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基于ADAMS与MATLAB的汽车ABS控制策略的联合仿真郑太雄;李倩敏;邬彪【摘要】Based on analysing the ABS simulation technology at present stage,in this paper we build the full vehicle model with ADAMS and the ABS control strategy model and the pressure regulating control unit model with MATLAB.The full vehicle dynamic model and the control model are connected together by the ADAMS/Control module interfaces,and to form an ABS real-time closed-loop control model,fi-nally the co-simulation of them two is realised.We also study the co-simulation of automobile ABS on high-adhesion coefficient road.It is known from the simulation results that the ABS system plays a very good anti-lock braking effect in the braking process of the full vehicle,this verifies the reliability of the ABS braking and the feasibility of the co-simulation method.%在分析现阶段ABS 仿真技术的基础上，利用ADAMS搭建整车模型，利用MATLAB搭建ABS控制策略模型以及气压调节控制单元模型。
基于ADAMS和Matlab的协同仿真及分析摘要: 应用多体动力学仿真软件ADAMS/Control和强大的控制系统仿真软件Matlab/Simulink进行机械系统和控制系统的协同仿真研究。
以雷达天线为实例，Matlab中输出的控制力矩为机械模型的输入参数，机械模型的天线仰角和电机转速为输出，形成一个闭环系统。
结果表明,利用ADAMS和Matlab进行机械系统和控制系统协同仿真，可以为机电产品的系统动态仿真分析提供有效手段。
关键词： ADAMS; Matlab; 协同仿真复杂产品的开发设计过程通常分为液压、机械、电子、控制等不同子系统，各子系统采用各自领域内的商用仿真软件进行单点仿真[1]。
但单点仿真并不能真实地反映整个系统之间的相互影响，而且当某个系统的参数有变动时，各子系统都要重新设计。
而虚拟样机技术的发展为复杂产品进行精确仿真提供了有效的支持。
虚拟样机技术是一种基于计算机仿真的产品数字化设计方法，涉及到多体运动学与动力学等技术，是在CAX(如CAD、CAE、CAM 等)/DFX(如DFA、DFM等)技术基础上的发展，进一步融合了信息技术、先进制造技术和先进仿真技术，并将这些技术应用于复杂产品的全生命周期[2]。
利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，可缩短开发周期，降低成本。
雷达天线是一种典型的机电一体化产品，利用虚拟样机技术对机械系统和控制系统协同仿真，在可视化的环境下观察控制系统和机械系统的相互影响，输出多种仿真结果。
本文基于ADAMS的强大的动力学仿真建模功能和Matlab/Simulink强大的控制仿真功能，利用ADAMS建立了雷达天线机械模型，并在Matlab/Simulink中设计了控制器，结合在ADAMS中建立雷达天线机械模型，最终建立了基于ADAMS和Matlab的协同仿真模型，通过协同仿真可保证雷达天线达到预定仰角位置，稳定系统。
1 机械系统的虚拟建模本文利用ADAMS/View对雷达天线进行建模。
一、ADAMS /Controls模块ADAMS /Controls是ADAMS其他模块如ADAMS/View,ADAMS/Car,ADAMS/solver等的插件模块，为建立的模型添加控制系统。
通过ADAMS/Controls 模块，可以将机械系统仿真分析工具同控制设计仿真软件MATLAB,EASY5，MATRIX等有机地连接起来，实现以下功能。
（1）将复杂的控制系统添加到机械系统模型中，然后对机电一体化进行联合分析。
（2）直接利用ADAMS程序创建控制系统分析中的机械系统仿真模型，而不需要使用数学公式建模。
（3）在ADAMS环境或控制应用程序环境获得机电联合仿真结果。
ADAMS /Controls控制系统可以有两种使用方式：●交互式：在ADAMS/Car， ADAMS /Chassis，ADAMS/Rail， ADAMS/View等模块中添加ADAMS /Controls，通过运动仿真查看控制系统和模型结构变化的效果。
