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1、收稿日期：2005-03-10基金项目：国家自然科学基金资助项目（10402008）作者简介：杨英（1962-），女，辽宁台安人，东北大学副教授第27卷第1期2006年1月东北大学学报（自然科学版）Journal of Northeastern university（Natural Science）Vol.27，No.1!Jan.2 0 0 6文章编号：1005-3026（2006）01-0072-04基于ADAMS机械模型的车辆主动悬架控制策略与仿真杨英1，刘刚2，赵广耀1（1.东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳110004；2.沈阳航空工业学院，辽宁 沈阳110334）摘要：利用A
2、DAM S软件建立了四分之一汽车主动悬架的机械模型，在机械模型的基础上生成车辆主动悬架系统的动力学方程，该方法解决了主动悬架数学模型建立的难题使机械设计和控制设计共享同一虚拟车辆主动悬架模型，机械系统设计和控制系统设计协调一致采用自适应模糊PI D控制策略对悬架控制，实现了PI D控制过程中参数的在线自整定，从而使系统的控制性能更加完善利用ADAM S的Controls模块实现了ADAM S与MATLAB的联合仿真，仿真结果表明，采用自适应模糊PI D控制策略是合理的、可行的，与被动悬架控制相比有效地降低了车身加速度、悬架动挠度和轮胎的相对动载荷，提高了汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性关键词：机械
3、模型；主动悬架；ADAM S；控制策略；模糊控制中图分类号：u 270文献标识码：A由于主动悬架能主动及时地调整和产生所需悬架控制力，使悬架处于最优的减振状态，可以大幅度改善车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性，因此主动悬架的研究一直是汽车领域研究的热点问题目前对车辆主动悬架控制策略的研究都是建立在悬架系统数学模型基础之上1!3精确数学模型不易建立，且由于机械设计师和控制工程师使用不同的软件对同一车辆模型进行重复建模，一旦出现问题，机械系统和控制系统都要重新设计如果主动悬架控制策略的研究建立在车辆悬架机械模型基础上，那么机械系统和控制系统设计能够协调一致，并且可以设计复杂的模型，包括非线性模型和非刚性
4、模型 ADAMAS使其成为可能本文利用ADAM S软件建立了四分之一汽车主动悬架的机械模型，在机械模型的基础上生成车辆主动悬架系统的动力学方程将PI D控制和模糊控制结合起来，在线自适应调整PI D控制的有关参数，提高控制系统的实时性、鲁棒性在时域内对该主动悬架系统进行了控制仿真分析，得出采用模糊PI D控制策略是合理的、可行的它和被动悬架相比有效地降低了车身加速度、悬架动挠度和轮胎的相对动载荷，提高了汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性1主动悬架系统机械模型的建立1.1车辆模型的简化ADAM S是使用范围最广的机械系统动力学分析软件，ADAM SV iew解题程序模块提供了一个直接面向用户的基本操作
5、对话环境和虚拟样机分析的前处理功能在汽车主动悬架系统设计中，利用ADAM SV iew模块的基本形体建模工具库，根据汽车结构特性建立四分之一车体模型，通过各种约束限制构件之间的相对运动，定义施加的载荷，建立虚拟的实验台，最后进行仿真使用ADAM S软件建立四分之一汽车悬架运动学机械模型时做如下假设：（1）所有零部件都认为是刚体，各运动副均为刚性连接，各运动副内摩擦力、内部间隙忽略不计；（2）为模拟地面不平引起的激励，假想一构件，它与轮胎直接接触，与地面之间通过移动副相连，可上下垂直运动；（3）簧载质量、非簧载质量相对于地面只能做上下垂直运动1.2在ADAMSVi ew中建立14车体机械模型（1
6、）首先启动ADAM SV iew命名悬架模型文件；（2）创建簧载质量部件，并设置参数；（3）在各部件间添加约束；（4）添加驱动；（5）定义ADAM S输入、输出变量，它表示在仿真的每一步，输入变量的值都将由控制应用软件的输入值来代替；（6）导出模块这些文件将在联合仿真过程中使用车辆14主动悬架系统机械模型如图1所示图114主动悬架系统机械模型Fi g.1Acti ve susPensi on mechani cal model of 14 body2主动悬架控制策略的设计2.1主动悬架自适应模糊PI D控制自适应模糊PI D控制就是将自适应控制方法与常规PI D控制器相结合首先，它具备自适应能
7、力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数，能够适应被控过程参数的变化；其次，它又具有常规PI D控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高的优点，使得自适应PI D控制成为一种较理想的控制策略4在自适应模糊PI D控制器中，Kp，Ki，Kd参数调整算法如下：Kp=K/p+ufp；Ki=K/i+ufi；Kd=K/d+ufd式中，Kp，Ki，Kd为PI D最终控制参数；K/p，K/i，K/d为PI D初始整定参数（用常规方法整定）；uf为误差e与误差变化率de对应的值（由模糊控制器给出）；p，i，d为修正系数每次控制过程中，按参数调整算式不断调整Kp，Ki，Kd三个参数，但在一个控制过程内PI D修
