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东北大学硕士学位论文 摘要 基于a d a m s 的车辆主动悬架控制策略与仿真研究 摘要 悬架对汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性有着巨大的影响。目前，汽车上普遍 采用的是由弹性元件和减振器组成的被动悬架。被动悬架的阻尼和刚度参数经 选定，在车辆行驶过程中就无法进行调节，因而不能适应行驶过程中复杂多变的 情况。而主动悬架能够根据路面激励情况及汽车运行的实际状况，及时、准确地 调整控制力的大小，使悬架处于最优的减振状态，从而提高汽车的乘坐舒适性和 操纵稳定性。 目前对车辆主动悬架控制策略的研究也都是建立在主动悬架数学模型的基础 之上的。数学模型的简化程度和精确程度对主动悬架的控制效果有着巨大的影响， 但有时精确的数学模型的建立非常困难。本文利用a d a m s 软件建立了四分之一 汽车主动悬架的机械模型，a d a m s 可依据多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方 程方法自动建立汽车主动悬架系统的动力学方程，解决了主动悬架数学模型建立 的难题。 在整个悬架控制中，控制策略是决定主动悬架系统控制效果好坏的关键性因 素。本文在主动悬架a d a m s 机械模型的基础上，设计了p i d 控制策略和模糊控 制策略，并融合了p i d 控制和模糊控制的优点，设计了模糊p i d 控制策略，它利 用模糊控制器实现p i d 控制过程中k 。、k ，、k d 三个参数的在线自整定，从而使 系统的控制性能不断地完善。 最后，在m a t l a b 环境下编制了控制仿真软件，该软件利用a d a m s 强大的 c o n t r o l s 模块实现了a d a m s 与m a t l a b 的联合仿真，这样机械设计和控制设计 可以共享同一虚拟的车辆主动悬架模型，使机械系统设计和控制系统设计能够协 调一致，并且该软件具有友好的入机交互界面便于实现控制方式的切换、参数的 调整、仿真曲线的绘制以及对仿真数据的统计处理。 在时域内对基于a d a m s 的主动悬架进行了控制仿真分析，并且用基于数学 模型的主动悬架进行了控制仿真校验，可以得出采用自适应模糊p i d 控制这种新 型控制策略进行主动悬架控制是合理的、可行的。它和被动悬架控制相比在很大 程度上降低了车身加速度、悬架动挠度和轮胎的相对动载荷，有效地提高了汽车 的乘坐舒适性和操纵稳定性。 关键词主动悬架a d a m s 控制策略仿真 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t r o ls t r a t e g i e sa n dsi m u l a t i o ns t u d yf o r v e h i c l ea c t i v es u s p e n s i o nba s e do na d a m s a b s t r a c t n l ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs u s p e n s i o ns y s t e m sd i r e c t l yi n f l u e n c e sr i d ec o m f o r t a n dh a n d l i n gs t a b i l i t yo f d r i v i n gv e h i c l e s a tp r e s e n t ，p a s s i v es u s p e n s i o ni sw i d e l yu s e d o nv e h i c l e ，w h i c hi s c o m p o s e do fs p r i n ga n da b s o r b e r t h ef i x e dp a r a m e t e r so f c o n v e n t i o n a l s u s p e n s i o ns y s t e m sc o u l d n tc h a n g ew i t hw o r k i n gc o n d i t i o n a c t i v e s u s p e n s i o n sc o u l da d j u s tt h ec o n t r o lf o r c ea c t i v e l ya n dt i m e l yt or e d u c et h ev i b r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gc o n d i t i o n a tp r e s e n t ，t h ec o n t r o ls t r a t e g i e ss t u d yf o rv e h i c l ea c t i v es u s p e n s i o ni sg e n e r a l l y b a s e do nm a t hm o d e lo fs u s p e n s i o n t h ee x a c t i