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基于MATLAB和ADAMS的电磁减震器联合仿真分析

基于MATLAB和ADAMS的电磁减震器联合仿真分析
基于MATLAB和ADAMS的
电磁减震器联合仿真分析

袁振，杨雷，张建军，李晖，陈敏
（中国海洋大学工程学院，山东青岛）

摘要：利用ADAMS软件建立了四分之一汽车的双横臂式前独立被动悬架模型和主动悬架模型，在ADAMS中对被动悬架模型进行仿真分析，得到车身垂直加速度曲线；利用MATLAB建立基于最优控制理论的主动控制策略，然后进行MATLAB和ADAMS联合仿真，深入研究了联合仿真的调试与设置方法，成功进行了两者的联合仿真，但由于设计经验的不足，没有合理的设计出控制策略中的权重系数与控制系统，最终的结果没有达到预期的目标。
关键词：电磁减震器；主动悬架；最优控制；联合仿真

1引言
主动悬架能够根据路面激励情况及汽车运行工况进行控制，其核心工作部件即电磁减震器，该种减震器提供优良的减震性能，使汽车行驶性能达到最佳，是一个十分复杂的非线性系统，其中的控制方法是电磁减震器的核心技术之一。
近年来，多体动力学成为汽车工程领域最活跃的建模理论，汽车这一复杂系统可以被精确地建立起力学模型。ADAMS软件是最具代表性的多体动力学应用软件，已经广泛应用于汽车、铁道、航空航天和机械制造等众多领域。
本文通过ADAMS/CONTROL模块与MATLAB的接口实现了基于汽车悬架多体模型的最优控制研究。首先利用ADAMS分别建立了四分之一汽车被动悬架和主动悬架的虚拟模型，并生成了随机路面激励，在ADAMS中对被动悬架模型进行仿真；然后通过ADAMS/CONTROL模块与MATLAB的接口将主动悬架机械系统输入到MATLAB中，并对此机械系统模型进行了最优理论控制的设计。最后进行了ADAMS-MATLAB联合仿真，但由于权重系数的选择和控制系统的设计问题，主动悬架模型中的电磁减震器无法合理工作，没有得到预期的结果。
2被动汽车悬架系统的虚拟建模
2.1被动汽车悬架多体模型
本文使用ADAMS/View创建汽车的双横臂式前独立悬架模型（如图1），悬架各项参数选取如下：
悬架模型的主销长度330mm，主销后倾角2.5度，主销内倾角10度，上横臂长350mm，上横臂轴水平倾角-5度，上横臂的汽车横向平面倾角11度，下横臂长500mm，下横臂的汽车横向平面倾角9.5度，下横臂水平斜置角为10度，车轮前束角0.2度。
悬挂质量M=1091.49kg，非悬挂质量m=162.51kg，悬架弹簧刚度Ks=94835N/m，悬架阻尼系数：Cs=3235N/m。

图1双横臂式前独立被动悬架模型（左）
前独立被动悬架力学模型（右）其中M—悬挂质量m—非悬挂质量
Ks—悬架刚度Cs—悬架阻尼Z0—路面位移Z1—车轮轴位移Z2—车身位移

2.2随机路面激励的模拟
路面激励采用随机激励。由于汽车隔振系统的作用，汽车对某些频率路面激励的响应较小，为增强观察与记录数据的效果，选择路面激励频率的上下界为空间频率0.01-2.8，对应的频率为0.5-2.8Hz，速度为35-180Km/h,这种情况下的路面功率谱为：

其中，n为空间频率，为空间参考频率，为下的路面谱值。
本文选择C级路面作为模拟的路面激励，即取=0.1，，选择采样频率间隔Δl=0.1m,采样点数N=20560，空间频率间隔Δn=0.000048，车速v=15m/s。
由式（1）可计算出离散功率谱密度,然后由下式可得到路面不平度在空间域上的离散数据。

其中服从均匀分布的随机数之间的随机数。最后，根据用公式编辑器书写将空间域数据变换到时间域，即可得到路面不平度在时间域上的离散数据。
本文利用ADAMS中的SPLINE函数，近似地生成C级路面不平度曲线（如图2）。并将该函数作为模型中测试平台的直线驱动函数，从而实现了虚拟汽车前悬架模型随机路面激励的构造。

图2近似C级路面不平度曲线

2.3仿真分析
评价一个悬架性能的优劣，主要是看悬架系统把地面的激励通过阻尼系统吸收后其余的激励传到车身的幅度大小。最常用的有3个参数来考察悬架性能的优劣：
(1)车身的垂直加速度，即舒适性和平顺性；
(2)悬架弹簧的行程，即悬架的动挠度(汽车中心高度和弹簧的寿命)；
(3)车轮相对动载，即安全性。
但其中最主要的参数是车身垂直加速度，所以本文主要考虑车身的垂直加速度。图3，即为在ADAMS中绘制出的在3s内，200步的仿真情况下的车身垂直加速度图线。

图3车身垂直加速度曲线

3主动汽车悬架系统的虚拟建模
3.1主动汽车悬架多体模型
为保证主动悬架与被动悬架的可对比性，在相同的悬架参数的前提下，建立主动汽车悬架系统（如图4）。

电磁减震器