基于ADAMSMATLAB的汽车主动悬架联合优化设计与控制Word文档格式.docx
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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，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/Controls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ADAMS/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。
1.3ADAMS简介
ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）软件是美国MDI（MechanicalDynamicsInc.）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，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。
1.4MATLAB简介
20世纪70年代后期，身为美国NewMexico大学计算机系主任的CleveMoler，利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序。
CleveMolerMATLAB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）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
（
）
人体主观感觉
<
0.315
没有不舒适
0.315~0.63
有一些不舒适
0.5~1.0
相当不舒适
0.8~1.6
不舒适
1.25~2.5
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
3.1.1ADAMS/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“AddtoGround”和“Don’tAttach”，然后点击“PointTable”，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
Points
PointNames
X
Y
Z
Point1
lca_out（下横臂外点）
0.0
198.2
-347.5
Point2
lca_front（下横臂前点）
-78.0
-13.0
Point3
lca_rear（下横臂后点）
-5.0
Point4
upper_link（悬架上挂点）
26.0
693.0
-278.0
Point5
spring_bearing（弹簧下支座点）
8.0
401.0
-326.0
Point6
knuckle_inner（车轴内点）
1.0
276.0
-380.0
Point7
knuckle_outer（车轴外点）
275.0
-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（UniteTwoSolids）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_out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upper_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（TranslationalJointMotion）
，选择测试平台和大地之间的移动副（TranslationalJoint）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“StiffnessCoefficient”选框内输入“13.0”，在“DampingCoefficient”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“StiffnessCoefficient”选框内输入“170.0”。
由于车轮的阻尼很小，可忽略，故选“NoDamping”项。
即车轮的刚度为170.0N/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（InteractiveSimulationControls）
，按图3-3设置，结束时间（EndTime）设置为“5.0”，“Steps”设置为“100”，然后点击静平衡图标（Findstaticequilibrium）
。
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“DatabaseNavigator”（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“SystemElements”项，再选择“StateVariable”，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）
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.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“PlantExport”项，然后在“PlantInput”栏单击鼠标右键，在“PlantInput”右拉菜单中选“Create”，在“VariableName”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、chassis_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“PlantOutput”项，选control作为ADAMS/View输出变量，输入到MATLAB/Simulink控制系统中。
在“FilePrefix”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“controlPackage”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
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