t u d eo fm a t hm o d e lo fs u s p e n s i o nh a sa g r e a te f f e c to nt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fa c t i v es u s p e n s i o n s o m e t i m e s ，t h ee x a c tm a t h m o d e li sd i f f i c u l tt ob u i l d i nt h i sp a p e r , av e h i c l ev i b r a t i o nm e c h a n i c a lm o d e lo f1 4 b o d yw i t ht w od e g r e e o f - f r e e d o mi sc r e a t e dw i t ha d a m ss o f t w a r e a d a m sc a n a u t o m a t i c a l l y b u i l dt h ee x a c tm a t hm o d e lo fs u s p e n s i o n ( w h i c hi sb a s e do n m u l t i r i g i d b o d yd y 7 n a m i ct h e o r y ) c o n t r o ls t r a t e g i e s ，w h i c ha r et h ek e r n e lo ft h et e c h n o l o g yf o ra c t i v es u s p e n s i o n c o n t r o ls y s t e m ，g r e a t l yi n f l u e n c et h es u s p e n s i o np e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , p i dc o n t r o l s t r a t e g y , f u z z yc o n t r o ls t r a t e g ya n df u z z y - p i dc o n t r o ls t r a t e g ya r ed e s i g n e db a s e do n v e h i c l ev i b r a t i o nm e c h a n i c a lm o d e l f u r y p i dc o n t r o ls t r a t e g yc o m b i n e st h e a d v a n t a g e so fp i dc o n t r o la n df u z z yc o n t r 0 1 i ti m p l e m e n t st h es e l f - a d j u s t i n go f t h e s e t h r e ep a r a m e t e r s k p ，k i a n d k d i nt h ec o n t r o ls y s t e mb yu s i n gf u r yc o n t r o l l e ra n d i m p r o v e st h es u s p e n s i o np e r f o r m a n c eg r a d u a l l y i t ss i m u l a t i o ns o f t w a r ew a sb u i l tb ym a l a bs o f t w a r ea n da d a m ss o f t w a r e a d a m s c o n t r o l sc o n n e c t sa d a m sm e c h a n i c a ls y s t e mm o d e l st ob l o c kd i a g r a m s d e v e l o p e dw i t hm a t l a b s ot h em e c h a n i c a ld e s i g n e ra n dt h ec o n t r o l sd e s i g n e rc a n s h a r et h es a l n em e c h a n i c a lm o d e l m o r e o v e r ，t h i ss o f t w a r eh a saf r i e n d l yi n t e r f a c e ， w h i c hf a c i l i t a t e ss w i t c ho fd i f f e r e n tc o n t r o lm o d e l sa n de o n t r o lp a r a m e t e r s 。