1、HUNANUNIVERSITYSIT論文 論文題目: 基于ADAMS/MATLAB的汽車主動懸架的聯合優化設計與控制學生姓名: 林彬、 張虎 學生學號: 20040410214、 20040410222專業班級: 2004級車輛工程2班指導老師:宋曉琳 院長 （系主任）：劉 桂 榮2007 年10月29日基于ADAMS/MATLAB的汽車主動懸架聯合優化設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學模型, 然后利用MATLAB 軟件仿真, 得到設計的控制器的最終減振效果。數學模型的精確程度對主動懸架的控制效果有著巨大的影響,而有時精確數學模型的建立非常困難，所以，通過這種方式

2、設計出來的控制器, 與實際應用中控制效果有很大的差別。本文應用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，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進行聯合仿真。關鍵詞：ADAMS，MATLAB，主動懸架，PID控制器，聯合仿真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 ADAMS 簡介- 1 -1.4 M

6、ATLAB 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 優化目標- 5 -第三章建立聯合仿真系統模型- 6 -3.1構造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 構建MATLAB/Simulink 控制系統- 13 -3.2.1 控制算法簡述- 13 -3.2.2 控制系統建模- 14 -3.2.3 仿真參數設置- 17 -第四章聯合仿真及結果分析- 19 -4.1 概述

7、- 19 -4.2 隨機路面輸入- 19 -4.2.1 路面不平度的統計特性- 19 -4.2.2 積分白噪聲隨機路面譜的生成- 20 -4.2.3 PID參數整定- 21 -4.2.4 后處理及仿真結果分析- 21 -4.3 階躍路面輸入- 24 -結論- 28 -結束語- 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展，計算機輔助設計技術越來越廣泛運用于各個設計領域。現在，它已經突破了二維圖紙電子化的框架，轉向以三維實體建模、動力學模擬仿真和有限元分析為主線的虛擬樣機制作技術。在汽車行業， 用UG、Pro/E 等建模，用ANSYS等進行有限元分析，

8、用ADAMS等進行動力學仿真已經成為一種主流。在各種CAD、CAE、CAM技術中，利用虛擬樣機技術對機械和控制系統進行聯合仿真技術是近年來發展較快的一種。ADAMS/Controls模塊和MATLAB的聯合仿真為機械和控制系統的聯合仿真提供了一種全新的方法。在傳統設計中，機械工程師和控制工程師雖然在共同設計開發一個系統，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，對機械系統和控制系統進行獨立的設計、調試和試驗。最后建造一個物理樣機，進行機械系統和控制系統的聯合調試。如果發現問題，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，然后再進行物理樣機的聯合調試。使用ADAMS/Con

9、trols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，進行設計、調試和試驗。可以利用虛擬樣機對機械系統和控制系統進行反復的聯合調試，直到獲得滿意的設計效果，然后再進行物理樣機聯合調試。顯然，利用虛擬樣機技術對機械和控制系統進行聯合設計、調試和試驗的方法，同傳統的設計方法相比，具有較明顯的優勢，可以大大提高設計效率，縮短產品開發周期，降低開發成本，提高產品的競爭力。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，將被動懸架改進為主動懸架模型。然后通過AD

10、AMS/Controls接口，與MATLAB進行聯合仿真。這種優化設計方法擺脫了傳統主動懸架設計中先對結構進行優化得出結構參數，然后再對控制器進行優化，避免了繁瑣的動力學方程和控制系統傳遞函數的推導，也避免了控制參數的分離化設計導致的設計參數只能達到局部最優而難以達到全局最優的缺點。1.3 ADAMS 簡介ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件是美國MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司開發的機械系統動力學仿真分析軟件，它使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，

11、其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格朗日方程法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，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測機械系統的性能、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，將便捷的圖標操作、菜單操作、鼠標點取操作與交互式圖形建模、仿真計算、動畫顯示、優化設計、X-Y曲線

12、圖處理、結果分析和數據打印等功能集成在一起。ADAMS/Solver(求解器)是ADAMS軟件的仿真“發動機”它自動形成機械系統模型的動力學方程，提供靜力學、運動學、動力學的解算結果。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，或利用在通過用控制系統軟件（如：MATLAB、MATRIX、EASYS）中建立的控制系統框圖，建立包括控制系統、液壓系統、氣動系統和運動機械系統的仿真模型。ADAMS/PostProcessor（后處理）是ADAMS軟件仿真結果分析的

