基于三參量反饋控制策略道路模擬振動(dòng)臺(tái)性能優(yōu)化

張劭謙　譚峰　胡雨軒　卞春曉　杜寶秀　吳勇

摘 要：本論文主要是設(shè)計(jì)一個(gè)汽車整車道路模擬振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，能夠在室內(nèi)模擬汽車在實(shí)際道路上真實(shí)的隨機(jī)振動(dòng)情況。重點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用三參量反饋控制策略提高系統(tǒng)響應(yīng)，有效拓寬系統(tǒng)的帶寬?；贛ATLAB/Simulink軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，仿真結(jié)果表明：采用該控制策略能保證試驗(yàn)平臺(tái)達(dá)到汽車整車道路試驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)要求，增大油柱共振頻率，拓寬系統(tǒng)有效帶寬。

關(guān)鍵詞：道路模擬；液壓伺服控制；三參量反饋；振動(dòng)臺(tái)

1 引言

在當(dāng)今汽車工業(yè)的快速發(fā)展下，各汽車廠商在建立、完善自身的設(shè)計(jì)、開發(fā)和測(cè)試機(jī)制，確保在保證質(zhì)量前提下快速、高效研發(fā)新車型及汽車零部件?；诖耍囌嚨缆吩囼?yàn)，由最初在實(shí)際道路上試驗(yàn)發(fā)展為在試驗(yàn)場(chǎng)或試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。汽車道路模擬試驗(yàn)一般由多通道的電液伺服振動(dòng)臺(tái)和一套道路模擬控制系統(tǒng)組成。試驗(yàn)系統(tǒng)通過輸入激勵(lì)信號(hào)控制振動(dòng)臺(tái)，以汽車真實(shí)行駛時(shí)所采集的信號(hào)做為目標(biāo)信號(hào)，振動(dòng)臺(tái)的響應(yīng)信號(hào)復(fù)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)[1-2]。室內(nèi)進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)，可以節(jié)省大量的資源，且試驗(yàn)周期短、可重復(fù)性高，已發(fā)展為應(yīng)用最廣的汽車試驗(yàn)方法[3]。

汽車道路模擬試驗(yàn)的主要試驗(yàn)設(shè)備包括測(cè)功機(jī)、四柱振動(dòng)臺(tái)和六自由度振動(dòng)臺(tái)[4]。本文設(shè)計(jì)了四柱振動(dòng)臺(tái)，同時(shí)將位移、速度、加速度三狀態(tài)反饋控制策略應(yīng)用于試驗(yàn)系統(tǒng)中，從而提高了振動(dòng)臺(tái)的精度，使振動(dòng)臺(tái)達(dá)到汽車整車道路試驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)要求，能夠較好地模擬汽車行駛的實(shí)際工況。

2 汽車道路模擬振動(dòng)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)與工作原理

2.1 汽車道路模擬振動(dòng)臺(tái)組成

汽車整車道路模擬振動(dòng)臺(tái)主要由機(jī)械系統(tǒng)、液壓伺服控制系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)等組成。

機(jī)械系統(tǒng)主要由四個(gè)托盤、電液伺服作動(dòng)器附件、底座（鐵地板）等組成。托盤用于支撐輪胎，通過法蘭安裝在伺服作動(dòng)器上，用于實(shí)現(xiàn)輪胎的固定。鐵地板用于調(diào)整汽車的軸距和輪距。

液壓伺服控制系統(tǒng)由電液伺服作動(dòng)器、伺服閥、伺服放大器、液壓源組成。電液伺服作動(dòng)器由油缸、活塞桿、加速度傳感器和位移傳感器組成。伺服閥，是將微小電信號(hào)轉(zhuǎn)換為大功率液壓作動(dòng)的核心部件。液壓源為振動(dòng)臺(tái)提供動(dòng)力[5-6]。

測(cè)控系統(tǒng)主要是由工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集、輸出板卡構(gòu)成的硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成，完成整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)字閉環(huán)控制。

2.2 汽車道路模擬振動(dòng)臺(tái)工作原理

道路模擬振動(dòng)控制器是整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的核心，用于實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)的閉環(huán)控制?？刂破魃稍囼?yàn)系統(tǒng)的指令信號(hào)，通過伺服放大器轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)電液伺服閥的電流信號(hào)，通過控制伺服閥閥芯的運(yùn)動(dòng)方向和位移，最終實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的基本原理示意圖如圖1所示。