8、正系数p，i，d保持不变，PI D初始整定参数，K/p，K/i，K/d保持不变，Kp，Ki，Kd的值随uf的值的变化而变化2，32.2主动悬架自适应模糊PI D控制器的设计（1）论域、模糊子集的选取由于采用模糊控制是为了调整PI D参数，所以悬架系统的控制模式仍按PI D控制构建，本文选取实际悬架模型的簧载质量的速度与设定值0之间的差，即e1=xs-0，和实际悬架模型的簧载质量的加速度与设定值0之间的差，即e2=xs-0，为模糊控制器的输入变量把调整系数uf作为模糊控制器的输出变量，通过计算机仿真得到输入变量和输出变量的基本论域如下模糊控制器输入变量的基本论域：车身垂直速度信号的差值e1=-0
9、.033 3!0.033 3 ms；车身垂直加速度信号的差值e2=-0.740 7!0.740 7ms2控制器输出变量的基本论域：调整系数uf=-610!610把两个输入变量的基本论域都量化为13档，即-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，并把两个输入变量划分为7个模糊子集E1=NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，E2=NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB把输出变量的基本论域都量化为15档，即-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7，并把输出变量划分为7个模糊子集UF=NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB（2）隶属函数、量
10、化因子、比例因子的选取输入变量和输出变量选择三角形分布的隶属函数车身垂直速度信号的差值e1的量化因子Ke1=ne1=60.033 3=180；车身垂直加速度信号的差值e2的量化因子Ke2=ne2=60.740 7=8.1；调整系数uf的比例因子Kuf=ufm=6107=87（3）模糊规则的选取选取控制量变化的原则是：当误差大时，选择控制量以尽快消除误差为主；而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点误差为正时控制量的调整与误差为负时控制量的调整相类似，只是控制量的大小上有微小变化根据上述控制量的调整原则，经过反复37第1期杨英等：基于ADAM S机械模型的车辆主动悬架
11、控制策略与仿真调试，最终制定模糊控制规则5，6模糊推理仍采用最小-最大推理法，解模糊判决也用重心法至此AFC（自适应模糊控制器）构建完毕然后可按上述方法建立PI D控制器，仍取车身加速度 s为控制对象，建立典型的按偏差控制的负反馈结构其中，=0-s=-s是偏差，是最终的主动悬架控制力最后，取PI D初始整定参数为 p 650，i l，d l.l7在模糊参数调整规则表确定后，可进一步按以下规则对系数 p，i，d进行调整：（l）如果被调对象响应特性出现上升时间短，但超调大，应减小 i，而 p和 d不变；反之应增大 i；（2）如果对阶跃输入系统输出产生多次正弦衰减现象，应减小 p，而 i和 d不变；
12、（3）开始调整时，d选较小的值，当调整 i和 d使被调对象具有良好的动静态性能后，再逐渐增大 d，使系统稳态输出基本无波纹；（4）p，i，d的选取要确保被控系统工作在稳定范围内依照上述的规则，经过测试调整得到修正系数为 p=0.8，i=0.0l，d=0.00l3主动悬架控制系统仿真使用ADAM SControls模块，机械设计师和控制工程师可以共享同一个虚拟模型，进行同样的设计验证和实验，使机械系统设计和控制系统设计能够协调一致，并且可以设计复杂模型整个仿真系统由两部分组成，即人机交互界面和底层的仿真控制模型，人机交互界面由MATLAB语言编写，底层控制仿真模型则是在SI MULI NK环境中
13、构建建立路面扰动输入模型是研究汽车动态响应及其控制的基础，它属于整个悬架建模的一部分最常用的路面模型是Thompson提出的积分白噪声过程，它由白噪声过程经积分而得到白噪声通过积分器产生，由下式表示：（）!0!（）d，其中，!（）为单位白噪声分析研究悬架在时域内的动态特性时，需要把路面不平度在频域内的统计特性转化为时域内的时间序列利用仿真软件M atla S i mulink可以构建出积分白噪声随机路面输入模型底层控制仿真模型分别由两个子模块完成，如图2所示被动悬架子模块和自适应模糊PI D控制策略的模糊PI D控制子模块，这两个子模块分别连接到控制类型选择这个控制开关的各对应端口上，由它选定
14、其中一个端口接通，确保既定的控制策略计算输出的控制力 由于路面输入模块和各控制子模块是相对独立、完整的部分，把它们分别进行封装，添加到自己的模型库中便于管理，且使框图显得简洁、明了7图2控制仿真模型Fi g.2Control and si mul ati on model为方便底层仿真控制模型的参数调整和对仿真实验数据的处理，开发主动悬架控制系统仿真软件该仿真软件可在界面输入时调整随机路面输入模型的参数和PI D控制器的三个参数，并且47东北大学学报（自然科学版）第27卷绘制车身加速度曲线、悬架动挠度曲线、轮胎相对动载荷曲线、主动控制力曲线，同时分别求出车身加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷这三个