a sw e l ia s i m p l e m e n t st h ec o n t r o ls i m u l a t i o nf o rd i f f e r e n td i s t u r b a n c ei n p u t s 东北大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t sd e r i v e df r o mt i m ed o m a i n ，w ef i n d t h a t s e l f - a d a p tf u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g yo fa c t i v es u s p e n s i o ni sr e a s o n a b l e ，f e a s i b l ea n d s c i e n t i f i c w h e nb e i n gc o m p a r e dw i t hp a s s i v es u s p e n s i o n ，a c t i v es u s p e n s i o np i d c o n t r o la n df u z z yc o n t r o l ，s e l f - a d a p tf u z z yp i dc o n t r o lc o u l dr e d u c et h eb o d y w o r k a c c e l e r a t i o n ，d y n a m i cf l e x i b i l i t yo fs u s p e n s i o na n dd y n a m i cl o a do ft i r ei n al a r g e d e g r e e p e r f o r m a n c eo fs u s p e n s i o ni si m p r o v e da n d c o m f o r ti sr a i s e dl a r g e l y k e yw o r d s a c t i v es u s p e n s i o na d a m sc o n t r o ls t r a t e g i e s s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：到冈1 日期：0 口d g 了1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：刮 签字日期：。羽d j 、3 i 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章概述 第一章概述 1 1 悬架的简介 汽车在行驶时，路面的不平度会激起汽车的振动。当这种振动达到一定的程度 时，将使乘客感到不舒适或运载货物损坏。同时，由于车轮与路面之间的动载荷， 还会影响到它们的附着效果，因而也会影响到汽车的操纵稳定性。为减少汽车振 动，一方面要改善路面质量，减少振动的来源；另一方面要求汽车对路面不平度 有良好的隔振特性。这样，悬架的性能就显得尤为关键。 悬架是保证车轮或车桥与车辆承载系统( 车架或承载式车身) 之间具有弹性联 系并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节车辆行驶中的车身位置等的有关 装置的总称。 悬架的结构形式很多，分类方法也不尽相同。按导向机构的形式，可分为独立 悬架和非独立悬架两大类“。如果按控制力进行分类，则可分为被动悬架、主动悬 架和半主动悬架三种基本类型。三种悬架的简化模型如图1 1 所示，其中卜传感 器、2 一可调减振器、3 一执行器。 簧载质量m 。 嘧n 非簧载质量m 。 ( a ) 簧载质量m 。 嫡。； 非簧载质量m + ( c ) 围1 1 三种悬架系统简化模型 ( a ) 被动悬架( b ) 主动悬架 ( c ) 半主动悬架 f i g u r e1 ，1 t h r e ek i n d so f m o d e l so f v e h i c l es u s p e n s i o ns y s t e m ( a ) p a s s i v es u s p e n s i o n ( b ) a c t i v es u s p e n s i o n ( c ) s e m i _ a c t i v es u s p e n s i o n 由弹性元件和减振器所构成的传统的悬架系统其弹性特性和阻尼特性是一定 的，当受到外界激励( 例如车辆以一定的速度驶过坑洼不平路面时) ，只能“被动” 地做出响应，称为被动悬架，有些被动悬架还包括车身高度调节系统。这类悬架 东北大学硕士学位论文 第一章概迷 存在以下局限性：( 1 ) 弹簧不能设计的太软，因为太软的弹簧需要相当大的工作空 间，在车辆上无法布雹，同时当悬架的偏频小于0 7 胁时，还容易引起乘客晕车； ( 2 ) 阻尼特性同时影响平顺性和轮胎接地能力。要提高车辆行驶的平顺性，希望悬 架系统的刚度较小，而采用较软的悬架。为了提高车辆行驶的安全性和方向的控 制，则要求悬架系统的阻尼和刚度都比较大，就应采用较硬的悬架，以减小车轮 与车身间的相对行程，获得良好的路面附着与支承。可见，二者很难同时兼顾； ( 3 ) 由于悬架的特性是一定的，而车辆的载荷、行驶速度以及路面的不平程度都会 在很大范围内变化，因此传统的被动悬架无法保证在所有的工况下都具有良好的 平顺性。 被动悬架的阻尼和刚度参数一般按经验设计或优化设计方法选择，一经选定， 在车辆行驶过程中就无法进行调节，因而不能适应车辆参数、运行工况等的复杂 多变的情况。