基于ADAMSMATLAB的汽车主动悬架联合优化设计与控制

1、HUNANUNIVERSITYSIT论文 论文题目: 基于ADAMS/MATLAB的汽车主动悬架的联合优化设计与控制学生姓名: 林彬、 张虎 学生学号: 20040410214、 20040410222专业班级: 2004级车辆工程2班指导老师:宋晓琳 院长 （系主任）：刘 桂 荣2007 年10月29日基于ADAMS/MATLAB的汽车主动悬架联合优化设计与控制摘要目前对车辆主动悬架控制的研究基本上是通过建立其数学模型, 然后利用MATLAB 软件仿真, 得到设计的控制器的最终减振效果。数学模型的精确程度对主动悬架的控制效果有着巨大的影响,而有时精确数学模型的建立非常困难，所以，通过这种方式

2、设计出来的控制器, 与实际应用中控制效果有很大的差别。本文应用PID算法理论，以车身垂直加速度、悬架变形、车轮动载为控制目标，在ADAMS/View中建立汽车1/4的悬架虚拟模型，将被动悬架修改成主动悬架后，利用ADAMS/Controls控制模块与MATLAB进行联合仿真。关键词：ADAMS，MATLAB，主动悬架，PID控制器，联合仿真Co-optimization Design and Control of Vehicle Active Suspension Based onADAMS and MATLABAbstractUp to now, the control strategies

3、 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 control perf

4、ormance 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-suspensionby using ADAMS/Vie

5、w, 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目录第一章绪论- 1 -1.1 课题背- 1 -1.2 本文研究的课题- 1 -1.3 ADAMS 简介- 1 -1.4 M

6、ATLAB 简介- 2 -第二章悬架对汽车性能的影响- 3 -2.1 概述- 3 -2.2 悬架对车辆性能的影响- 3 -2.3 优化目标- 5 -第三章建立联合仿真系统模型- 6 -3.1构造ADAMS模型- 6 -3.1.1 ADAMS/View建模- 6 -3.1.2 确定ADAMS输入输出- 11 -3.1.3 定义ADAMS/Controls模块的输入输出- 12 -3.2 构建MATLAB/Simulink 控制系统- 13 -3.2.1 控制算法简述- 13 -3.2.2 控制系统建模- 14 -3.2.3 仿真参数设置- 17 -第四章联合仿真及结果分析- 19 -4.1 概述

7、- 19 -4.2 随机路面输入- 19 -4.2.1 路面不平度的统计特性- 19 -4.2.2 积分白噪声随机路面谱的生成- 20 -4.2.3 PID参数整定- 21 -4.2.4 后处理及仿真结果分析- 21 -4.3 阶跃路面输入- 24 -结论- 28 -结束语- 29 -致谢- 30 -参考文献- 31 -第一章 绪论1.1 课题背景随着科技的发展，计算机辅助设计技术越来越广泛运用于各个设计领域。现在，它已经突破了二维图纸电子化的框架，转向以三维实体建模、动力学模拟仿真和有限元分析为主线的虚拟样机制作技术。在汽车行业， 用UG、Pro/E 等建模，用ANSYS等进行有限元分析，

8、用ADAMS等进行动力学仿真已经成为一种主流。在各种CAD、CAE、CAM技术中，利用虚拟样机技术对机械和控制系统进行联合仿真技术是近年来发展较快的一种。ADAMS/Controls模块和MATLAB的联合仿真为机械和控制系统的联合仿真提供了一种全新的方法。在传统设计中，机械工程师和控制工程师虽然在共同设计开发一个系统，但是他们都需要各自建立一个模型，然后采用不同分析软件，对机械系统和控制系统进行独立的设计、调试和试验。最后建造一个物理样机，进行机械系统和控制系统的联合调试。如果发现问题，机械工程师和控制工程师又需回到各自的模型中，修改系统，然后再进行物理样机的联合调试。使用ADAMS/Con