●批处理式：为了获得更快的仿真结果，直接利用ADAMS /Solver这个强有力的分析工具运行ADAMS /Controls。
设计ADAMS/Controls控制系统主要分为4个步骤：1.建模：机械系统模型既可以在ADAMS /Controls下直接建立，也可以外部输入已经建好的模型。
模型要完整包括所需的所有几何条件、约束、力以及测量等。
2.确定输入输出：确定ADAMS 输入输出变量，可以在ADAMS和控制软件之间形成闭环回路。
3.建立控制模型：通过一些控制软件如Matlab、Easy5或者Matrix等建立控制系统模型，并将其与ADAMS机械系统连接起来。
4.仿真模型：使用交互式或批处理式进行仿真机械系统与控制系统连接在一起的模型。
二、MA TLAB/Simulink工具箱MA TLAB是MathWorks公司开发的软件，具有很多工具箱，其中Simulink工具箱，可以应用于对动态系统进行仿真和分析,他可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。
模糊PID在汽车防锁死系统(ABS)上的控制优化及仿真研究蒋科军;刘成晔;张兰春【摘要】在Matlab/Simulink环境内建立了汽车ABS动力学模型,引入S函数对模糊PID控制过程进行优化,并对该控制方法进行了仿真研究,研究结果表明:基于S 函数的模糊PID控制更加灵活,汽车ABS在基于S函数的模糊PID控制下,制动距离较常规模糊PID控制短,虽然基于S函数的模糊PID控制在后期有明显颤振,但控制参数具有明显的收敛性.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2013(013)031【总页数】5页(P9450-9453,9459)【关键词】汽车ABS;模糊PID控制;S函数;优化;仿真【作者】蒋科军;刘成晔;张兰春【作者单位】江苏理工学院汽车与交通工程学院,常州213001;江苏理工学院汽车与交通工程学院,常州213001;江苏理工学院汽车与交通工程学院,常州213001【正文语种】中文【中图分类】U463.526汽车防抱死制动系统ABS(anti-lock braking system)是目前比较普及的汽车主动安全技术，它能够显著提高汽车制动时方向稳定性和转向操纵能力，缩短汽车制动距离。
据文献［1］统计，汽车ABS技术的应用能使交通事故减少25%以上。
基于ABS技术对汽车安全的巨大作用，当前对汽车ABS的研究和改良仍是国内外汽车研究的重要课题，如郑太雄等［2］、齐志权等［3］研究汽车 ABS参考车速的确定方法，分析不同方法确定的参考车速对汽车ABS 控制效果的影响;李伯全等［4］、李熙亚等［5］研究汽车ABS的路面自动识别技术，通过采用智能控制和自适应技术来提升汽车ABS的性能;Peng等［6］研究汽车ABS与其他汽车底盘系统的联合控制。
本文以汽车ABS的控制为研究课题，在模糊PID控制中引入S 函数，希望通过S函数的灵活性和多层次性，提高汽车ABS的制动效果。
1 汽车ABS动力学模型1.1 汽车ABS工作原理汽车制动时(忽略空气阻力)，轮胎与路面间的式(1)中，λ为车轮滑移率;VC为车辆速度;VT为车轮边缘的线速度;ω为车轮角速度;R为车轮滚动半径。
MATLAB 和ADAMS 联合仿真实现一种位置控制系统0. 预先操作01 在D 盘根目录下新建文件夹Model ，路径中无空格、无中文字符，模型统一存放处。
1. ADAMS 中建模过程1.1 启动ADMAS双击桌面图标：或从“开始”中选择启动：1.2 进入ADMAS 界面。
1.3 设置工作目录。
选择菜单栏File\Select Directory，弹出浏览文件夹对话框，选择D:\Model文件夹。
1.4 弹出主工具栏。
选择菜单栏\View\Toolbox and Toolbars ，勾选Tool Settings中Main Toolbar，弹出工具栏。
1.5 ADAMS 中按F4调出位置/坐标显示。
1.6 设置重力加速度。
选择菜单栏\Setting\Gravity，设置重力加速度，此时弹出Error 对话框。
选择“Create Model”，并起名为“Qiu1”，点击“OK ”再次选择菜单栏\Setting\Gravity，设置重力加速度：勾选Gravity 前方框，点击-Y*，如下图示，点击“OK ”。
1.7 设置单位。
选择菜单栏\Setting\Units，设置单位，此时弹出“Units Settings ”对话框，点击“MKS ”按钮，各单位符号如右图示，点击“OK ”。
1.8 建立半径10cm 的球，放置在点(0,0,0上。
“右键”点击主工具栏第一排第二个符号-刚体：连杆，弹出扩展工具符号，选择第二排第一个符号-刚体：球，勾选Radius 前方框，则此球半径为10.0cm 。
1.9 建立球与大地之间移动副。
“右键”点击主工具栏第二排第二个符号-连接：旋转副，弹出扩展工具符号，选择第二排第一个符号-连接：移动副。
该移动副属性为2个构件，1个作用点。