13、后處理模塊。它主要提供兩個功能：仿真結果回放和繪制分析曲線。1.4 MATLAB 簡介20世紀70年代后期，身為美國New Mexico大學計算機系主任的Cleve Moler，利用業余時間為學生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler MATLAB是一種面向科學和工程計算的高級計算機語言，現已成為國際科技界公認的最優秀的應用軟件，在世界范圍內廣為流傳和使用。該軟件的特點是：強大的計算功能、計算結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、系統辨識、模式識別、動態仿真、信號分析、圖像處理、數值計算

14、和分析等學科，廣泛應用于通訊。工業控制、電子、機械、汽車、建筑、財經、生命科學等工程技術領域。它汲取了當今這些領域的最新研究成果，使之迅速成為從事科學研究和工程設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建動態系統的計算機模型，其重要特點是快速、準確。它可以用于模擬線性與非線性系統，連續與非連續系統，或它們的混合系統，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仿真的整個過程。Simulink提供了一種函數規則S函數。S函數可以是一個M文件、C語言程序或其他高級語言程序。Simulink模塊可以通過一定的語法規則來

15、調用S函數，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、操縱穩定性和行駛安全性的重要因素。傳統的被動懸架一般由具有固定參數的彈性元件和阻尼元件組成，被設計為適應某一種路面，限制了車輛性能的進一步提高。20世紀70年代工業發達國家已經開始研究基于振動主動控制的主動、半主動懸架系統。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、制動力和驅動力等，并且緩和由不平路面傳給車身的沖擊載荷、衰減由此引起的振動、保證乘員的舒適性、減小貨物和車

16、輛本身的動載荷。懸架與汽車的多種使用性能有關，為滿足這些性能，懸架系統必須滿足以下性能的要求：首先，懸架系統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的規定值。其次，懸架要保證車身和車輪在共振區的振幅小，振動衰減快。再次，要能保證汽車有良好的操縱穩定性，一方面懸架要保證車輪跳動時，車輪定位參數不發生很大的變化，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、轉彎、加速時穩定，減小車身的俯仰和側傾。最后要保證懸架系統的可靠性，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的重要部件。同時，汽車懸架作為車架(或車身

17、)與車軸(或車輪)之間的連接和傳力機構，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規格表，作為衡量轎車質量的指標之一。近年來電子技術、測控技術、機械動力學等學科的快速發展，使車輛懸架系統由傳統被動隔振發展到振動主動控制。特別是信息科學中對最優控制、自適應控制、模糊控制、人工神經網絡等的研究，不僅使懸架系統振動控制技術在現代控制理論指導下更趨完善，同時已開始應用于車輛懸架系統的振動控制，使懸架系統振動控制技術得以快速發展。隨著車輛結構和功能的不斷改進和完善，研究車輛振動，設計新型懸架系統，將振動控制到最低水平是提高現代車輛質量的重要措施。2.2 懸架對車輛性能的

18、影響懸架對汽車的操縱穩定性、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）標準規定，當振動波形峰值系數<9時，用加權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，通過相應的頻率加權函數的濾波網絡得到加權加速度時間歷程,按下式計算加權加速度均方根值 （2-1式）表2-1給出了加權加速度均方根值與人體的主觀感覺之間的關系。 表2-1加權加速度均方根值（）人體主觀

19、感覺<0.315沒有不舒適0.3150.63有一些不舒適0.51.0相當不舒適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：當峰值系數>9時，ISO2631-1：1997（E）標準規定用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）主動懸架數學模型（2-3式）式中，為可控力部分，非簧載質量和簧載質量分別代表了車身質量和車輪質量；、分別表示路面輸入位移、非簧載質量位移、簧載質量位移；、為懸架剛度和阻尼系數；為車輪的剛度。圖2-1 主動懸架數學模

20、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。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 優化目標車身加速度是評價汽車平順性的主要指標，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。當它們配合不當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各參數不變，將其改進為主動懸架后，比較行駛平順性