9、trols控制模块，机械工程师和控制工程师可以共享一个虚拟样机模型，进行设计、调试和试验。可以利用虚拟样机对机械系统和控制系统进行反复的联合调试，直到获得满意的设计效果，然后再进行物理样机联合调试。显然，利用虚拟样机技术对机械和控制系统进行联合设计、调试和试验的方法，同传统的设计方法相比，具有较明显的优势，可以大大提高设计效率，缩短产品开发周期，降低开发成本，提高产品的竞争力。1.2 本文研究的课题本文研究的课题是基于ADAMS/MATALB的汽车主动悬架的联合仿真。利用ADAMS软件建立了汽车被动悬架的1/4的2自由度的虚拟样机模型,施加一个控制力，将被动悬架改进为主动悬架模型。然后通过AD

10、AMS/Controls接口，与MATLAB进行联合仿真。这种优化设计方法摆脱了传统主动悬架设计中先对结构进行优化得出结构参数，然后再对控制器进行优化，避免了繁琐的动力学方程和控制系统传递函数的推导，也避免了控制参数的分离化设计导致的设计参数只能达到局部最优而难以达到全局最优的缺点。1.3 ADAMS 简介ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件是美国MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，

11、其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS软件包括核心模块ADAMS/View和ADAMS/Solver,以及Controls、PostProcessor等其他扩展模块。ADAMS/View(界面模块)是以用户为中心的交互式图形环境，它提供丰富的零件几何图形库、约束库和力库，将便捷的图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、X-Y曲线

12、图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。ADAMS/Solver(求解器)是ADAMS软件的仿真“发动机”它自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学、动力学的解算结果。ADAMS/Solver有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程问题。ADAMS/Controls(控制模块)可以通过简单的继电器、逻辑与非门、阻尼线圈等建立简单地控制机构，或利用在通过用控制系统软件（如：MATLAB、MATRIX、EASYS）中建立的控制系统框图，建立包括控制系统、液压系统、气动系统和运动机械系统的仿真模型。ADAMS/PostProcessor（后处理）是ADAMS软件仿真结果分析的

13、后处理模块。它主要提供两个功能：仿真结果回放和绘制分析曲线。1.4 MATLAB 简介20世纪70年代后期，身为美国New Mexico大学计算机系主任的Cleve Moler，利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler MATLAB是一种面向科学和工程计算的高级计算机语言，现已成为国际科技界公认的最优秀的应用软件，在世界范围内广为流传和使用。该软件的特点是：强大的计算功能、计算结果和编程可视化及极高的编程效率，这是其他软件无与伦比之处。MATLAB包含了几十个工具箱，涉及自动控制、人工智能、系统辨识、模式识别、动态仿真、信号分析、图像处理、数值计算

14、和分析等学科，广泛应用于通讯。工业控制、电子、机械、汽车、建筑、财经、生命科学等工程技术领域。它汲取了当今这些领域的最新研究成果，使之迅速成为从事科学研究和工程设计不可缺少的工具软件。Simulink是MATLAB的一个附加组件，采用模块组合的方法来创建动态系统的计算机模型，其重要特点是快速、准确。它可以用于模拟线性与非线性系统，连续与非连续系统，或它们的混合系统，是强大的仿真工具。 除此之外，它还提供了图形动画处理方法，以方便用户观察系统仿真的整个过程。Simulink提供了一种函数规则S函数。S函数可以是一个M文件、C语言程序或其他高级语言程序。Simulink模块可以通过一定的语法规则来

15、调用S函数，使得仿真功能大大加强。第二章 悬架对汽车性能的影响2.1概述悬架系统是车辆的一个重要组成部分。车辆悬架性能是影响车辆行驶平顺性、操纵稳定性和行驶安全性的重要因素。传统的被动悬架一般由具有固定参数的弹性元件和阻尼元件组成，被设计为适应某一种路面，限制了车辆性能的进一步提高。20世纪70年代工业发达国家已经开始研究基于振动主动控制的主动、半主动悬架系统。悬架作为汽车上的重要总成之一，它把车身和车轮弹性地连接在一起。悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车