3 汽車道路模擬振動(dòng)臺(tái)的液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 閥控缸、消擺平臺(tái)的傳遞函數(shù)

忽略壓縮流量，系統(tǒng)的流量方程：

qL=Kqxv-KcpL （1）

液壓缸流量連續(xù)方程為：

qL=AP （2）

忽略流體質(zhì)量和摩擦，沒有彈性負(fù)載（K=0）的情況，系統(tǒng)的力平衡方程為：

（3）

在K=0，≤1，且伺服閥以空載流量Q=KqVv作輸出參考時(shí)，液壓缸的輸出位移與閥流量傳遞遞函數(shù)：

式中：Kq為滑閥的流量增益，Kc為滑閥的流量壓力系數(shù)，pL為負(fù)載壓降，AP為液壓缸活塞有效面積，Xp為活塞位移，Ctp為液壓缸內(nèi)泄漏系數(shù)，Vt為液壓缸兩腔總?cè)莘e，βe為有效體積彈性模量，m為液壓缸活塞的質(zhì)量，BP為活塞的黏性阻尼系數(shù)，F(xiàn)L為作用在活塞上的外負(fù)載力ωh—液壓固有頻率，ωh=，ξh—液壓阻尼比，ξh=

3.2 伺服放大器和伺服閥傳遞函數(shù)

伺服放大器一般按照比例環(huán)節(jié)來處理，伺服閥通常頻寬比動(dòng)力元件的固有頻率大很多，現(xiàn)假設(shè)其等價(jià)為比例環(huán)節(jié)。此時(shí)傳遞函數(shù)可表示為：

=KaKsv

式中：U為控制電壓；Ka為伺服放大器的增益；Ksv為伺服閥的增益。

3.3 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于上述系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，液壓伺服系統(tǒng)采用位置閉環(huán)反饋。其中A=2.83×10-3m2，Ksv=0.06m3/s·A，Ka=1.5A/V，ωh=249rad/s，ξh=0.10。根據(jù)參數(shù)，采用simulink繪制系統(tǒng)Bode圖，如圖2所示。

根據(jù)圖分析，只有位置反饋的閉環(huán)控制振動(dòng)臺(tái)帶寬在5.3Hz左右，并且油柱共振峰值過大，不滿足汽車整車道路試驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)要求。為擴(kuò)展系統(tǒng)的帶寬，削低油柱共振峰值，在反饋回路中引入多變量反饋。

4 三參量反饋控制策略

為了拓寬道路模擬振動(dòng)臺(tái)帶寬，振動(dòng)臺(tái)引入了三參量控制策略，反饋信號(hào)由加速度信號(hào)、速度信號(hào)和位移信號(hào)組成。其中位移信號(hào)和加速度信號(hào)直接由位移傳感器和加速度傳感器測(cè)得，速度信號(hào)由加速度、位移信號(hào)合成得到[7]。

系統(tǒng)閉環(huán)的傳遞函數(shù)為：

進(jìn)一步變成期望傳遞函數(shù)：

其中，Kdf位移反饋增益，；Kvf速度反饋增益，

Kaf加速度反饋增益，

已知：ωb=377rad/s，ω=317rad/s，ξ=0.7，得：Kdf=5，Kvf=0.02，Kaf=0.2×10-3。根據(jù)參數(shù)，采用MATLAB/Simulink繪制系統(tǒng)Bode圖，如圖3。

由圖可見，采用三參量反饋后，振動(dòng)臺(tái)帶寬拓寬到30.4Hz左右，并且有效削低油柱共振峰值，從而滿足汽車整車道路試驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)。說明三參量反饋控制策略起到了拓寬系統(tǒng)有效帶寬，改善系統(tǒng)性能的作用。

5 結(jié)束語

本文基于對(duì)四立柱振動(dòng)臺(tái)液壓伺服控制系統(tǒng)的仿真分析，針對(duì)液壓伺服系統(tǒng)固有頻率低，阻尼比小的特點(diǎn)，提出在四立柱振動(dòng)臺(tái)上采用三參量反饋的控制策略。經(jīng)仿真分析，該策略起到了很好的效果，并且對(duì)實(shí)際中四立柱振動(dòng)臺(tái)的改進(jìn)和調(diào)試有一定實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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