法，將驅(qū)動的方程修改為：F=100*STEP(time,0.5,0,1,1) （4-5式）4-5式中，STEP（）為ADAMS的一個函數(shù)，表示以時間為橫軸，在0到0.5s時間段內(nèi)，函數(shù)值為0，在0.5s到1s時間段內(nèi)，函數(shù)值由0上升到1，在1s以后，函數(shù)值為1。函數(shù)曲線如圖4-7。 圖4-7按照上節(jié)所述步驟，得到在階躍輸入下的主動懸架和被動懸架分別對應(yīng)的車身垂直加速度，懸架變形，車輪變形的曲線比較圖如圖4-8，圖4-9，圖4-10，以及三個曲線的相應(yīng)的最大值和均方根值，如表4-3，表4-4。 圖4-8 車身垂直加速度曲線圖

51、 圖4-9 懸架變形曲線圖 圖4-10 車輪變形曲線圖 表4-3 最大值表格車身垂直加速度最大值（mm/s2）懸架變形最大值 (mm)車輪動載最大值（N）被動懸架-1976.219830.68757489.40主動懸架-1316.903936.20677390.903 表4-4 均方根值表格車身垂直加速度均方根值（mm/s2）懸架垂直變形均方根值（mm）車輪動載均方根值（N）被動懸架630.811313.53856975.712主動懸架390.71779.31366973.808 由圖4-7，圖4-8，圖4-9，以及表4-3，表4-4，可以得出以下結(jié)論： （1）車身垂直加速度（負號表示方向垂直向下）最大值減小了33.3625%，均方根值減小了38.0611%；（2）懸架垂直變形最大值增大了17.9852%，均方根值減小了31.2066%；（3）車輪垂直變形最大值減小了1.3070%，均方根值減小了0.0260%；（4）振動衰減時間明顯加快。結(jié)論將汽車的懸架由被動修改成主動后，通過ADAMS/MATLAB的聯(lián)合仿真，對主動懸架的車身垂直加速度，懸架變形，車輪動載三個參數(shù)進行優(yōu)化，得出主動懸架和被動懸架的性能對比，我們得到以