基于ADAMS和MATLAB的主動(dòng)懸架控制技術(shù)研究*

張 屹，丁昌鵬

(三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

基于ADAMS和MATLAB的主動(dòng)懸架控制技術(shù)研究*

張 屹，丁昌鵬

(三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

為了提高整車主動(dòng)懸架的控制效果，應(yīng)用汽車動(dòng)力學(xué)理論在ADAMS/View中建立了簡(jiǎn)化七自由度整車主動(dòng)懸架模型，利用經(jīng)典PID控制原理設(shè)計(jì)了整車主動(dòng)懸架控制器。將整車模型以模塊化的形式導(dǎo)入到MATLAB建立的PID控制器中，建立整車主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明：與被動(dòng)懸架相比，PID控制的主動(dòng)懸架對(duì)車身的垂直加速度、俯仰角加速度及側(cè)傾角加速度產(chǎn)生了有效的控制效果，提高了汽車行駛的平順性。

主動(dòng)懸架；ADAMS； PID控制

0 引言

懸架系統(tǒng)是車輛的重要組成部分，用以傳遞車體和車輪之間的力和力矩，緩和路面?zhèn)鹘o車架的沖擊載荷，起緩沖和減振的作用[1]。懸架系統(tǒng)對(duì)汽車的行駛平順性、乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性、安全性和輪胎的使用壽命等性能都有很大的影響，一直受汽車設(shè)計(jì)和研究人員的關(guān)注。以往對(duì)主動(dòng)懸架的減振控制研究都是以它的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，但是這種數(shù)學(xué)模型存在較大的誤差，建模分析過程較為繁瑣，且以往建立的主動(dòng)懸架模型多為簡(jiǎn)化之后的1/4車懸架模型或半車懸架模型，簡(jiǎn)化的模型忽略了一些因素，不能較好地體現(xiàn)整車懸架的總體性能。文中應(yīng)用ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真技術(shù)，利用ADAMS軟件建立了整車主動(dòng)懸架機(jī)械模型，將主動(dòng)懸架機(jī)械模型及PID控制器的設(shè)計(jì)結(jié)合起來，采用同一樣機(jī)模型進(jìn)行系統(tǒng)分析，簡(jiǎn)化了建模的步驟，提高了模型的精度，更好地改善了汽車懸架性能。

1 主動(dòng)懸架的動(dòng)力學(xué)模型

為從總體上較全面地把握汽車運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和控制的綜合質(zhì)量，采用整車七自由度模型[2]。這里假定車身是一個(gè)剛體，當(dāng)汽車在隨機(jī)路面上做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，車身質(zhì)心具有上下跳動(dòng)、俯仰、側(cè)傾3個(gè)自由度；4個(gè)車輪分別具有1個(gè)垂向運(yùn)動(dòng)的自由度，這樣構(gòu)成了整車七自由度模型，如圖1所示。

圖1 七自由度整車主動(dòng)懸架模型

對(duì)車身運(yùn)用牛頓定律，則車身質(zhì)心加速度可表示為：

(1)

而車身俯仰角加速度可表示為：

(2)

車身側(cè)傾角加速度可表示為：

(3)

4個(gè)車輪加速度可表示為：

(4)

(5)

(6)

(7)

2 主動(dòng)懸架PID控制器的設(shè)計(jì)

PID控制是早期發(fā)展起來的較為傳統(tǒng)的控制方法。盡管現(xiàn)代控制理論已經(jīng)得到長(zhǎng)足發(fā)展，多種控制方法應(yīng)運(yùn)而生，但由于PID控制器控制算法簡(jiǎn)單、可靠性高、魯棒性好、參數(shù)整定靈活且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)在機(jī)電、化工、機(jī)械等多種行業(yè)中占有絕對(duì)的統(tǒng)治地位。目前，在工程應(yīng)用中，約90%的控制回路仍采用PID控制器[3-4]。因此, 本文采用PID控制器進(jìn)行主動(dòng)懸架控制器的設(shè)計(jì)。

圖2 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

fi=fPID+fPIDi,i=fl,fr,rl,rr

(8)

采用PID控制時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的控制效果起決定性作用的是KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)，因此，尋找最優(yōu)的KP、KI、KD參數(shù)值使主動(dòng)懸架達(dá)到預(yù)定要求，是PID控制器設(shè)計(jì)的主要部分[5]。人們總結(jié)了許多經(jīng)驗(yàn)公式和圖表對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，比如根軌跡法、最優(yōu)化法、試湊法等[6]。本文利用MATLAB/Simulink仿真功能，采用試湊法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，經(jīng)過試湊反復(fù)調(diào)整PID控制系統(tǒng)參數(shù)，直到得到滿意結(jié)果。文中所用參數(shù)如表1所示，其中PIDi(i=fl,fr,rl,rr)四個(gè)PID控制器均以動(dòng)撓度為輸入變量，故采用相同的參數(shù)。