16、辆本身的动载荷。悬架与汽车的多种使用性能有关，为满足这些性能，悬架系统必须满足以下性能的要求：首先，悬架系统要保证汽车有良好的行驶平顺性，对以载人为主要目的的轿车来讲，乘员在车中承受的振动加速度不能超过国标的规定值。其次，悬架要保证车身和车轮在共振区的振幅小，振动衰减快。再次，要能保证汽车有良好的操纵稳定性，一方面悬架要保证车轮跳动时，车轮定位参数不发生很大的变化，另一方面要减小车轮的动载荷和车轮跳动量。还有就是要保证车身在制动、转弯、加速时稳定，减小车身的俯仰和侧倾。最后要保证悬架系统的可靠性，有足够的刚度、强度和寿命。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架作为车架(或车身

17、)与车轴(或车轮)之间的连接和传力机构，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。近年来电子技术、测控技术、机械动力学等学科的快速发展，使车辆悬架系统由传统被动隔振发展到振动主动控制。特别是信息科学中对最优控制、自适应控制、模糊控制、人工神经网络等的研究，不仅使悬架系统振动控制技术在现代控制理论指导下更趋完善，同时已开始应用于车辆悬架系统的振动控制，使悬架系统振动控制技术得以快速发展。随着车辆结构和功能的不断改进和完善，研究车辆振动，设计新型悬架系统，将振动控制到最低水平是提高现代车辆质量的重要措施。2.2 悬架对车辆性能的

18、影响悬架对汽车的操纵稳定性、行驶平顺性和行驶安全性等都有影响，本次SIT课题的研究方向是悬架性能对汽车的行驶平顺性、行驶安全性的影响。（1）汽车行驶平顺性的评价方法1）基本评价方法：ISO2631-1：1997（E）标准规定，当振动波形峰值系数<9时，用加权加速度均方根值来评价振动对人体舒适和健康的影响。根据测量，各种车辆包括越野汽车，在正常行驶工况下对这一方法均适用。对记录的加速度时间历程，通过相应的频率加权函数的滤波网络得到加权加速度时间历程,按下式计算加权加速度均方根值 （2-1式）表2-1给出了加权加速度均方根值与人体的主观感觉之间的关系。 表2-1加权加速度均方根值（）人体主观

19、感觉<0.315没有不舒适0.3150.63有一些不舒适0.51.0相当不舒适0.81.6不舒适1.252.5很不舒适>2.0极不舒适2）辅助评价方法：当峰值系数>9时，ISO2631-1：1997（E）标准规定用4次方和根值的方法来评价，它能更好地估计偶尔遇到过大的脉冲引起的高峰值系数振动对人体的影响，此时采用辅助评价方法振动剂量之为 VDC= （2-2式）（2）主动悬架数学模型（2-3式）式中，为可控力部分，非簧载质量和簧载质量分别代表了车身质量和车轮质量；、分别表示路面输入位移、非簧载质量位移、簧载质量位移；、为悬架刚度和阻尼系数；为车轮的刚度。图2-1 主动悬架数学模

20、型 （3）车轮动载车轮与路面之间的动载影响车轮与路面的附着效果，与行驶安全性有关。按下式计算 （2-3式） 或者 （2-4式）即直接用车轮变形与轮胎刚度的乘积来表示。2.3 优化目标车身加速度是评价汽车平顺性的主要指标，另外，悬架弹簧动挠度与其限位行程（悬架允许的最大行程）有关。当它们配合不当时会增加撞击限位缓冲块的几率，使平顺性变坏。车轮与地面间的动载的方向是上、下交变的。当与车轮作用于路面的静载大小相等时且方向相反时，车轮作用于路面的垂直载荷等于零。此时，车轮会跳离路面，将失去纵向和侧向附着力，使行驶安全性恶化。本课题研究的对象是保持被动悬架各参数不变，将其改进为主动悬架后，比较行驶平顺性

21、和行驶安全性的前后变化，即本次联合仿真优化和控制的目标是提高汽车的行驶平顺性和行驶安全性。而这可以通过三个参数车身垂直加速度、悬架变形和车轮动载，分别求出它们的最大值和均方根值来评价优化的效果。第三章 建立联合仿真系统模型3.1构造ADAMS模型3.1.1 ADAMS/View建模（1）在View中建立悬架的虚拟样机模型：主要有以下步骤：1）新建模型：打开ADAMS/View界面，创建一个新模型，命名为M_suspention。如图3-1图3-1 新建模型对话框2）创建设计点：选择ADAMS/View主工具箱中零件库的点（Point），选择“Add to Ground”和“Dont Attac