因此，研究汽车振动和受力，采取有效的措施，将其控制在最低水 平，对改善汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性，具有重要的意义。国外相继提出了 主动半主动悬架的概念“”。 主动悬架是近十几年发展起来的，由电脑控制的一种新型悬架，应具备以下三 个条件：( 1 ) 具有能够产生作用力的动力源：( 2 ) 执行元件能够传递这种作用力并能 连续工作；( 3 ) 具有多种传感器并将有关数据集中到微电脑进行运算并决定控制方 式。因此，它通常包括三部分：传感器，控制器以及执行机构，并由它们与汽车系 统组成闭环控制系统。其中控制器是整个系统的信息处理和管理中心。它接受来 自各个传感器的信号，依据特定的数据处理方法和控制规律，决定并控制执行机 构的动作，从而达到改变车身的运动状态、满足隔振减振要求的目的。主动悬架 的执行机构通常由能够产生具有一定频率宽度的力或力矩的作动器及相应的外加 动力源构成。主动悬架系统目前常见的实现形式有两种，一种是当前使用较多。 通常称作并联式的主动悬架。它是在被动悬架的基础上，再增加一个驱动器，由 于只需在被动悬架的基础上补充部分能量，因而消耗的能量小。当主动悬架出现 故障时，它仍能按被动悬架方式工作。另一种是独立式的主动悬架。这种主动悬 架是悬置质量和非悬置质量之间完全由作动器连接，并由作动器吸收和补充全部 能量，该悬架的机械结构简单，但消耗的能量多。当主动悬架出现故障时就无法 f 常工作。 半主动悬架系统的概念出现得较晚，它的概念于1 9 7 3 被d a c r o s b y 和 d _ c k a m o p p 首次提出。3 。半主动悬架旨在以接近被动悬架的造价和复杂程度来提 供接近主动悬架的性能。半主动悬架系统的构造与主动悬架类似，它利用弹性元 件和阻尼器并列支撑悬置质量。不同之处是半主动悬架系统中可控阻尼器代替了 2 东北太学硕士学位论文第一章概述 主动悬架的主动力作动器。一般地，由于汽车悬架弹性元件需承载车身的静载荷， 因而在半主动悬架中实施刚度控制比阻尼控制困难得多，所以对半主动悬架的研 究目前大多数都只限于阻尼控制问题，利用合适的控制律，它可提供介于主动悬 架和被动悬架之间的性能。半主动悬架除了需要少量能量驱动电磁阀外，并不需 要外加动力源。 本课题的研究模型是并联式主动悬架。 1 2 主动悬架的技术现状及发展趋势 主动悬架的思想诞生于1 9 5 5 年，由g 6 c i 公司的f e d e r s p i e l l a b r o s s e 提出“。从 七八十年代开始，人们不断尝试将各种控制方法和控制概念引入到智能悬架的控 制律设计中，在主动悬架及其相关技术方面每年都有大量的文献和成果问世，有 效地改善了悬架系统的性能和控制质量。在国外，由于起步早，投入大，技术基 础好，因此研究的广度和深度都远远非国内可比，已实现商品化的就有数种。早 在1 9 8 2 年，l o t u s 公司就研制出有源主动悬架系统“，瑞典v o l v o 公司在其车上 安装了实验性的l o t u s 主动悬架系统。丰田汽车公司1 9 8 6 年的s o r t e r 车型采用了 能分别对阻尼和刚度进行三级调节的空气悬架“。1 9 8 9 年丰田c e l i c a 车型上装置 了真正意义上的主动油气悬架系统“。尼桑公司在9 0 年的i n f i n i tq 4 5 轿车上也装 备了液压主动悬架“。此外，保时捷，福特，奔驰等公司均在其高级轿车上装备 有各自开发的主动悬架系统。 国外一些工业发达国家虽然己经在某些车型上应用了主动悬架产品，但在控制 算法的改进，系统稳定性的增强，性能价格比的提高等方面仍有大量工作要做。 在整个悬架控制中，控制算法( 包括状态估计、模型辨识以及控制规律) 是决定主 动悬架系统控制质量的关键性因素。主动悬架控制理论实质上是经典控制理论， 现代控制理论与汽车动力学理论相结合的产物。在过去的几十年中，国内外许多 学者在主动悬架控制理论方面进行了大量的研究。国外有影响的学者有k a r n o p p ， t h o m p s o n ，c r o l l a 和l a n g l o i s 等人。研究的控制理论内容涉及天棚阻尼控制理论， 随机最优控制理论，变结构控制理论，预瞄控制理论等。随着现代控制理论的发 展与渗透，自适应控制理论，模糊控制，神经网络控制等也同显其优越性。 国内对主动悬架的研究也已有十几年了，由于目前国内的技术水平、生产需求、 研究条件等多方面的限制，国内在主动悬架方面的研究与国外相比，还存在一定 的差距。国内对主动悬架系统的研究主要集中于悬架系统控制算法的优化设计、 理论分析、计算机仿真研究和可行性试验研究方面。丁科等人对主动悬架的神经 网络控制进行了研究“3 1 ，李伟，何渝生等将l o g 最优控制理论应用于主动控制。， 3 东北大学硕士学位论文 第一章概述 北京理工大学的章鸣教授较早地开展了主动悬架的理论及试验研究u 。 总体上看，系统建模的合理化、控制策略的智能化和控制过程的实用有效化是 当今主动悬架开发研究的大特点，这些研究将极大地丰富了汽车悬架控制的理 论基础，有力地推动了主动悬架在汽车上应用的进程。 