21、和行駛安全性的前后變化，即本次聯合仿真優化和控制的目標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化的效果。第三章 建立聯合仿真系統模型3.1構造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）創建設計點：選擇ADAMS/View主工具箱中零件庫的點（Point），選擇“Add to Ground”和“Dont Attac

22、h”，然后點擊“Point Table ”，根據表3-1 ，輸入各點的坐標，創建主要設計點（如圖3-2）。 表3-1 主要設計點坐標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）8.0401.0-326.0Point 6knuckle_inner（車軸

23、內點）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，分別對應地按順序重命名各點。3）創建下橫臂（lca）：在零件庫中選擇連桿（Link），以lca_out和lca_front，lca_out和lca_rear為端點分別創建兩個連桿， 然后將它們合并(Unite Two Solids)為一個物體，重命名為“lca”，并將其質量修改為0.1kg。4）創建轉向節總成（knuckle_assembly）：分別以spring_bearing和knuckle_inner，knuckle_inner和lca_o

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

25、per_link為質心，長度設置為30（mm），創建一個圓柱體，重命名為“spr_up_holder”，然后將其質量修改為0.1kg。8）創建車身（chassis）：以upper_link為下端點， 沿y軸正方向創建一個長200（mm）,寬200（mm），高50（mm）的方塊（Box），代替車身，重命名為“chassis”，將其質量修改為330.0kg。9）創建車輪（wheel）：以knuckle_inner和 knuckle_outer為端點，半徑設置為300（mm），創建一個圓柱體，重命名為“chassis”， 將其質量修改為25.0kg。懸架系統的質量分為簧載質量和非簧載質量，簧載質量即

26、車身質量，模型中的車身質量并非指整個車身的總質量，而是指作用于此懸架上的車身質量。而將下橫臂、轉向軸總成、車軸、彈簧上下支座的質量均取為0.1kg，目的是將車輪的質量等效于非簧載質量。本模型中取簧載質量為330.0kg，非簧載質量取為25.0kg。10）創建測試平臺（testpatch）：創建一個方塊代替路面，再創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：創建好懸架系統的各構件之后，給各構件施加約束。按表格3-2所示，給模型施加約束。表3-2（3）給模型施加驅動：選擇主工具箱的直線驅動（Translational Joint Motion）

27、，選擇測試平臺和大地之間的移動副（Translational Joint）添加一個驅動（Motion1）。（4）創建彈簧：1）減振器彈簧：選擇主工具箱的彈簧（spring），在upper_link和spring_bearing兩點之間創建減振器彈簧（spring1）。選中spring1， 點擊鼠標右鍵，選“Modify”，在“Stiffness Coefficient”選框內輸入“13.0”，在“Damping Coefficient”選框內輸入“1.0”。即減振器彈簧的剛度為13.0N/mm，阻尼為1.0N·s/ mm。2）車輪等效彈簧： ADAMS中實體的變形無法直觀地表示，可以

28、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 之間創建spring2。選中spring2， 點擊鼠標右鍵，選“Modify”，在“Stiffness Coefficient”選框內輸入“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（Interactive Simulation Controls），按圖3-3設置，結束時間（End Time）設置為“5.0”，“Steps”設置為“100”，然后點擊靜平衡圖標（Fin

29、d static equilibrium）。2）給彈簧施加預載：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。分別將相應的數值輸入“Preload”，如圖3-4、圖3-5。3）點擊仿真開始圖標，觀察模型運動情況。圖3-3仿真動畫設置對話框（6）檢查模型是否有誤：打開菜單欄，在“Tools”下拉菜單中選“Database Navigator”（數據庫瀏覽），檢查各構件的情況。除了查看數據庫之外，還應該查看模型的約束和自由度。打開“Information”，查看相關信息，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

30、個移動副約束5個自由度，1個固定副約束6個自由度，1個萬向節副約束4個自由度，1個驅動約束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系Y移動，Z轉動。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，分別創建輸入輸出狀態變量。表3-3 狀態變量表狀態變量名變量方程輸出車身垂直加速度（chassis_acc）F=ACCY(chassis.cm)

31、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， 而是自動根據聯合仿真控制程序的輸出實時刷新，輸出。（2）定義輸出函數： 在模型中定義一個作用力SFORCE，由彈簧下支座作用于上支座，方程為： SFORCE= VARVAL(.M_suspension