22、h”，然后点击“Point Table ”，根据表3-1 ，输入各点的坐标，创建主要设计点（如图3-2）。 表3-1 主要设计点坐标PointsPoint NamesXYZPoint 1lca_out（下横臂外点）0.0198.2-347.5Point 2lca_front（下横臂前点）-78.0198.2-13.0Point 3lca_rear（下横臂后点）-13.0198.2-5.0Point 4upper_link（悬架上挂点）26.0693.0-278.0Point 5spring_bearing（弹簧下支座点）8.0401.0-326.0Point 6knuckle_inner（车轴

23、内点）1.0276.0-380.0Point 7knuckle_outer（车轴外点）0.0275.0-580.0 图3-2点列表编辑器 生成点之后，分别对应地按顺序重命名各点。3）创建下横臂（lca）：在零件库中选择连杆（Link），以lca_out和lca_front，lca_out和lca_rear为端点分别创建两个连杆， 然后将它们合并(Unite Two Solids)为一个物体，重命名为“lca”，并将其质量修改为0.1kg。4）创建转向节总成（knuckle_assembly）：分别以spring_bearing和knuckle_inner，knuckle_inner和lca_o

24、ut为端点分别创建两个圆柱体，将它们合并为一个物体，重命名为“knuckle_assembly”，并将其质量修改为0.1kg。5）创建车轴（knuckle）：选择零件库中的圆柱体（Cylinder），以knuckle_inner和 knuckle_outer为端点创建一个圆柱体，重命名为“knuckle”，并将其质量修改为0.1kg。 6）创建弹簧下支座（spr_down_holder）：以spring_bearing为质心，长度设置为30（mm），创建一个圆柱体，重命名为“spr_down_holder”，然后将其质量修改为0.1kg。7）创建弹簧下支座（spr_up_holder）：以up

25、per_link为质心，长度设置为30（mm），创建一个圆柱体，重命名为“spr_up_holder”，然后将其质量修改为0.1kg。8）创建车身（chassis）：以upper_link为下端点， 沿y轴正方向创建一个长200（mm）,宽200（mm），高50（mm）的方块（Box），代替车身，重命名为“chassis”，将其质量修改为330.0kg。9）创建车轮（wheel）：以knuckle_inner和 knuckle_outer为端点，半径设置为300（mm），创建一个圆柱体，重命名为“chassis”， 将其质量修改为25.0kg。悬架系统的质量分为簧载质量和非簧载质量，簧载质量即

26、车身质量，模型中的车身质量并非指整个车身的总质量，而是指作用于此悬架上的车身质量。而将下横臂、转向轴总成、车轴、弹簧上下支座的质量均取为0.1kg，目的是将车轮的质量等效于非簧载质量。本模型中取簧载质量为330.0kg，非簧载质量取为25.0kg。10）创建测试平台（testpatch）：创建一个方块代替路面，再创建一个圆柱体支撑该方块，然后将方块和圆柱体合并，重命名为“testpatch”。（2）施加约束：创建好悬架系统的各构件之后，给各构件施加约束。按表格3-2所示，给模型施加约束。表3-2（3）给模型施加驱动：选择主工具箱的直线驱动（Translational Joint Motion）

27、，选择测试平台和大地之间的移动副（Translational Joint）添加一个驱动（Motion1）。（4）创建弹簧：1）减振器弹簧：选择主工具箱的弹簧（spring），在upper_link和spring_bearing两点之间创建减振器弹簧（spring1）。选中spring1， 点击鼠标右键，选“Modify”，在“Stiffness Coefficient”选框内输入“13.0”，在“Damping Coefficient”选框内输入“1.0”。即减振器弹簧的刚度为13.0N/mm，阻尼为1.0N·s/ mm。2）车轮等效弹簧： ADAMS中实体的变形无法直观地表示，可以