鼠标动作顺序为：1. 左键点击“ground ”一次，选取大地为第一个构件； 2. 左键点击球体一次，选取球为第二个构件；3. 右键在球心位置点击一次，弹出Select 对话框，左键双击“PART_2.cm”；4. 右键在球心位置点击一次，弹出Select 对话框，左键双击“PART_2.cm.Y”。
第27卷第5期2009年9月北京工商大学学报(自然科学版)Journal of Beijing Technology and Business University (Natural Science Edition )Vol 127No.5Sep.2009 文章编号:167121513(2009)0520014204ADAMS 和MAT LAB 联合仿真技术应用衣袖帅1, 黄志刚1, 孙明涛2(11北京工商大学机械工程学院,北京 100048;21华北电力大学后勤与资产管理处,北京 102206)摘 要:针对ADAMS 不能对机械系统实现复杂控制的状况,提出了将ADAMS 与控制应用软件MA TLAB 结合起来对系统进行联合仿真的方法.以汽车ABS 控制系统为例,研究ADAMS 和MA TLAB 之间的接口,实现了复杂机电系统的联合仿真.关键词:ADAMS ;MA TLAB ;联合仿真;防抱制动系统中图分类号:TP39119;U463152+6 文献标识码:A 收稿日期:2009205206基金项目:北京市高校骨干教师资助项目(2007—2009).作者简介:衣袖帅(1982—),男,山东招远人,硕士研究生,研究方向为汽车电子;黄志刚(1966—),男,上海人,教授,博士,主要从事车辆工程、农产品加工及贮藏的研究.通讯作者. 随着计算机技术的普及和发展,利用软件进行辅助设计与分析已经成为产品设计的一项重要工作.但是这些软件通常彼此之间各自独立工作,缺乏整体协同交互,设计中存在的问题只有在物理样机上进行集成测试的时候才能被发现,这导致设计效率的下降,造成大量的人力物力浪费.基于多领域的建模与仿真的虚拟样机技术很好地解决了这个问题,为机械和控制系统进行联合分析提供了一种全新的设计方法.在传统的机电一体化研究设计过程中,机械工程师和控制工程师虽然在共同设计开发一个系统,但是他们各自都需要建立一个模型,然后分别采用不同的分析软件,对机械系统和控制系统进行独立的设计、调试和实验,最后进行机械系统和控制系统各自的物理样机联合调试,如果发现问题又要回到各自的模型中分别修改,然后再联合调试.而使用ADAMS (automatic dy 2namic analysis of mechanical system ,简称ADAMS )和MA TLAB 的联合仿真,各个专业的工程师在设计过程中可以共享一个产品虚拟样机,无需制作物理样机就能够随时对虚拟样机的整体特性进行反复的仿真测试,直到获得满意的设计结果[1].现以汽车防抱死制动系统为例,介绍ADAMS 与MA TLAB 联合仿真的方法.1 ADAMS 和MAT LAB 软件111 ADAMS 简介ADAMS 软件是美国MDI (Mechanical Dynam 2ics Inc.)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[2].ADAMS/Controls 是ADAMS 软件包中的一个集成可选模块.在ADAMS/Controls 中,设计师可以设计简单的控制机构,也可以利用通用控制系统软件(如MA TLAB ,EASY5)建立控制系统框图,建立包括控制系统、液压系统、气动系统和机械运动系统的仿真模型.112 MAT LAB 简介MA TLAB 是Mathworks 公司推出的一套高性能数值计算和可视化软件,在系统建模和仿真、科学和工程绘图及应用程序开发等方面有着广泛的应用.Simulink 是MA TLAB 最重要的软件包之一,它41具有面向框图的建模与仿真功能,可以很容易地构建动态系统的仿真模型,准确地进行仿真分析.Simulink 模块库的模块允许用户在一个GU I 框架下面对含有控制环节、机械环节和电子/电机环节的系统进行建模与仿真,这是目前其他计算机语言无法做到的[3].2 ADAMS 与MAT LAB 联合仿真设计步骤211 构造ADAMS 样机模型对于简单的集合模型可以利用ADAMS 软件直接建模.而对于比较复杂的模型,可以在各种三维建模软件,如Soliworks 、U G 等中进行,然后按照一定的格式导入到ADAMS 中,再给模型施加约束和作用力.在进行机械和控制系统联合仿真分析之前,应该先利用ADAMS 进行机械系统的仿真分析,确认机械系统建模正确无误,再向样机添加控制系统.212 确定ADAMS 的输入输出ADAMS 的输入输出是与MA TLAB 设计的控制系统进行数据通信的接口.ADAMS 中的输出变量是进入控制系统的输入变量;控制系统的输出变量是返回到ADAMS 的输入变量,从而完成了包括从ADAMS 和MA TLAB 的一个闭环控制,如图1.实际上,ADAMS 中的输入变量相当于要求的控制量,输出变量相当于虚拟传感器的测量量.图1 ADAMS/MA TLAB 的输入输出213 构建控制模型利用MA TLAB/Simulink 提供的模块库或者用户自行编写S 函数建立控制系统模型,设置各个模块的参数与所需要的测量量.