32、.control) （3-2式）3-1式中，VARVAL()是一個ADAMS函數，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”欄單擊鼠標右鍵，在“Plant Input”右拉菜單中選“Create”，在“Variable Name”欄單擊鼠標右鍵，出現圖3-8所示畫面，單擊“Browse”，出現數據庫瀏覽器，先后選擇chassis_acc、chassi

33、s_vel、susp_def、wheel_def四個變量。圖3-8 設置狀態變量對話框同理，設置“Plant Output”項，選control作為ADAMS/View輸出變量，輸入到MATLAB/Simulink控制系統中。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進行聯合仿真。在“Type”欄，選“non_linear”項。這是由于懸架模型是非線性模型。在“Initial St

34、atic Analysis”欄，選“Yes”，表示聯合仿真所調用的View中的模型是經過靜平衡仿真后的模型。詳細設置如圖3-9。圖3-9 Controls與MATLAB接口設置對話框 3.2 構建MATLAB/Simulink 控制系統3.2.1 控制算法簡述目前應用于車輛懸架控制系統的控制方法主要有現代控制方法(如自適應控制方法、預見控制方法、最優控制方法及魯棒控制方法)和智能控制方法(如模糊控制、神經網絡控制)以及復合控制方法。本課題研究的主要目的是學習掌握機電一體化聯合仿真的過程。為簡單起見，本次研究的是用一種較簡單的控制方法比例積分微分控制，簡稱PID控制，進行聯合仿真。比例調節作用：

35、是按比例反映系統的偏差。系統一旦出現了偏差，比例調節立即產生調節作用以減少偏差。比例作用增大，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。積分調節作用：是消除或減小控制系統的穩態誤差。但是，加入積分調節使得系統的動態響應變慢，可能使系統穩定性下降。積分作用的強弱取決與積分時間常數Ti，Ti越小，積分作用就越強。反之，Ti大則積分作用弱。微分調節作用：反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節作用消除。因此，可以改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調，減少調節時

36、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節，對系統抗干擾不利。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。圖3-10中給出了一個PID控制的結構圖。圖3-10PID結構示意圖數字PID控制器的控制規律可以用以下式子來表示： （3-3式）3.2.2 控制系統建模控制系統建模的目的是建立懸架機械系統和控制系統一體化的樣機模型。整個控制系統的系統框圖如圖3-11： 圖3-11 ADAMS控制系統總框圖通過在MATLAB/Simulink中調用在ADAMS/Controls中生成的“mytest.m”文件，添加其它模塊，實現控制系統的建模，步驟如下：（1）啟動MA

37、TLAB程序，在命令窗口中輸入：mytest，MATLAB返回相應的狀態變量名；（2）輸入ADAMS模塊：在命令窗口中繼續輸入：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）設置Simulink仿真參數： 鼠標雙擊圖3-13中ADAMS Plant 模塊，按照圖3-14設置參數。 有三個需要設置的地方（橢圓標示處）： 1）Output files prefix 欄，輸入“test_1”，將輸出文件名為test_1.r

38、es的仿真結果。 2）Simulation mode 欄，選“discrete”項，即選離散方式進行聯合仿真。對于大多數聯合仿真分析，離散方式通常是較有效的仿真方式。同連續方式（continuous）相比，離散方式分析速度快，并且能夠適用于非常復雜的樣機模型。 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合仿真。圖3-14 ADAMS Plant模塊參數設置（4）按照圖3-15所示，打開Simulink Library Browser，將adams_sub模塊補充完整。圖3-15 控制系統模型框圖系統由兩個數字PID控制器，一個ad

39、ams_sub模塊，和四個顯示器構成。 adams_sub模塊是連接ADAMS和MATLAB的接口模塊，用來調用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。設置四個顯示器是為了便于觀察控制效果。3.2.3 仿真參數設置點擊圖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3-16參數設置對話框。（1）在Stop time 欄，輸入仿真結束的時間。根據

40、不同的路面輸入設置不同的值。（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解法是連續狀態系統默認最好的解法，是變步長4、5階的Runge-Kutta解法。（3）其它參數取默認值即可。 圖3-16第四章 聯合仿真及結果分析4.1 概述不計車輪寬度，在行駛方向上的路面縱斷面內，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，即q=F（S）。設汽車以恒定的速度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

