基于ADAMS和MATLAB的联合控制系统的仿真

2005年6月机械工程与自动化

MECHANICAL　ENGINEERING　&　AUTOMATIONNo.3Jun.

文章编号:1672-6413(2005)03-0079-03

基于ADAMS和MATLAB的

联合控制系统的仿真

王　涛,张会明

(华东交通大学机电工程学院,江西　南昌　330013)

摘要:目前对车辆智能减振控制的研究基本上是通过建立其数学模型,然后利用MATLAB软件仿真,得到设计的控制器的最终减振效果。然而通过这种方式设计出来的控制器,在实际的应用中控制效果有很大的差别。ADAMS是美国MDI公司开发的非常优秀的机械系统动力学仿真分析软件,现已广泛地应用于汽车、机械制造业等领域,用它建立的系统虚拟模型能更接近实际的物理模型,这为以后的物理样机试验提供了更为可靠的依据。通过该软件建立了汽车1/4的2自由度悬架虚拟模型,利用ADAMS/CONTROL控制模块与MATLAB接口进行联合仿真,结果证实了该方法的实用性及可行性,为汽车悬架减振性能的开发设计提供了一种有效的现代化手段。

关键词:MATLAB;ADAMS;仿真系统;模糊控制器中图分类号:TP391.9∶U46　　　文献标识码:A

1　ADAMS软件简介

ADAMS(AutomaticDynamicAnalysis

of

MechanicalSystem)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,是虚拟样机领域中非常优秀的软件,目前已经广泛地应用到汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等领域,并取得了满意的效果。该软件提供了友好的交互式图形环境,使我们可以很方便地利用它的零件库、约束库、函数库等来创建完全参数化的机械系统虚拟模型,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、运动学和动力学仿真分析,输出我们需要的数据曲线用来分析并改进设计。并且该软件针对不同行业的需要提供了相应的专业模块以满足行业设计人员的不同要求,使设计效率明显提高[1]。该软件的主要特点是通过它建立的虚拟模型能很好地反映实际的物理模型,其仿真的结果也能很好地与实际物理模型的结果相吻合。但是对

收稿日期:2005-01-15

于控制系统设计,ADAMS软件提供的控制工具箱只能处理一般的控制环节(比如PID控制),而MATLAB是大型控制系统设计软件,能够处理各种高级控制环节(比如智能控制系统),如果能将两者结合起来使用,充分发挥它们各自的优势,这将给那些复杂系统的研究提供一种新的途径。2　ADAMS与MATLAB软件的联合仿真

ADAMS与MATLAB联合仿真要经过以下的几个步骤:

2.1　建立虚拟模型

对于简单的模型可以利用ADAMS软件直接建模,对于复杂的模型可以借助一些CAD软件(如UG、CATIA、PRO/E等)建模,然后将最终的模型导入到ADAMS环境中,最后给这个模型施加约束和作用力。2.2　定义ADAMS的输入和输出

图1为ADAMS与MATLAB的接口。ADAMS的输入输出是与MATLAB设计的控制系统进行数据传递的接口,ADAMS的输入就相当于系统的控制输

作者简介:王涛(1976-),男,湖北荆州人,在读硕士研究生,研究方向:载运工具智能减振控制。・80・

机械工程与自动化　　　　　　　　　　　　　　　2005年第3期　

入,ADAMS的输出就相当于系统的测量值。2.3　建立控制系统的结构图

将ADAMS建立的虚拟模型与MATLAB建立的控制系统通过图1的方式结合起来,形成一个闭环系统。2.4　仿真分析

对闭环系统进行仿真分析,并针对结果对控制系统参数进行反复的修改直到得到满意的效果。

3.1　控制系统的建立

首先,用ADAMS建立悬架的2自由度机械模型,接着定义输入输出变量(即与MATLAB接口的变量),输入采用施加在车身与轮胎上的力f,输出采用模型的车身加速度与速度的measure值(a,v);然后,通过ADAMS/CONTROL模块输出ADAMS的机械系统模型;最后,在MATLAB里面建立汽车模糊控制系统结构框架图,见图3。

图3中,模糊控制器的输入变量的论域根据受到路面干扰的最大值来确定

[3～7]

。速度v[-0.5,0.5],加

速度a[-3.0,3.0],控制力f[-6,6],k为放大系数。输入变量a、v定义3个模糊集合:N(负),Z(零),P(正);输出变量f定义5个模糊集合:NL(负大),NS

图1　ADAMS与MATLAB的接口

(负小),Z(零),PS(正小),PL(正大)。

表1　汽车参数数据

车身质量m2(kg)悬架弹簧刚度k2(N/m)悬架减振器的阻尼系数c2(N・s/m)

车轮质量m1(kg)轮胎刚度k1(N/m)