1 3 本文研究的目的和意义 由于主动悬架能根据检测到的车辆和环境状态，主动及时地调整和产生所需悬 架控制力，使悬架处于最优的减振状态，因而，随着现代汽车车速的提高和车总 体质量的减轻，有关车辆主动悬架的研究方兴未艾，并己成为世界各国汽车业瞩 目的热点。在主动悬架研究中，需要研究的问题可归结为五类：( 1 ) 外部干扰描述； ( 2 ) 悬架系统数学模型的建立；( 3 ) 控制策略设计；( 4 ) 系统仿真与评价；( 5 ) 控制 系统具体实现。其中问题( 1 ) ，( 2 ) ，( 3 ) 是各种悬架设计都需要研究的基础性问题。 对于问题( 2 ) ，无论是在经典控制理论或是现代控制理论中，对于确定性自动控制 系统均是以某类数学表达式来描述被控对象的动态特性为前提，然后建立系统的 数学模型。再以系统数学模型为依据，选择各种理想的控制策略，设计系统控制 器，达到良好的控制效果。目前对车辆主动悬架控制策略的研究也都是建立在悬 架系统数学模型的基础之上的。但有时精确的数学模型的建立并不容易，且由于 机械设计师和控制工程师使用不同的软件对同一车辆模型进行重复建模，一旦出 现问题，不管是机械系统的故障还是控制系统的故障，两方都要重新设计。如果 不建立精确的数学模型，而在车辆悬架机械模型的基础上，进行主动悬架控制策 略的研究，那么机械设计师和控制工程师可以共享同一虚拟车辆模型进行设计， 使机械系统设计和控制系统设计能够协调一致，并且可以设计复杂的模型，包括 非线性模型和非刚性模型。问题( 5 ) 则涉及到具体的设备驱动电路和控制逻辑电路 的建立以及执行机构设计、制造与性能等多方面实际问题。问题( 3 ) 系统控制策略 设计是整个主动悬架控制技术的核心，对悬架特性的影响举足轻重。 由于在悬架系统硬件设计不变的情况下，不同的控制律会导致不同的控制效 果；而且半主动悬架与全主动悬架相比仅仅是控制对象能量消耗方式不同，因此 半主动悬架的控制律设计完全可以基于主动悬架的控制策略来进行，只需根据消 耗能量的情况进行适当的修正。所以对主动悬架控制策略的设计与研究就显得更 为有意义。 近年来，现代控制理论的多种控制算法诸如：最优控制、自适应控制及神经网 络控制等已被应用于主动悬架控制系统中。其中，应用最为广泛的一种是最优控 制，然而，由于车辆的非线性、不确定性与构造最优控制器需要对系统准确建模 d 东北大学硕士学位论文第一章概述 相矛盾，最优控制器实际难以达到理想的要求。同样，单纯的自适应控制或神经 网络控制为达到目标往往导致运算量大、实时性差。模糊控制由于无需精确的数 学模型，因此成为迅速发展的一种新型控制方法。但是模糊控制器参数一经确 定就不能改变，这样，对于时变的、非线性悬架系统，会造成模糊控制规则粗糙， 控制效果也难以达到最优。一些调整方法已用于提高模糊控制器的性能，例如基 于遗传算法的主动悬架模糊控制方法。“。然而这种优化方法是离线进行的。不能 在线优化模糊控制器的各种参数。 本课题拟采用基于机械模型的车辆主动悬架自适应模糊p i d 控制方法。它应用 自适应技术，将p i d 控制和模糊控制结合起来，可以在线自适应调整p i d 控制的 有关参数，提高控制系统的实时性、鲁棒性。 5 东北大学硕士学位论文 第二章主动悬架系统的机械建模 第二章主动悬架系统的机械建模 2 1 a d a m s 软件的简介 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 软件，是由美国机 械动力公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 丌发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是 世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。用户使用 a d a m s 软件，可以自动生成包括机一电一液一体化在内的、任意复杂系统的多体动 力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、+ 方案论证、详细设计、 到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真 计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞 争力的目的。由于a d a m s 具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面 和强大的图形动画显示能力，所以该软件己在全世界数以千计的著名大公司中得 到成功的应用。国外的一些著名大学也己开设了介绍a d a m s 软件的课程，而将 三维c a d 软件、有限元软件和虚拟样机软件作为机械专业学生必须了解的工具软 件。根据1 9 9 9 年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，a d a m s 软件占据了销售总额近8 千万美元的5 1 份额。 a d a m s 一方面是机械系统动态仿真软件的应用软件，用户可以运用该软件非 常方便地对虚拟样机迸行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是机械系 统动态仿真分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业 用户进行特殊类型机械系统动态仿真分析的二次开发工具平台。