28、用一个弹簧的变形等效为车轮的变形，以便观察车轮的变形情况。在wheel.cm和testpatch.cm 之间创建spring2。选中spring2， 点击鼠标右键，选“Modify”，在“Stiffness Coefficient”选框内输入“170.0”。由于车轮的阻尼很小，可忽略，故选“No Damping”项。即车轮的刚度为170.0 N/mm，无阻尼。（5）做静平衡：1）选择主工具箱的仿真动画控制图标（Interactive Simulation Controls），按图3-3设置，结束时间（End Time）设置为“5.0”，“Steps”设置为“100”，然后点击静平衡图标（Fin

29、d static equilibrium）。2）给弹簧施加预载：做了静平衡后，计算机自动计算出作用在两个弹簧上的静载。分别将相应的数值输入“Preload”，如图3-4、图3-5。3）点击仿真开始图标，观察模型运动情况。图3-3仿真动画设置对话框（6）检查模型是否有误：打开菜单栏，在“Tools”下拉菜单中选“Database Navigator”（数据库浏览），检查各构件的情况。除了查看数据库之外，还应该查看模型的约束和自由度。打开“Information”，查看相关信息，如图3-6。 图3-6 模型约束和自由度信息1个物体共有6个自由度，1个铰接副约束5个自由度，1个球副约束3个自由度，1

30、个移动副约束5个自由度，1个固定副约束6个自由度，1个万向节副约束4个自由度，1个驱动约束1个自由度，所以模型的自由度计算式： （3-1式）剩下两个自由度为地面坐标系Y移动，Z转动。至此，ADAMS/View实体建模完成，保存模型，如图3-7。 图3-7悬架模型3.1.2 确定ADAMS输入输出（1）定义状态变量：在Build菜单，选择“System Elements” 项，再选择“State Variable”，最后选择“New”，按表格3-3所示，分别创建输入输出状态变量。表3-3 状态变量表状态变量名变量方程输出车身垂直加速度（chassis_acc）F=ACCY(chassis.cm)

31、车身垂直速度（chassis_vel）F=VY(chassis.cm)悬架变形（susp_def）F=DY(wheel.cm)-DY(chassis.cm)+432.5车轮垂直变形（wheel_def）F=DY(testpatch.cm)-DY(wheel.cm)+321.3262331输入控制力（control）F=0控制力（control）的方程F=0。因为控制力的值不是在View中给定的， 而是自动根据联合仿真控制程序的输出实时刷新，输出。（2）定义输出函数： 在模型中定义一个作用力SFORCE，由弹簧下支座作用于上支座，方程为： SFORCE= VARVAL(.M_suspension

32、.control) （3-2式）3-1式中，VARVAL()是一个ADAMS函数，它返回变量.M_suspension.control的值。也就是说作用力SFORCE从输入变量control处获得。3.1.3 定义ADAMS/Controls模块的输入输出在View菜单栏的Controls 下拉子菜单栏中选“Plant Export”项，然后在“Plant Input”栏单击鼠标右键，在“Plant Input”右拉菜单中选“Create”，在“Variable Name”栏单击鼠标右键，出现图3-8所示画面，单击“Browse”，出现数据库浏览器，先后选择chassis_acc、chassi

33、s_vel、susp_def、wheel_def四个变量。图3-8 设置状态变量对话框同理，设置“Plant Output”项，选control作为ADAMS/View输出变量，输入到MATLAB/Simulink控制系统中。在“File Prefix”项输入字符串“mytest”，作为即将生成文件（共三个文件，包括一个可作为MATLAB/Simulink的S函数名为mytest.m的文件）的文件名。在“control Package”栏中选“MATLAB”选项，即选MATLAB进行联合仿真。在“Type”栏，选“non_linear”项。这是由于悬架模型是非线性模型。在“Initial St

34、atic Analysis”栏，选“Yes”，表示联合仿真所调用的View中的模型是经过静平衡仿真后的模型。详细设置如图3-9。图3-9 Controls与MATLAB接口设置对话框 3.2 构建MATLAB/Simulink 控制系统3.2.1 控制算法简述目前应用于车辆悬架控制系统的控制方法主要有现代控制方法(如自适应控制方法、预见控制方法、最优控制方法及鲁棒控制方法)和智能控制方法(如模糊控制、神经网络控制)以及复合控制方法。本课题研究的主要目的是学习掌握机电一体化联合仿真的过程。为简单起见，本次研究的是用一种较简单的控制方法比例积分微分控制，简称PID控制，进行联合仿真。比例调节作用：