33013000100025170000

3　联合仿真在汽车悬架系统中的应用

汽车悬架系统是一个复杂的非线性系统,以往我们对其减振控制研究都是建立在它的数学模型基础之上,但是这种数学模型只是一个近似的简易线性化模型,不能反映它的真实情况,很明显其研究的结果与实际系统有较大的差别,而且数学模型一旦建立错误将导致失败。而ADAMS软件可以帮助我们有效地解决上述问题,利用该软件在计算机上按照实际系统的情况构造它的虚拟模型,自动建立其数学模型,这种虚拟模型并不是简单地反映实际系统,它可以很好地代替实际系统模型并对其在使用中的各种工况进行仿真分析,最终为物理样机的验证提供可靠的依据。本文用ADAMS软件构造了汽车1/4的2自由度悬架虚拟模型,见图2,其汽车参数采用奔驰一种车型的参数,汽车参数数据见表1。

[2]

图3　汽车模糊控制系统结构框架图

控制律为:[Rules]

11,5(1):1　12,4(1):113,1(1):1　21,5(1):122,3(1):1　23,1(1):131,5(1):1　32,2(1):133,1(1):1路面的激励W1为:

0　　　　　　　0≤t≤0.2sW1=

0.4(t-0.2)　0.2s≤t≤0.45s　。

0.1　　　　　　0.45s≤t

3.2　联合仿真的结果

图4为加速度变化曲线图,图5为悬架弹簧变形

图2　汽车1/4的2自由度悬架虚拟模型变化曲线图。由图4、图5的仿真结果可以看出所设计　2005年第3期　　　　　　　　　　王涛,等:基于ADAMS和MATLAB的联合控制系统的仿真・81・

的智能控制器能明显地改善汽车虚拟模型的平顺性和安全性,这为以后我们的实车测试提供了可靠的依据。

了建模的过程,特别是为那些高度复杂无法或者很难推导出其微分方程组的机械系统提供了有效的分析途径。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,与那些近似线性化的简易数学模型相比,这为我们以后的物理样机试验提供了更为可靠的依据。

参考文献:

[1]　李军,邢俊文,覃文洁,等.ADAMS实例教程[M].北京:

北京理工大学出版社,2002.

[2]　宋晓琳,王运龙,何友朗.汽车主动悬架系统的模糊控制

图4　加速度变化曲线图

[J].专用汽车,2000(3):18-20.

[3]　荆友录,吴芷红.汽车半主动悬架的模糊控制[J].山东交

通学院学报,2003,11(1):6-8.

[4]　陈士安,刘红光,陆森林,等.汽车主动悬架四自由度模糊

控制系统[J].汽车工程,2000,23(6):375-380.

[5]　SooYeongYi,MyungJinChung.Robustnesoffuzzy

logiccontrolforanuncertaindynamicsystem[J].IEETransactiononFuzzySystems,1998,6(2):200-208.[6]　ChouJyh-Horng,ChentShinn-Horng,LeeFeng-Zhi.

Grey-fuzzycontrolforactivesuspensiondesign[J].InternationalJournalofVehicleDesign,1998,19(6):300-309.

[7]　SongYongmoon,OokHyunkwon.Genetic-basedfuzzy

controlforhalf-caractivesuspensionsystem[J].InternationalJournalofSystemScience,1998,29(7):699-710.

图5　悬架弹簧变形变化曲线图

4　结论

本文利用ADAMS和MATLAB软件成功地对汽车1/4悬架系统进行了模糊控制减振仿真分析。在仿真的过程中不需要推导系统的复杂微分方程组,直接用ADAMS建立虚拟模型进行了分析,这大大方便

StudyonAssociatedControlSystemSimulation

BasedonADAMSandMATLABSoftware

WANGTao,ZHANGHui-ming

(CollegeofMechanicalandElectricalEng.,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China)

Abstract:Uptonow,thestudyofintelligentabsorbed-shockcontrolofvehicleisalmostbasedonmath-model,andthengettheeffectsofthedesignedshock-absorberbyMATLABsoftware.Buttheabsorderdesignedbythismeansinpracticecan'tgetthegoodeffect.ADAMSisveryexcellentsoftwareinautomaticdynamicanalysisofmechanicalsystem,nowwidelyappliedtothemostfieldsuchasautomobile,mechanismandsoon.ThevirtualmodelcreatedbyADAMSsoftwareisapproachingtherealmodel,anditcanprovidethecredibleresultfortherealmodeltest.Inthispaper,Wesimulatedandcontrolledthe1/4suspensionsystembyusingthem.Theresultprovesthemethodispracticalandavailable,andprovidesefficientandmoderntoolsfordevelopingsuspensionsystem.

Keywords:MATLAB;ADAMS;simulationsystem;fuzzycontroller