在产品开发过程 中，工程师通过应用a d a m s 软件会收到明显效果： ( 1 ) 分析时间由数月减少为数日 ( 2 ) 降低工程制造和测试费用 ( 3 ) 在产品制造出之前，就可以发现并更正设计错误，完善设计方案 ( 4 ) 在产品开发过程中，减少所需的物理样机数量 ( 5 ) 当进行物理样机测试有危险、费时和成本高时，可利用虚拟样机进行分析 和仿真。 ( 6 ) 缩短产品的开发周期。 使用a d a m s 建立虚拟样机非常容易。通过交互的图形界面和丰富的仿真单元 库，用户快速地建立系统的模型。a d a m s 与先进的c a d 软件( u g 、p r o e ) 以及 c a e 软件( a n s y s ) 可以进行计算机图形格式文件的相互交换以保持数据的一致 性。a d d s 软件支持并行工程环境，节省大量的时间和经费。利用a d a m s 软件建 6 东北大学硕士学位论文 苎三兰圭塑墨叁墨竺箜垫垫! 燮 试验设计和优化分析。为系统参数优化提供了 立参数化模型可以进行设计研究、 一种高效的开发工具引。 a d a m s 软件包括3 个最基本的解题程序模块：a d a m s v i e w ( 基本环境) 、 a d a m s s o l v e r ( 求解器) 和a d a m s p o s t p r o c e s s o r ( 后处理) 。另外还有些特殊场 合应用的附加程序模块，例如：a d a m s c a r ( 轿车模块) 、a d a m s 瓜m l ( 机车模块) 、 a d a m s d r i v e r ( 驾驶员模块) 、a d a m s t i r e ( 轮胎模块) 、a d a m s l i n e a r ( 线性模 块) 、a d a m s f l e x ( 柔性模块) 、a d a m s c o n t r o l s ( 控制模块) 、a d a m s f e a ( 有限 元模块) 、a d a m s h y d r a u l i c s ( 液压模块) 、a d a m s e x c h a n g e ( 接1 ：3 模块) 、 m e c h a n i s m f r o ( 与p r o e n g i n e e r 的接口模块) 、a d a m s a n i m a i i o n ( 高速动画模块) 等。 在3 个基本解题程序模块中，a d a m s n i e w 提供了一个直接面向用户的基本 操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能，其中包括样机的建模和各种建模工 具、样机模型数据的输入与编辑、与求解器和后处理等程序的自动连接、虚拟样 机分析参数的设置、各种数据的输入和输出、同其他应用程序的接口等。自 a d a m s 9 0 版本开始。a d a m s ，v i e w 采用了w i n d o w s 风格的操作界面和各种操作 习惯，使得a d a m s v i e w 9 0 版以后的操作界面非常友好“”。 a d a m s s o l v e r 是求解机械系统运动和动力学问题的程序。完成样机分析的准 备工作以后，a d a m s v i e w 程序可以自动地调用a d a m s s o l v e r 模块，求解样机模 型的静力学、运动学或动力学闻题，完成仿真分析以后再自动地返回a d a m s n i e w 操作界面。因此，一般用户可以将a d a m s s o l v e r 的操作视为一个“黑匣子”，只 需熟悉a d a m s v i e w 的操作，即可完成建模和整个分析过程。 a d a m s 仿真分析结果的后处理，可以通过调用后处理模块 a d a m s p o s t p r o c e s s o r 来完成。a d a m s p o s t p r o c e s s o r 模块具有相当强的后处理功 能，它可以回放仿真结果，也可以绘制各种分析曲线。除了可以直接绘制仿真结 果曲线以外，a d a m s p o s t p r o c e s s o r 还可以对仿真分析曲线进行一些数学和统计计 算；可以输入实验数据绘制试验曲线，并同仿真结果进行比较；可以进行分析结 果曲线图的各种编辑。 一般a d a m s 分析功能如下： ( 1 ) 可有效地分析三维机构的运动与力。例如可以利用a d a m s 来模拟作用在 轮胎上的垂直、转向、陀螺效应、牵引与制动、力与力矩；还可应用a d a m s 进 行整个车辆或悬架系统道路操纵性的研究。 ( 2 ) 利用a d a m s 可模拟大位移的系统。a d a m s 很容易处理这种模型的非线性 方程，而且可进行线性近似。 ( 3 ) 可分析运动学静定系统。 7 东北大学硕士学位论文 第二章 主动悬架系统的机械建模 ( 4 ) 对于一个或多自由度机构，a d a m s 可完成某一时间上的静力学分析或某 一时间间隔内的静力学分析。 ( 5 ) 有线性系统模态分析、力输入运动以及模拟控制系统的能力。 ( 6 ) 利用a d a m s n i e w 提供的控制工具箱或a d a m s ( 2 0 n t r o l 与m a t l a b 起可以方便地进行机电一体化系统仿真。 2 2 主动悬架机械模型的建立 2 2 1 车辆模型的简化 汽车是一个复杂的振动系统，为了便于研究车辆的振动特性，需要根据研究内 容的出发点的不同，分析的侧重点和研究重点的不同，对实际车辆系统采用不同 的简化方法建立不同的系统动力学模型。常用的基本车辆模型包括四分之一两自 由度模型、二分之一四自由度模型和整车模型。通常，进行悬架概念设计和控制 策略研究时，采用四分之一汽车模型：研究前后悬架间的参数匹配关系和车身的 垂直方向和纵向的运动耦合时，采用二分之一汽车模型，它能较好的体现车辆垂 直振动和俯仰运动情况；在需要从总体上较全面地把握汽车运动响应或控制综合 质量时，采用整车模型，它完整的体现了垂直振动、俯仰运动以及侧倾问题“。 尽管各种悬架的结构不同，但研究来自不平路面激励引起车身的垂直振动都可 以用四分之一车辆力学模型简化。这是因为，虽然四分之车体模型没有包括汽 车的整体几何信息，也无法用它来研究汽车俯仰角振动及侧倾振动，但它包含了 实际问题中的绝大部分基本特征，例如负载变化和悬架系统受力的信息等。且系 统描述参数较少，求解容易，计算量小等优点。四分之一车体模型需要一定的假 设条件，针对实际车辆系统，现将假设条件阐述如下： ( 1 ) 左右车轮受到的不平度垂直激励是一样的，车辆对其纵轴线左右对称，即 车辆不存在侧倾振动，没有侧向位移，没有横摆振动，只有垂直振动和俯仰振动a ( 2 ) 针对乘员与车身运动的一致性，将其视为车身系统。且不考虑发动机和传 动系统对车身的影响。将车身系统视为刚性簧上质量。悬挂质量分配系数为1 ( 根 据统计，大部分汽车的悬挂质量分配系数在0 8 1 2 之间，即接近1 ) ，也就是说， 车身简化后的前后两部分质量是彼此独立的。 ( 3 ) 车轴和与其相联的车轮视为非簧载质量，车轮在中心线上与路面是点接 触。 ( 4 ) 由于轮胎阻尼相对于车辆减振器的阻尼来说，d , n 可以忽略，因此只考虑 轮胎的刚度作用。 根据以上论述，建立如图2 1 所示的四分之一车辆模型。它由悬挂质量、主弹 8 东北大学硕士学位论文 第二章主动悬架系统的机械建模 簧、阻尼元件、主动作用力u 、非悬挂质量和弹性轮胎组成。此二自由度1 4 系 统有两个固有频率，车身固有频率和车轮固有频率。当外部激励振动频率与车身 或车轮固有频率一致时将引发垂直共振。并联式主动悬架模型是在原被动悬架模 型的基础上加装了一个可以产生作用力u 的动力装置。理论上这个动力装置可以 根据需要在极短的时间内产生由零到无穷大的作用力，而实际上由于动力装置消 耗功率的限制，总是控制它在一定的范围内连续变化。 力发生 图2 1四分之一的汽车主动悬架模型示意图 f i g u r e2 1 a c t i v es u s p e n s i o nm o d e lo f1 4b o d y 图2 1 中各符号的含义如下： 胍一簧载质量瓜一悬架弹簧刚度 必一非簧载质量彪一轮胎刚度 一车身垂直位移船一轮胎垂直位移 u 一主动控制力 g 一悬架阻尼系数 勋一地面垂直位移 本文选取j h 6 3 1 k 旅行车后悬架单侧的结构参数进行控制策略研究弘。 坛= 1 0 9 1 4 9 k gk , = 9 4 8 3 5 n m g 2 3 2 3 5 n l ( m s ) m = 1 6 2 5 1 磁 k r = 1 1 6 4 5 9 3 n m 2 2 2 利用a d a m s 软件建立主动悬架系统的机械模型 a d a m s v i e w 模块在汽车工程设计领域最为常用。a d a m s v i e w 是通用模块，提 供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能，其中 包括样机的建模和各种建模工具、样机模型数据的输入和编辑、与求解器和后处 理等程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置。各种数据的输入和输出、同其 他应用程序的接口等。在汽车工程设计中，可以利用其丰富的基本形体建模工具 9 东北大学硕士学位论文 第二章主动悬架系统的机械建模 库，根据实际需要建立部分或整车模型，通过各种约束限制构件之间的某些相对 运动，定义施加的载荷，建立虚拟的实验台，最后进行仿真。 使用a d a m s 软件建立四分之一汽车悬架运动学机械模型时做如下假设： ( 1 ) 所有零部件都认为是刚体，各运动副均为刚性连接，各运动副内摩擦力、 内部间隙忽略不计。 ( 2 ) 为模拟地面不平引起的激励，假想一构件，它与轮胎直接接触，与地面之 间通过移动副相连，可上下垂直运动。 ( 3 ) 簧载质量、非簧载质量相对于地面只能做上下垂直运动。 a d a m s v i e w 可以产生4 种类型的几何形体：刚性形体、柔性形体、点质量形 体、地基形体。刚性形体具有质量和惯性矩，它的几何形状在任何时候都不会发 生变化。在力的作用下，柔性形体会发生变形，同刚性形体类似，柔性形体也有 质量和惯性矩。点质量的体积为零它仅有质量而没有惯性矩。地基形体没有质 量和速度，其自由度为零，在任何时候都保持静止。