同时,把ADAMS 环境中建立的虚拟样机系统模型模块导入到Simulink 中.214 联合仿真在Simulink 环境下设置仿真参数,其中仿真的步长必须跟ADAMS 环境中的步长一致,如果不一致仿真只能进行第一个补偿后就自动停止.然后对虚拟样机模型进行联合仿真,绘出仿真曲线,观察仿真结果.根据需要随时修改机械系统或者控制系统.直到整个虚拟样机达到要求为止.3 联合仿真在汽车制动系统中的应用防抱死制动系统(anti 2lock braking system ,简称ABS )的主要功能是在汽车制动过程中,自动调节车轮轮缸的制动压力,把车轮的滑移率控制在一定范围内,防止车轮抱死,提高汽车紧急制动的稳定性和方向可控性,缩短制动距离,延长轮胎的使用寿命[4].311 制动器模型及输入输出在ADAMS 的Template Builder 模型下导入制动器模型,制动器模型如图2.图2 制动器模型在Build/System Elements/State Variable/new中第一系统的状态变量,如图3.图3 系统的状态变量此控制系统一共定义了4个状态变量,分别如下:1)brake -abs1.left -front -brake -pressure -in 2put ;2)brake -abs1.left -rear -brake -pressure -in 2put ;3)brake -abs1.right -front -brake -pressure -in 2put ;51第27卷第5期 衣袖帅等:ADAMS 和MA TLAB 联合仿真技术应用4)brake -abs1.right -rear -brake -pressure -in 2put.这4个输入由控制模型输出,同时作为制动系统的输入,作为制动压力的变化系数.输出变量是系统的测量,分别如下:1)testrig.body -velocity -x ,输出样机模型在X 轴上速度;2)brake -abs1.left -front -wheel -omega ;3)brake -abs1.left -rear -wheel -omega ;4)brake -abs1.right -front -wheel -omega ;5)brake -abs1.right -rear -wheel -omega.2)～5)分别为样机模型的4个轮的轮速.以左前轮制动力矩为例:M =23VARVAL (left -front -brake -pressure -input )3pvs -front -piston -area 3varval (left -front -brake -line -pressure )3pvs -front -brake -mu 3pvs -front -effective -piston -radius 3STEP (VARVAL (left -front -wheel -omega ),-010175,1,010175,-1),(1)式(1)中,pvs -front -piston -area ———制动器摩擦衬块有效作用面积;left -front -brake -line -pressure ———左前轮缸制动压力;pvs -front -brake -mu ———制动器摩擦系数;pvs -front -effective -piston -radius ———制动器摩擦衬块有效作用半径.然后将ADAMS 转换到ADAMS/Car Standard Interface 模式下.首先要组装制动器子系统,然后将制动器子系统组装到整车模型中.整车模型如图4.图4 整车模型312 设置ADAMS 与MAT LAB 的接口从菜单Tools 选择Plugin Manager 命令,该对话框提供了几个模块供ADAMS/Car 加载.选取Controls 模块,单击Ok.此时在ADAMS/Car 中可以看见Controls 菜单,在Controls/Plant Export 中设置控制系统输入输出变量,如图5.图5 联合仿真接口313 联合仿真工况设置单击Simulated/Full 2Vehivle Analysis :Braking ,对整车模型的初始速度,仿真步长、制动踏板力以及时间迟滞进行设置.本文的仿真工况如图6.图6 仿真工况设置314 系统的联合仿真在MA TLAB 命令窗口中输入ADAMS/Con 2trols 生成的1M 文件的名字,这时命令窗将显示系统输入输出,然后在输入adams -sys 命令系统将显示整车模型.将此整车模型复制到一个新建的simulink 页面中进行控制系统的设计,整车ABS 控制系统的模型如图7.61北京工商大学学报(自然科学版) 2009年9月图7 整车控制模型315 联合仿真的结果图8为制动过程中速度变化曲线,图9为左前轮轮速变化曲线,图10为整车模型的制动距离.图8 车速仿真结果图9 左前轮角速度仿真结果图10 制动距离仿真结果 从图8～10的仿真数据显示,在制动过程中,制动效果明显,制动时间为211s ,制动距离为2315m ,制动过程车轮没有抱死,制动结果满足国家标准[5].4 结 论本文利用ADAMS 和MA TLAB 软件成功地对汽车ABS 控制系统进行了仿真分析.