表1 仿真中所用參數(shù)

3 ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真模型建立

由于ADAMS軟件自帶的控制工具箱功能比較簡(jiǎn)單，但軟件提供了EASY5、MATLAB、MATRIX等控制分析軟件接口。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還可以借助其它控制軟件來進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)。利用ADAMS/Control模塊，同步應(yīng)用ADAMS和MATALAB對(duì)整車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，來解決多自由度復(fù)雜整車多體動(dòng)力學(xué)模型和控制系統(tǒng)控制運(yùn)算法則復(fù)雜的問題，基本步驟如圖3。

圖3 ADAMS/CONTROL分析步驟

3.1 建立整車仿真模型

直接利用ADAMS/View的建模功能，按照某型整車車體懸架參數(shù)(如表2)建立整車仿真模型，包括汽車簡(jiǎn)化質(zhì)心、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、雙橫臂式前獨(dú)立懸架、斜置臂式后懸架與輪胎模型，如圖4。

表2 整車主要技術(shù)參數(shù)

3.2 建立路面模型

路面模型的建立必須滿足輪胎特性及整車模型仿真的要求，路面模型中用于仿真激勵(lì)的凸凹面的方向要指向輪胎所處的一側(cè)。文章的主要研究方向在于直線行駛中的車輛的平順性，因此設(shè)置路面為長(zhǎng)直路面，其長(zhǎng)寬要求根據(jù)仿真的要求來確定。依據(jù)白噪聲方法產(chǎn)生符合仿真所需的路譜要求的隨機(jī)不平度[7]，之后將隨機(jī)不平度序列數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ADAMS軟件的spline函數(shù)數(shù)據(jù)單元之中，再對(duì)得到的spline曲線數(shù)據(jù)再處理，生成仿真所需要的隨機(jī)路面模型。將整車模型和路面模型裝配到虛擬樣機(jī)仿真系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 ADAMS環(huán)境下的整車及路面模型

3.3 確定ADAMS的輸入和輸出

ADAMS/Controls模塊和MATLAB控制程序之間，是通過狀態(tài)變量的相互傳遞來進(jìn)行信息交換的。在ADAMS模型中定義輸出信號(hào)為各加速度與動(dòng)撓度，也就是MATLAB中設(shè)計(jì)的控制器的輸入?yún)?shù)；定義ADAMS模型中的輸入量為懸架的主控力，對(duì)應(yīng)MATLAB控制器計(jì)算得到的控制器輸出量。這樣就在ADAMS軟件與MATLAB/Simulink之間形成了一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。汽車機(jī)械模型和控制器之間相互聯(lián)系的參數(shù)輸入輸出關(guān)系如圖5所示。

圖5 ADAMS和MATLAB間的數(shù)據(jù)交換

3.4 將ADAMS模塊導(dǎo)入MATLAB

啟動(dòng)MATLAB程序，鍵入Adams _sys命令，顯示Adams _sub模塊的子系統(tǒng)，再設(shè)置Adams Plant仿真參數(shù)，如圖6所示。

圖6 聯(lián)合仿真模型的Adams _sub模塊

3.5 建立控制系統(tǒng)模型

新建一個(gè)新的Simulink工作任務(wù)，將Adams _sub模塊與輸出顯示器等一起復(fù)制到Simulink建模窗口中，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的控制器參數(shù)建立仿真車輛模型的控制部分。Adams _sub的輸出量經(jīng)過Simulink控制器的計(jì)算之后，作為主動(dòng)控制力輸出。聯(lián)合仿真模型如圖7所示。

圖7 ADAMS與Simulink聯(lián)合仿真模型

4 聯(lián)合仿真結(jié)果分析

假定汽車以50km/h的速度在C級(jí)路面上直線行駛[8]，設(shè)置仿真參數(shù)，設(shè)置仿真時(shí)間為12s，仿真時(shí)間在2s時(shí)，車速基本穩(wěn)定，認(rèn)為仿真從此時(shí)開始，將仿真結(jié)果文件(. res)導(dǎo)入后處理模塊ADAMS/Postprocessor，繪制結(jié)果曲線。為了說明控制技術(shù)對(duì)提高汽車平順特性方面的有效性，選取車身質(zhì)心垂直加速度、側(cè)傾角加速度和俯仰角加速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將聯(lián)合仿真結(jié)果和被動(dòng)懸架仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8至圖10所示。