35、是按比例反映系统的偏差。系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用增大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：是消除或减小控制系统的稳态误差。但是，加入积分调节使得系统的动态响应变慢，可能使系统稳定性下降。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之，Ti大则积分作用弱。微分调节作用：反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时

36、间。但是，微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。图3-10中给出了一个PID控制的结构图。图3-10PID结构示意图数字PID控制器的控制规律可以用以下式子来表示： （3-3式）3.2.2 控制系统建模控制系统建模的目的是建立悬架机械系统和控制系统一体化的样机模型。整个控制系统的系统框图如图3-11： 图3-11 ADAMS控制系统总框图通过在MATLAB/Simulink中调用在ADAMS/Controls中生成的“mytest.m”文件，添加其它模块，实现控制系统的建模，步骤如下：（1）启动MA

37、TLAB程序，在命令窗口中输入：mytest，MATLAB返回相应的状态变量名；（2）输入ADAMS模块：在命令窗口中继续输入：adams_sys，显示图3-12。新建一个空白窗口，命名为“adams_1”。将图3-12中所示的adams_sub模块复制到新建的adams_1中。双击adams_sub模块，显示图3-13； 图3-12 图3-13（3）设置Simulink仿真参数： 鼠标双击图3-13中ADAMS Plant 模块，按照图3-14设置参数。 有三个需要设置的地方（椭圆标示处）： 1）Output files prefix 栏，输入“test_1”，将输出文件名为test_1.r

38、es的仿真结果。 2）Simulation mode 栏，选“discrete”项，即选离散方式进行联合仿真。对于大多数联合仿真分析，离散方式通常是较有效的仿真方式。同连续方式（continuous）相比，离散方式分析速度快，并且能够适用于非常复杂的样机模型。 3）Animation mode 栏，选“Interactive”项，即选实时跟踪显示仿真过程的方式进行联合仿真。图3-14 ADAMS Plant模块参数设置（4）按照图3-15所示，打开Simulink Library Browser，将adams_sub模块补充完整。图3-15 控制系统模型框图系统由两个数字PID控制器，一个ad

39、ams_sub模块，和四个显示器构成。 adams_sub模块是连接ADAMS和MATLAB的接口模块，用来调用ADAMS/View中悬架模型。两个PID控制器分别控制车身垂直加速度和车身垂直速度， 经过计算，累加，得到一个值输入到adams_sub中，这个值就是control，control的值再返回给SFORCE，作用于车身。设置四个显示器是为了便于观察控制效果。3.2.3 仿真参数设置点击图3-15菜单栏中的Simulation，在弹出的下一层菜单中，选择Simulation parameters项， 显示图3-16参数设置对话框。（1）在Stop time 栏，输入仿真结束的时间。根据

40、不同的路面输入设置不同的值。（2）在Solve options 栏，分别选“Variable-step”和“ode45(Dormand-Prince)”，即选变步长解法和ode45解法。Ode45解法是连续状态系统默认最好的解法，是变步长4、5阶的Runge-Kutta解法。（3）其它参数取默认值即可。 图3-16第四章 联合仿真及结果分析4.1 概述不计车轮宽度，在行驶方向上的路面纵断面内，路面输入是以汽车行驶方向上的位移（S）为自变量，以竖直方向上地面高度(q)为因变量的一个函数，即q=F（S）。设汽车以恒定的速度u在路面上行驶，则行驶方向上的位移S=u·t，t为时间，因此，只要

