基于ADAMS和MATLAB的主动悬架控制技术研究*

张 屹，丁昌鹏

(三峡大学 机械与动力学院，湖北 宜昌 443002)

基于ADAMS和MATLAB的主动悬架控制技术研究*

张 屹，丁昌鹏

(三峡大学 机械与动力学院，湖北 宜昌 443002)

为了提高整车主动悬架的控制效果，应用汽车动力学理论在ADAMS/View中建立了简化七自由度整车主动悬架模型，利用经典PID控制原理设计了整车主动悬架控制器。将整车模型以模块化的形式导入到MATLAB建立的PID控制器中，建立整车主动悬架控制系统。仿真结果表明：与被动悬架相比，PID控制的主动悬架对车身的垂直加速度、俯仰角加速度及侧倾角加速度产生了有效的控制效果，提高了汽车行驶的平顺性。

主动悬架；ADAMS； PID控制

0 引言

悬架系统是车辆的重要组成部分，用以传递车体和车轮之间的力和力矩，缓和路面传给车架的冲击载荷，起缓冲和减振的作用[1]。悬架系统对汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性、操纵稳定性、安全性和轮胎的使用寿命等性能都有很大的影响，一直受汽车设计和研究人员的关注。以往对主动悬架的减振控制研究都是以它的数学模型为基础，但是这种数学模型存在较大的误差，建模分析过程较为繁琐，且以往建立的主动悬架模型多为简化之后的1/4车悬架模型或半车悬架模型，简化的模型忽略了一些因素，不能较好地体现整车悬架的总体性能。文中应用ADAMS和MATLAB联合仿真技术，利用ADAMS软件建立了整车主动悬架机械模型，将主动悬架机械模型及PID控制器的设计结合起来，采用同一样机模型进行系统分析，简化了建模的步骤，提高了模型的精度，更好地改善了汽车悬架性能。

1 主动悬架的动力学模型

为从总体上较全面地把握汽车运动响应和控制的综合质量，采用整车七自由度模型[2]。这里假定车身是一个刚体，当汽车在随机路面上做匀速直线运动时，车身质心具有上下跳动、俯仰、侧倾3个自由度；4个车轮分别具有1个垂向运动的自由度，这样构成了整车七自由度模型，如图1所示。

图1 七自由度整车主动悬架模型

对车身运用牛顿定律，则车身质心加速度可表示为：

(1)

而车身俯仰角加速度可表示为：

(2)

车身侧倾角加速度可表示为：

(3)

4个车轮加速度可表示为：

(4)

(5)

(6)

(7)

2 主动悬架PID控制器的设计

PID控制是早期发展起来的较为传统的控制方法。尽管现代控制理论已经得到长足发展，多种控制方法应运而生，但由于PID控制器控制算法简单、可靠性高、鲁棒性好、参数整定灵活且结构简单等特点在机电、化工、机械等多种行业中占有绝对的统治地位。目前，在工程应用中，约90%的控制回路仍采用PID控制器[3-4]。因此, 本文采用PID控制器进行主动悬架控制器的设计。

图2 PID控制系统结构框图

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

(8)

采用PID控制时，对系统的控制效果起决定性作用的是KP、KI、KD三个参数，因此，寻找最优的KP、KI、KD参数值使主动悬架达到预定要求，是PID控制器设计的主要部分[5]。人们总结了许多经验公式和图表对PID控制器的参数进行整定，比如根轨迹法、最优化法、试凑法等[6]。本文利用MATLAB/Simulink仿真功能，采用试凑法对PID参数进行整定，经过试凑反复调整PID控制系统参数，直到得到满意结果。文中所用参数如表1所示，其中PIDi(i=fl,fr,rl,rr)四个PID控制器均以动挠度为输入变量，故采用相同的参数。

表1 仿真中所用参数

3 ADAMS和MATLAB联合仿真模型建立

由于ADAMS软件自带的控制工具箱功能比较简单，但软件提供了EASY5、MATLAB、MATRIX等控制分析软件接口。对于复杂的控制系统，控制子系统的设计还可以借助其它控制软件来进行联合设计。利用ADAMS/Control模块，同步应用ADAMS和MATALAB对整车进行动力学仿真分析，来解决多自由度复杂整车多体动力学模型和控制系统控制运算法则复杂的问题，基本步骤如图3。

图3 ADAMS/CONTROL分析步骤

3.1 建立整车仿真模型

直接利用ADAMS/View的建模功能，按照某型整车车体悬架参数(如表2)建立整车仿真模型，包括汽车简化质心、转向机构、双横臂式前独立悬架、斜置臂式后悬架与轮胎模型，如图4。