地基形体定义了地面坐标系 的位置，在默认状态下，地基形体还是所有构件的速度和加速度的惯性参考坐标。 基于以上分析，簧载质量部件、非簧载质量部件、地面部件在a d a m s v i e w 中都定 义为刚性形体。在a d a m s v i e w 中建立1 4 汽车模型步骤如下： ( 1 ) 首先启动a d a m s v i e w 。悬架模型的文件名取为：x u a n ，设置长度、质量、 力、时间、角度和频率的单位分别为毫米、千克、牛顿、秒、度、赫兹以及为了 绘图方便，设置工作网格的范围。 ( 2 ) 创建簧载质量部件，取构件名为m s ，定义质量为1 0 9 1 4 9 汪。创建非簧 载质量部件，取构件名为m t ，定义质量为1 6 2 5 1k g 。地面部件采用质量部件来 表示，目的是方便仿真路面对行驶中车辆的激励，取构件名为r o a d 。在簧载质量 部件与非簧载质量部件之间、非簧载质量部件与地面部件之间添加弹簧和阻尼。 簧载质量部件与非簧载质量部件之间的弹簧取名为s p r i n g1 ，主动部件为m t ， 被动部件为m s ，弹簧的刚度为9 4 8 3 5 n m ，阻尼系数为3 2 3 5 n ( m i s ) ，预加载 荷为1 0 9 1 4 9 x 9 8 n 。参数的设置如图2 2 所示。非簧载质量部件与地面部件之 间的弹簧取名为s p r i n g 一2 ，主动部件为r o a d ，被动部件为m t ，弹簧的刚度为 1 1 6 4 5 9 3 n m ，阻尼系数为0 y ( m s ) ，预加载荷为( 1 0 9 1 4 9 + 1 6 2 5 1 ) x 9 8 n ， 参数的设置如图2 3 所示。 ( 3 ) 在各部件间添加约束。a d a m s 约束库中常用的约束副有旋转副、移动副、 圆柱副、球副、固定副、齿轮副、耦合副等。其中移动副只允许两个物体沿一条 轴线相互移动，移动副的位置不影响物体的运动，移动副的方向确定物体滑移的 方向。一个移动副可以从模型中去除5 个自由度。根据上文的假设分别在大地( 参 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章主动悬架系统的机械建模 照) 与地面部件( 假想地面) 之间、 簧载质量之间添加移动副j o i n t 一1 、 地面部件与非簧载质量之间、非簧载质量与 j o i n t _ 2 、j o i n t 一3 约束。 图2 2s p r i n g1 参数设置 f i g u r e2 2s e l l i n gp a r a m e t e ro fs p r i n g 一1 图2 3 s p r i n g2 参数设置 f i g u r e2 3 s e l l i n gp a r a m e t e ro fs p r i n g _ 2 ( 4 ) 添加驱动。点击a d a m s v i e w 驱动库中的直线驱动( t r a n s l a t i o n a lj o i n t m o t i o n ) 按钮，选择太地( 参照) 与地面部件( 假想地面) 之间的移动副j o i n t 一1 ， 创建直线驱动( m o t i o n _ 1 ) 。 ( 5 ) 定义a d a m s 输入、输出变量。a d a m s c o n t r o l s 与控制应用软件的相互通 东北大学硕士学位论文 第二章主动悬架系统的机械建模 信是通过状态变量来实现的，因此，必须将模型的输入输出变量定义为与状态变 量相关的设置。在a d a m s v i e w 菜单栏中，选择b u i l d s y s t e m s t a t ev a r i a b l e n e w ， 系统弹出状态变量对话窗，在n a m e 栏中定义输入变量名为s h u r u ，在f ( t i m e 1 栏中定义输入函数f ( t i m e ，) = 0 ，如图2 4 所示，它表示在仿真的每一步，输入变 量s h u r u 的值都将由控制应用软件的输入值来代替。创建直线驱动m o t i o n1 后， 直接在“e d i t ”菜单中选择“m o d i f y ”，修改直线驱动，在添加驱动对话窗的 “f u n c t i o n ( t i m e ) ”栏中，输入驱动的函数表达式：v a r v a l ( x u a n s h u r u ) ，如图2 5 所示， 它表示车轮的运动由输入变量s h u r u 决定。按照上述步骤可定义另一输入变量 f o r c e 。 在大地( 参照) 上分别创建点m a r k e r1 9 、m a r k e r2 0 、m a r k e r8 ， m a r k e r 1 9 与簧载质量m s 的质心m s c m 处于同一位置，m a r k e r2 0 与非簧 载质量m t 的质心m t c m 处于同位置，m a r k e r8 与地面部件的质心r o a d c m 处于同一位置。按照上述步骤定义输出变量j i a s u d u ，输出函数为 a c c y ( m s c m ，m a r k e r9 ， ，如图2 6 所示，求簧载质量的加速度。_1 m sc m )m s 定义输出变量s u d u 2 。输