15、性能评价指标的最大值、平均值和均方根值84控制仿真结果用车身垂直加速度（影响车辆的乘坐舒适性和行驶平顺性）来评价悬架的优劣本文仅选取了第一组积分白噪声随机路面扰动输入采用自适应模糊PI D控制策略进行主动悬架控制仿真曲线如图3所示可见，主动悬架的车身垂直振动加速度的值大约在-U.498!U.489之间波动，与被动悬架仿真结果相比较，车身垂直振动加速度大幅降低，这说明自适应模糊PI D综合控制效果好图3仿真结果对比Fi g.3ComPari si on of the results of si mul ati on5结论本文应用ADAM S软件建立了四分之一汽车悬架系统的机械模型，融合PI D控
16、制理论和模糊控制理论的优点，设计出自适应模糊PI D控制器，编写了汽车主动悬架控制仿真软件，可实时察看系统控制特性，从而确定最佳控制参数仿真结果表明，自适应模糊PI D控制策略能显著改善车身垂直加速度、悬架的动挠度和轮胎的相对动载荷特性说明该控制系统能很好地降低车身加速度幅值，达到抑制、衰减车身振动，满足行驶平顺性的要求，同时轮胎相对动载荷均方根值也明显降低该控制策略同时改善了汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性，获得了满意的控制效果 ADAM S对于建立二分之一、甚至整车悬架系统的机械模型，提高车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性具有重要意义参考文献：1fernando J D，Daniel E v.fuz
17、zy control activesus pensionsJ.M echatronics，2UUU，（1U）：897-92U.2L iji ma T，Akastu Y.Development of a hydraulic activesuspensionJ.SAE PaPer931971，1993，2：142-2153，149-16U.3 刘少军，饶大可，黄中华车辆主动悬架系统及其控制方法J湘潭大学学报，2UU3，25（2）：65-69（L iu S J，Rao D K，Huang Z H.vehicle active suspensionsystem and controlmethodJ.j
18、ournalofX iangtanUnioersity，2UU3，25（2）：65-69.）4 郑泉基于遗传算法-神经网络的半主动悬架控制仿真 J合肥工业大学学报，2UU2，25（2）：23U-235（Zheng.Sem i-active suspension control and si mulation basedon inheritance arithmeticJ.journal of efei IndustryUnioersity，2UU2，25（2）：23U-235.）5Cherry AS，Jones R P.fuzzy logic control of an automotives
19、uspension systemJ.IEE，1995，14（2）：149-16U.6 宋晓琳，唐应时，曹立波一种用于l2汽车主动悬架的可调模糊控制器 J汽车工程，2UU1，23（4）：236-239（Song X L，T ang Y S，Cao L B.Adjustable fuzzy controllerusing to 12 vehicle active suspensionJ.Autom obileEngineering，2UU1，23（4）：236-239.7 陈龙，周孔亢，李德超车辆半主动悬架控制技术的研究 J农业机械学报，2UU2，33（1）：25-28（Chen L，Zhou K
20、 K，L i D C.The research of vehicle sem i-active suspension technologyJ.journal ofAgricultureM achine，2UU2，33（1）：25-28.）8Thom Pson A G，Davis B R.T echnical note on the lotussuspension patentsJ.v ehicle Syste m Dynam ics，1991，25（6）：381-383.Control Strategy Based on ADAMS M echanicalM odel for vehicles
21、Active Suspension and S i mulationYANG Y ing1，LI U Gang2，ZAO Guang-yao1（1.S chool ofM echanical Engineering&Automation，Northeastern University，Shenyang 11UUU4，China；2.ShenyangInstitute of A eronautical Engineering，Shenyang 11UU34，China.Correspondent：YANG Y ing，E-mail：yangyingsy ）Abstract：The dynam i