41、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化效果，還補充了在階躍路面輸入下，懸架的性能優化效果。4.2 隨機路面輸入4.2.1 路面不平度的統計特性討論隨機路面，必須引入路面不平度的概念。在上一節已經做過介紹，通常把路面相對于基準平面的高度q ，沿汽車行駛方向上的位移S的變化q（S），稱為路面不平度函數。在測量路面不平度時，可以用水準儀或專門的路面計來得到路面縱斷面上的不平度值。

42、將得到的大量不平度隨機數據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，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值，稱為路面不平度系數，單位是；為頻率指數，為雙對數坐標上斜線的斜率。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q（S）對汽車位移S的一階導數，即速度功率譜密度來表示。當=2時，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

43、率范圍為一常數，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在整個頻域內是常數，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中包括全部可見光頻率在內的白光。白噪聲的功率譜密度函數通常被定義為 （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據產生系統。圖4-1中，模型包含一個Simulink自帶的有限帶寬白噪聲產生模塊，一個積分器，構成前向通道，兩個增益系數分別為（k=0.1303，k1=13.89）構成反饋通道，輸出一個文件名為“white-noice.mat”數據文件，同時直接輸出數據到MA

44、TLAB的工作空間，增加一個顯示器是為了方便實時觀察產生的數據曲線。圖4-1隨機路面數據產生模型在ADAMS/View 中導入上圖的曲線數據，生成樣條函數。必須先將生成的數據復制保存為文本格式，才能在ADAMS/View中導入。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”，表示數據作為成樣條函數儲存；在File To Read欄，輸入已經保存為文本格式的數據文件名。最后點擊“OK”，生成樣條函數。然后選定驅動（Motion1），單擊鼠標右鍵，選“Modify”，如圖4-3，在

45、Function（time）欄輸入驅動的方程：F=100*AKISPL(time,0,SPLINE_1) （4-4式）4-4式中，AKISPL（）是ADAMS的一個函數，表示按Akima插值方法將樣條數據“SPLINE_1”擬合成以時間為橫軸的函數曲線。 修改驅動方程后，就可以開始進行聯合仿真了。點擊仿真開始后，程序將顯示一個新的ADAMS/View窗口，顯示仿真分析過程懸架的動畫。曲線導入對話框 驅動（Motion1）屬性修改對話框4.2.3 PID參數整定由于加速度的積分是速度，速度和加速度正好構成一個數字PI控制器，故可以將速度PID的積分和微分項設為0，而將加速度PID的比例和微分項設

46、為0，即可達到控制效果。用試湊法進行參數整定。打開圖3-15所示的四個顯示器，根據實時顯示的效果，取不同的參數反復進行聯合操作，直至得到滿意的曲線為止。最后得到兩個PID的參數分別為：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，進入Postprocessor（后處理）模塊。在Postprocessor的主菜單File的下拉子菜單項

47、中選“Import”，然后再選“Results File”，導入仿真生成的結果文件“test_1.res”。在Postprocessor界面的控制區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前點坐標，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參數作對比。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

48、-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31.47790.69346972.567主動懸架23.57180.82176972.567 通過對圖4-

49、4，圖4-5，圖4-6，表4-1，表4-2的對比，可以得出以下結論：（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。說明經過控制后，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所述方法，將驅動的方程修改

50、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，表示以時間為橫軸，在0到0.5s時間段內，函數值為0，在0.5s到1s時間段內，函數值由0上升到1，在1s以后，函數值為1。函數曲線如圖4-7。 圖4-7按照上節所述步驟，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 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（m

51、m/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。結論將汽車的懸架由被動修改成主動后，通過ADAMS/MATLAB的聯合仿真，對主動懸架的車身垂直加速度，懸架變形，車輪動載三個參數進行優化，得出主動懸架和被動懸架的性能對比，我們得到以下結論：（1）車身垂直加速度明顯地減小，說明了汽車的乘坐舒適性得到了優化；但同時，懸架變形增大，增加了懸架上下緩沖塊碰撞的幾率，這是由于所加控制力的作用是使得彈簧的