41、u不变，竖直方向上的地面高度q可以表示为q=F（t）。在本课题研究中，正是以一个直线驱动（Motion1）的位移随时间的变化来代替路面输入的。严格来说，所有路面都是随机路面，但为了直观地评价优化效果，本课题除了研究在随机路面输入下，汽车的行驶平顺性和安全性的优化效果，还补充了在阶跃路面输入下，悬架的性能优化效果。4.2 随机路面输入4.2.1 路面不平度的统计特性讨论随机路面，必须引入路面不平度的概念。在上一节已经做过介绍，通常把路面相对于基准平面的高度q ，沿汽车行驶方向上的位移S的变化q（S），称为路面不平度函数。在测量路面不平度时，可以用水准仪或专门的路面计来得到路面纵断面上的不平度值。

42、将得到的大量不平度随机数据在计算机上进行处理，得到路面不平度的功率谱密度。作为汽车振动输入的路面不平度，主要采用路面功率谱密度来描述其统计特性。路面功率谱密度用下式作为拟合表达式 （4-1式） 式中，为空间频率（），它是波长的倒数，表示每米长度中包含几个波长；为参考空间频率，=0.1；为参考空间频率下的路面功率普密度函数值，称为路面不平度系数，单位是；为频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率。上述路面功率谱密度指的是垂直位移功率谱密度，还可以用不平度函数q（S）对汽车位移S的一阶导数，即速度功率谱密度来表示。当=2时，可用下式作为拟合表达式 （4-2式）可以看出，此时路面速度功率谱密度幅值在整个频

43、率范围为一常数，即为一“白噪声”。4.2.2 积分白噪声随机路面谱的生成所谓白噪声是指它的功率谱密度函数在整个频域内是常数，即服从均匀分布。之所以称它为“白噪声”，是因为它类似于光学中包括全部可见光频率在内的白光。白噪声的功率谱密度函数通常被定义为 （4-3式）按照图4-1所示， 在MATLAB/Simulink中建立积分白噪声随机路面数据产生系统。图4-1中，模型包含一个Simulink自带的有限带宽白噪声产生模块，一个积分器，构成前向通道，两个增益系数分别为（k=0.1303，k1=13.89）构成反馈通道，输出一个文件名为“white-noice.mat”数据文件，同时直接输出数据到MA

44、TLAB的工作空间，增加一个显示器是为了方便实时观察产生的数据曲线。图4-1随机路面数据产生模型在ADAMS/View 中导入上图的曲线数据，生成样条函数。必须先将生成的数据复制保存为文本格式，才能在ADAMS/View中导入。在主菜单File下拉菜单中选定“Import”，显示图4-2对话框。File Type选“Test Data”，即选文本格式输入；选“Create Splines”，表示数据作为成样条函数储存；在File To Read栏，输入已经保存为文本格式的数据文件名。最后点击“OK”，生成样条函数。然后选定驱动（Motion1），单击鼠标右键，选“Modify”，如图4-3，在

45、Function（time）栏输入驱动的方程：F=100*AKISPL(time,0,SPLINE_1) （4-4式）4-4式中，AKISPL（）是ADAMS的一个函数，表示按Akima插值方法将样条数据“SPLINE_1”拟合成以时间为横轴的函数曲线。 修改驱动方程后，就可以开始进行联合仿真了。点击仿真开始后，程序将显示一个新的ADAMS/View窗口，显示仿真分析过程悬架的动画。曲线导入对话框 驱动（Motion1）属性修改对话框4.2.3 PID参数整定由于加速度的积分是速度，速度和加速度正好构成一个数字PI控制器，故可以将速度PID的积分和微分项设为0，而将加速度PID的比例和微分项设

46、为0，即可达到控制效果。用试凑法进行参数整定。打开图3-15所示的四个显示器，根据实时显示的效果，取不同的参数反复进行联合操作，直至得到满意的曲线为止。最后得到两个PID的参数分别为：acceleration ( Kp=0 , Ki=0.5, Kd=0 ) velocity ( Kp=0.5 , Ki=0 , Kd=0 ) 4.2.4 后处理及仿真结果分析仿真完成后，可以在ADAMS/Postprocessor模块中进行曲线的编辑处理。点击ADAMS/View主工具箱的Plotting图标，进入Postprocessor（后处理）模块。在Postprocessor的主菜单File的下拉子菜单项