22、c perfor mance of suspension system directly affects riders com fort and driving stability of vehicles.Suspensionis developed w ith relevant dynam ic expression given to the suspension system.Thus，the mechanical and controldesigns are both availabletoshare the active suspension model of a virtual ve
23、hicle so asto make both compatible w ith each other.The self-adaptive fuzzy PI D control strategy is introduced to the suspension control to realize the online self-setting of allparametersin PI D control process.The controls module in ADAM S was used to realize the joint si mulation of ADAM S andMA
24、TLAB，of which the results showed that the self-adaptive fuzzy PI Dcontrol strategy is reasonable and feasible.Comparew ith the passive suspension control，the control strategy w ill decrease effectively the acceleration of vehicle body，as well as thedynam ic flexibility of suspension and relative dyn
25、am ic load on tyres.Key words：mechanical model；active suspension；ADAM S；control strategies；fuzzy control（receioed M arch1U，2UU5）57第1期杨英等：基于ADAM S机械模型的车辆主动悬架控制策略与仿真基于ADAMS机械模型的车辆主动悬架控制策略与仿真基于ADAMS机械模型的车辆主动悬架控制策略与仿真作者：杨英，刘刚，赵广耀，YANG Ying，LIU Gang，ZHAO Guang-yao作者单位：杨英,赵广耀,YANG Ying,ZHAO Guang-yao(东北大学
26、,机械工程与自动化学院,辽宁,沈阳,110004)，刘刚,LIU Gang(沈阳航空工业学院,辽宁,沈阳,110334)刊名：东北大学学报（自然科学版）英文刊名：JOURNAL OF NORTHEASTERN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)年，卷(期)：2006,27(1)被引用次数：8次 参考文献(8条)参考文献(8条)1.Thom Pson A G;Davis B R Technical note on the lotus suspension patents外文期刊 1991(06)2.陈龙;周孔亢;李德超 车辆半主动悬架控制技术的研究期刊论文-农业机械学报 20
27、02(01)3.宋晓琳;唐应时;曹立波 一种用于l/2汽车主动悬架的可调模糊控制器期刊论文-汽车工程 2001(04)4.Cherry A S;Jones R P Fuzzy logic control of an automotive suspension system 1995(02)5.郑泉 基于遗传算法-神经网络的半主动悬架控制仿真期刊论文-合肥工业大学学报(自然科学版)2002(02)6.刘少军;饶大可;黄中华 车辆主动悬架系统及其控制方法期刊论文-湘潭大学自然科学学报 2003(02)7.Lijima T;Akastu Y Development of a hydraulic ac
28、tive suspension 19938.Fernando J D;Daniel E V Fuzzy control activesus pensions 2000(10)引证文献(8条)引证文献(8条)1.刘朝晖.李斌茂.李丽屏 基于虚拟样机的UUV发动机动力学仿真研究期刊论文-机电一体化 2010(4)2.李斌茂.钱志博.程洪杰.刘朝晖 AUV发动机的ADAMS/MATLAB联合仿真研究期刊论文-系统仿真学报 2010(7)3.李斌茂.钱志博.李丽屏 UUV发动机的联合仿真研究期刊论文-机械与电子 2009(7)4.李卫.严世榕 电子控制空气悬架发展综述期刊论文-福建工程学院学报 2008(z1)5.宋晓琳.李碧军.于德介 基于ADAMS主动悬架的液压伺服系统设计期刊论文-系统仿真学报 2008(1)6.张晓芬.丛华.晁志强.刘相波 ADAMS/CAR与EASY5在车辆主动悬架动力学研究中的应用期刊论文-动力学与控制学报 2007(3)7.汪立明.谢伟东 基于ADAMS和MATLAB的汽车主动悬架联合仿真期刊论文-机械设计与制造 2007(7)8.吴生玉.马闯 主动悬架对汽车防侧翻性能的影响及仿真分析期刊论文-机械制造与自动化 2006(6)本文链接：http:/