表2 整车主要技术参数

3.2 建立路面模型

路面模型的建立必须满足轮胎特性及整车模型仿真的要求，路面模型中用于仿真激励的凸凹面的方向要指向轮胎所处的一侧。文章的主要研究方向在于直线行驶中的车辆的平顺性，因此设置路面为长直路面，其长宽要求根据仿真的要求来确定。依据白噪声方法产生符合仿真所需的路谱要求的随机不平度[7]，之后将随机不平度序列数据导入到ADAMS软件的spline函数数据单元之中，再对得到的spline曲线数据再处理，生成仿真所需要的随机路面模型。将整车模型和路面模型装配到虚拟样机仿真系统如图4所示。

图4 ADAMS环境下的整车及路面模型

3.3 确定ADAMS的输入和输出

ADAMS/Controls模块和MATLAB控制程序之间，是通过状态变量的相互传递来进行信息交换的。在ADAMS模型中定义输出信号为各加速度与动挠度，也就是MATLAB中设计的控制器的输入参数；定义ADAMS模型中的输入量为悬架的主控力，对应MATLAB控制器计算得到的控制器输出量。这样就在ADAMS软件与MATLAB/Simulink之间形成了一个闭环的控制系统。汽车机械模型和控制器之间相互联系的参数输入输出关系如图5所示。

图5 ADAMS和MATLAB间的数据交换

3.4 将ADAMS模块导入MATLAB

启动MATLAB程序，键入Adams _sys命令，显示Adams _sub模块的子系统，再设置Adams Plant仿真参数，如图6所示。

图6 联合仿真模型的Adams _sub模块

3.5 建立控制系统模型

新建一个新的Simulink工作任务，将Adams _sub模块与输出显示器等一起复制到Simulink建模窗口中，然后根据设计的控制器参数建立仿真车辆模型的控制部分。Adams _sub的输出量经过Simulink控制器的计算之后，作为主动控制力输出。联合仿真模型如图7所示。

图7 ADAMS与Simulink联合仿真模型

4 联合仿真结果分析

假定汽车以50km/h的速度在C级路面上直线行驶[8]，设置仿真参数，设置仿真时间为12s，仿真时间在2s时，车速基本稳定，认为仿真从此时开始，将仿真结果文件(. res)导入后处理模块ADAMS/Postprocessor，绘制结果曲线。为了说明控制技术对提高汽车平顺特性方面的有效性，选取车身质心垂直加速度、侧倾角加速度和俯仰角加速度作为评价指标，将联合仿真结果和被动悬架仿真结果进行对比，结果如图8至图10所示。

图8 车身质心垂直加速度比较

图9 车身质心侧倾角加速度比较

图10 车身质心俯仰角加速度比较

从结果来看，由ADAMS与MATLAB联合仿真有效协调了机械结构与控制器之间存在的耦合关系，仿真结果更直观、准确。系统在PID的主动控制下,质心垂向加速度、侧倾角加速度及俯仰角加速度都有一定下降，减振效果明显。各平顺性评价指标对应的峰值和均方根值如表3所示。

表3 评价指标对比表

由表3可知，PID控制的主动悬架与被动悬架相比，各评价指标的峰值及均方根均有明显降低，车身侧倾角加速度峰值和均方根分别减小了18.6%和13.8%，车身俯仰角加速度峰值和均方根分别减小了6.7%和7.4%，特别是车身质心垂直加速度峰值和均方根更是分别减小了24.5%和27.3%，因此PID控制的主动悬架在改善整车平顺性明显优于被动悬架。

5 结论

应用ADAMS软件建立了七自由度主动悬架整车模型，并设计出PID控制器，通过ADAMS与MATLAB联合仿真对主动悬架及其控制系统进行了数值仿真。在仿真的过程中直接用ADAMS建立虚拟模型进行了分析,简化了建模过程；而且通过ADAMS软件建立的虚拟模型能很好地接近实际的物理模型,仿真结果更准确。仿真分析结果表明PID控制对车辆性能的改善及实现主动悬架主动控制具有积极的意义。

[1] 于海涛,田静姝,于海波，等.ADAMS 与 MATLAB 软件在汽车悬架系统优化及控制中的应用[J].机械设计与制造,2010(7)：82-84.

[2] 潘公宇,聂秀伟,陈立付，等.七自由度主动空气悬架最优控制的研究[J].机械设计与制造,2012(2)：97-99.

[3] 薛定宇.控制系统计算机辅助设计[M].北京:清华大学出版社,2006.

[4] 刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2003.

[5] 符永法.几种新型PID调节器参数的整定法[J].化工自动化及仪表,1997,24(1):25-26.

[6] 孙夏娜.主动悬架控制策略研究与仿真分析[D].湖南:湖南大学.2008.

[7] 陈黎卿,王启瑞.基于ADAMS的脉冲路面输入平顺性仿真分析[J].计算机仿真,2006,23(12)：213-215.

[8] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2002．

(编辑 赵蓉)

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——本刊编辑部

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

国家自然科学基金(51275274)

张屹 (1976—)，男，兰州人，三峡大学副教授，博士，硕士生导师，主要研究方向为机电系统现代设计方法及机电传动与控制系统设计，(E-mail)jxzhangyi1976@126.com。

TH166;TG659

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