圖8 車身質(zhì)心垂直加速度比較

圖9 車身質(zhì)心側(cè)傾角加速度比較

圖10 車身質(zhì)心俯仰角加速度比較

從結(jié)果來看，由ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真有效協(xié)調(diào)了機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制器之間存在的耦合關(guān)系，仿真結(jié)果更直觀、準(zhǔn)確。系統(tǒng)在PID的主動(dòng)控制下,質(zhì)心垂向加速度、側(cè)傾角加速度及俯仰角加速度都有一定下降，減振效果明顯。各平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的峰值和均方根值如表3所示。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比表

由表3可知，PID控制的主動(dòng)懸架與被動(dòng)懸架相比，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的峰值及均方根均有明顯降低，車身側(cè)傾角加速度峰值和均方根分別減小了18.6%和13.8%，車身俯仰角加速度峰值和均方根分別減小了6.7%和7.4%，特別是車身質(zhì)心垂直加速度峰值和均方根更是分別減小了24.5%和27.3%，因此PID控制的主動(dòng)懸架在改善整車平順性明顯優(yōu)于被動(dòng)懸架。

5 結(jié)論

應(yīng)用ADAMS軟件建立了七自由度主動(dòng)懸架整車模型，并設(shè)計(jì)出PID控制器，通過ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真對(duì)主動(dòng)懸架及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真。在仿真的過程中直接用ADAMS建立虛擬模型進(jìn)行了分析,簡(jiǎn)化了建模過程；而且通過ADAMS軟件建立的虛擬模型能很好地接近實(shí)際的物理模型,仿真結(jié)果更準(zhǔn)確。仿真分析結(jié)果表明PID控制對(duì)車輛性能的改善及實(shí)現(xiàn)主動(dòng)懸架主動(dòng)控制具有積極的意義。

[1] 于海濤,田靜姝,于海波，等.ADAMS 與 MATLAB 軟件在汽車懸架系統(tǒng)優(yōu)化及控制中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010(7)：82-84.

[2] 潘公宇,聶秀偉,陳立付，等.七自由度主動(dòng)空氣懸架最優(yōu)控制的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012(2)：97-99.

[3] 薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[4] 劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[5] 符永法.幾種新型PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定法[J].化工自動(dòng)化及儀表,1997,24(1):25-26.

[6] 孫夏娜.主動(dòng)懸架控制策略研究與仿真分析[D].湖南:湖南大學(xué).2008.

[7] 陳黎卿,王啟瑞.基于ADAMS的脈沖路面輸入平順性仿真分析[J].計(jì)算機(jī)仿真,2006,23(12)：213-215.

[8] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002．

(編輯 趙蓉)

申請(qǐng)優(yōu)先審稿須知

為振興我國機(jī)械裝備制造業(yè)，弘揚(yáng)民族科學(xué)文化精神，提升期刊質(zhì)量，本刊從即日起，凡是符合本刊報(bào)道范圍且同時(shí)受到“國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目”、“國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目”、“國家重點(diǎn)科技攻關(guān)資助項(xiàng)目”等國家級(jí)基金資助項(xiàng)目的原創(chuàng)論文，可申請(qǐng)優(yōu)先審稿，一經(jīng)錄用，優(yōu)先發(fā)表，歡迎業(yè)內(nèi)人事、專家、學(xué)者踴躍投稿(來稿注明：“優(yōu)先審稿”字樣)。

注：1.本刊正常審稿時(shí)間一般為一個(gè)月，優(yōu)先審稿時(shí)間為15-20天; 2.本刊正常發(fā)表文章周期為來稿后6-8個(gè)月，優(yōu)先發(fā)表文章周期為5-6個(gè)月。

——本刊編輯部

Study on Control Technology of Active Suspension Based on ADAMS and MATLAB

ZHANG Yi，DING Chang-peng

(College of Mechanical and Power Engineering, China Three Gorges University, Yichang Hubei 443002 , China)

In order to improve the control effect of automotive active suspension, the simplified Seven-DOF active suspension model was created in ADAMS/View by applying the dynamics theory, and classical PID control principle was utilized to design an active suspension controller for vehicle. The vehicle model was imported into the PID controller established in MATLAB as a module to create a vehicle active suspension control model. According to the simulation results, compared with passive suspension, the PID control of active suspension can control effectively the vertical vibration acceleration，roll and pitch acceleration of body,and this approach improved vehicle ride comfort performance.

active suspension; ADAMS; PID control

1001-2265(2014)04-0079-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.04.021

2013-08-20

國家自然科學(xué)基金(51275274)

張屹 (1976—)，男，蘭州人，三峽大學(xué)副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及機(jī)電傳動(dòng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，(E-mail)jxzhangyi1976@126.com。

TH166;TG659

A