47、中选“Import”，然后再选“Results File”，导入仿真生成的结果文件“test_1.res”。在Postprocessor界面的控制区选择需要绘制的曲线，在主菜单的View下拉菜单选“Toolbars”的“Statistic Toolbars”，这是一个能直接显示曲线的当前点坐标，最值，均方根值，平均值等的工具条。分别将车身垂直加速度，悬架变形，车轮变形的曲线绘制出，并记录下它们的最大值和均方根值，以和被动悬架的相应参数作对比。MATLAB能方便地绘制出各种曲线。本次课题就是在MATLAB中绘制主动悬架和被动悬架的车身垂直加速度，悬架变形，车轮变形曲线，如图4-4，图4-5，图4

48、-6。 图4-4车身垂直加速度曲线图 图4-5悬架变形曲线图 图4-6车轮变形曲线图主被动悬架的车身垂直加速度，悬架变形，车轮变形的最大值，均方根值对比如表4-1，表4-2。 表4-1 最大值表格车身垂直加速度最大值（mm/s2）悬架变形最大值 (mm)车轮动载最大值（N）被动悬架-172.33622.74867015.61主动悬架-127.47753.72647009.049 表4-2 均方根值表格车身垂直加速度均方根值（mm/s2）悬架变形均方根值（mm）车轮动载均方根值（N）被动悬架31.47790.69346972.567主动悬架23.57180.82176972.567 通过对图4-

49、4，图4-5，图4-6，表4-1，表4-2的对比，可以得出以下结论：（1）车身垂直加速度（负号表示方向垂直向下）最大值减小了27.0298%，均方根值减小了25.1163%。车身加速度均方根值明显减小,说明该控制系统能很好的降低车身加速度幅值,达到抑制、衰减车身振动,改善汽车的行驶平顺性。（2）悬架变形最大值增加了35.5745%，均方根值增加了18.5030%，说明对于随机路面，该控制系统对悬架变形的影响很大，增加了悬架撞击缓冲块的几率。（3）车轮变形减小了0.0935%，均方根值没有改变。说明经过控制后，车轮的动载有所减小，但效果不明显。4.3 阶跃路面输入按上节所述方法，将驱动的方程修改

50、为：F=100*STEP(time,0.5,0,1,1) （4-5式）4-5式中，STEP（）为ADAMS的一个函数，表示以时间为横轴，在0到0.5s时间段内，函数值为0，在0.5s到1s时间段内，函数值由0上升到1，在1s以后，函数值为1。函数曲线如图4-7。 图4-7按照上节所述步骤，得到在阶跃输入下的主动悬架和被动悬架分别对应的车身垂直加速度，悬架变形，车轮变形的曲线比较图如图4-8，图4-9，图4-10，以及三个曲线的相应的最大值和均方根值，如表4-3，表4-4。 图4-8车身垂直加速度曲线图 图4-9悬架变形曲线图图4-10车轮变形曲线图 表4-3 最大值表格车身垂直加速度最大值（m

51、m/s2）悬架变形最大值 (mm)车轮动载最大值（N）被动悬架-1976.219830.68757489.40主动悬架-1316.903936.20677390.903 表4-4 均方根值表格车身垂直加速度均方根值（mm/s2）悬架垂直变形均方根值（mm）车轮动载均方根值（N）被动悬架630.811313.53856975.712主动悬架390.71779.31366973.808由图4-7，图4-8，图4-9，以及表4-3，表4-4，可以得出以下结论： （1）车身垂直加速度（负号表示方向垂直向下）最大值减小了33.3625%，均方根值减小了38.0611%；（2）悬架垂直变形最大值增大了17.9852%，均方根值减小了31.2066%；（3）车轮垂直变形最大值减小了1.3070%，均方根值减小了0.0260%；（4）振动衰减时间明显加快。结论将汽车的悬架由被动修改成主动后，通过ADAMS/MATLAB的联合仿真，对主动悬架的车身垂直加速度，悬架变形，车轮动载三个参数进行优化，得出主动悬架和被动悬架的性能对比，我们得到以下结论：（1）车身垂直加速度明显地减小，说明了汽车的乘坐舒适性得到了优化；但同时，悬架变形增大，增加了悬架上下缓冲块碰撞的几率，这是由于所加控制力的作用是使得弹簧的