在仿真过程中不需要推导机械系统的复杂微分方程,直接用ADAMS 建立的虚拟模型进行分析,大大方便了建模过程.而且通过ADAMS 软件建立的虚拟模型能更好地接近实际物理模型,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] 熊光楞,郭斌,陈晓波,等.协同仿真与虚拟样机技术[M ].北京:清华大学出版社,2004:5215.[2] 李军,邢俊文,覃文浩,等.ADAMS 实例教程[M ].北京:北京理工大学出版社,2002:123.[3] 吴晓燕,张双选.MA TLAB 在自动控制中的应用[M ].西安:西安电子科技大学出版社,2006:45247.[4] 张云清,熊小阳,陈伟,等.基于车轮减速度及滑移率的ABS 联合仿真研究[J ].系统仿真学报,2008,20(8):2171-2176.[5] 中国汽车工业协会.G B13594—2003 机动车和挂车防抱制动性能和试验方法[S].(下转第21页)71第27卷第5期 衣袖帅等:ADAMS 和MA TLAB 联合仿真技术应用STU DY OF SCANNING METH OD AN D ITS T OLERANCEOF LINEAR ARRAY MICR OPH ONE BASED ON NAHL I Xiao2chen, FEN G Tao, TAN G Xiao2hua, L I Ze2chao(College of Mechanical Engi neeri ng,Beiji ng Technology and B usi ness U niversity,Beiji ng100048,Chi na)Abstract:In this paper,a study on planar near2field acoustical holography scan measurement method and how window function and K2space filter affect holography reconstruction is presented.Firstly, holography scan measurement on the acoustic source in three parallel planes is taken,then the acoustic pressure of the other two planes is holography reconstructed using the measured acoustic pressure of the middle plane,and finally the reconstructed and the measured results are compared,which shows that the acoustical holography scan measurement method is reliable and the holography reconstruction is correct.K ey w ords:near2field acoustical holography;window function;K2space filter(责任编辑:檀彩莲) (上接第17页)APPLICATION OF ADAMS AN D MAT LABCO2SIMU LATION TECHN OLOG YYI Xiu2shuai1, HUAN G Zhi2gang1, SUN Ming2tao2(1.College of Mechanical Engineering,Beijing T echnology and B usiness University,Beijing100048,China;2.Logistics and Asset Management,North China Electronic Power University,Beijing102206,China)Abstract:In view of ADAMS could not realize complex controls of mechanical system,the co2simula2 tion technology is present with ADAMS and MA TLAB.Through ABS control system of car as an ex2 ample,the connection between ADAMS and MA TLAB is studied to realize the co2simulation of the more complex electro2mechanical system.K ey w ords:ADAMS;MA TLAB;co2simulation;anti2lock braking system(责任编辑:檀彩莲)12第27卷第5期 李啸尘等:近场声全息线阵传声器“扫描”测量方法及其误差研究。
