電液伺服式減振器測試平臺控制策略*

王存堂， 張 凱， 張 兵， 謝方偉， 宣 芮

(江蘇大學機械工程學院 鎮江，212013)

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電液伺服式減振器測試平臺控制策略*

王存堂， 張 凱， 張 兵， 謝方偉， 宣 芮

(江蘇大學機械工程學院 鎮江，212013)

針對國內汽車減振器行業生產、檢測和研究的迫切需求，為測試減振器在復雜多變的載荷譜作用下的響應性能，搭建了電液伺服式減振器測試平臺，研究了測試臺伺服控制策略。基于Matlab/Simulink軟件，建立測試系統的仿真模型，并對其進行仿真。采用三狀態控制策略提高系統響應和跟蹤精度。仿真結果和試驗結果對比表明，采用該控制策略能保證系統穩定性，提高系統帶寬，使測試平臺精確測試減振器阻尼力和加速度的衰減。

減振器； 液壓測試臺； 控制策略； Matlab/Simulink

引 言

減振器是汽車懸架系統的重要組成部分，其性能的優劣直接關系到汽車的平穩性、舒服性以及操縱穩定性[1-3]。近年來，由于汽車行業的快速發展，市場對減振器的需求量增大,性能要求提高，進一步促使我國對減振器測試平臺先進技術進行研究，加快了減振器及其試驗技術的國產化進程[4-5]。相對于傳統機械凸輪式減振器測試平臺，本研究的電液伺服式減振器測試平臺采用響應頻率快、控制精度高的電液伺服閥及低摩擦因數的伺服缸為試驗臺提供激振源，同時將位移、速度、加速度三狀態控制策略應用于測試系統中,從而提高了測試平臺的精度，使測試平臺達到汽車減振器測試的性能指標要求，能夠精確地測試減振器阻尼力以及加速度的衰減，較好地模擬減振器實際工況。

1 電液伺服式減振器測試平臺組成及原理

圖1 電液伺服式減振器測試平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of the electro-hydraulic servo test bench for shock absorber

電液伺服式減振器測試平臺的整體組成及原理如圖1所示，主要由液壓缸、伺服閥、位移傳感器、加速度傳感器、數據板卡、控制器、監控計算機、減振器和加載箱等組成。減振器上端與車身配重固聯，配重端自由運動用于模擬汽車車身運動狀態。減振器底端與液壓振動臺相連接，用于接收液壓振動臺的激勵振動。本控制系統是基于位移、速度和加速度反饋控制和前饋控制，將振動測試平臺系統的相關參數輸入控制器內，參數由控制器處理后又實時反饋輸入到測試系統，從而使整個振動測試平臺系統形成一個閉環的控制。在控制信號的作用下液壓缸可以實現任意波形的振動，從而實現精確模擬汽車減振器的振動狀態。圖1中加速度計2測量的信號為液壓缸激振臺的加速度信號；加速度計1測量的信號為車身加速度信號。通過控制液壓振動臺給定相應的振動加速度，對減振器進行激勵。測量車身配重的加速度可以判斷減振器衰減振動的能力大小，從而判斷減振器產品的優劣性。

2 液壓伺服系統數學模型

2.1 閥控缸傳遞函數

本系統采用的動力機構為對稱閥控制非對稱缸，圖2為其結構原理圖。

圖2 對稱閥控制非對稱缸原理圖Fig.2 Schematic diagram of symmetric valve controlled asymmetrical hydraulic cylinder

根據滑閥流量方程、液壓缸連續性方程和負載平衡方程進行拉氏變換[6]可得

A1pL=ms2y+Bcsy+Ky+FL

(1)

(2)

(3)

根據上述各式可以得到閥控非對稱缸的方塊圖，如圖3所示。

圖3 閥控非對稱缸方塊圖Fig.3 Block diagram of symmetric valve controlled asymmetrical hydraulic cylinder

由圖3可得到輸出量為y的動態特性方程為

(4)

(8)

其中：ωh為液壓動力機構的固有頻率；ζh為液壓動力機構的無量綱阻尼比；Y為液壓缸活塞的位移；Q為伺服閥的空載流量。

2.2 伺服放大器

伺服放大器一般按照比例環節來處理，有如下關系[7]

I=KaU

(9)

其中：U為控制電壓；I為電液伺服閥的控制電流；Ka為伺服放大器的增益。

2.3 伺服閥

一般電液伺服控制系統在動態分析時，伺服閥的傳遞函數WV可用二階環節[8]表示

(10)

其中：Kq為伺服閥的流量增益；Q為伺服閥的空載流量；ωV為伺服閥的固有頻率；ζV為伺服閥的無量綱阻尼比。

2.4 系統方塊圖

由上述系統的各個模塊可以繪制系統方框圖，見圖4。系統總的增益為Kv=KaKq/A1=22.5Ka，其中:A1為2.46×10-3m2，Ka為1.5 A/V。

圖4 控制系統方框圖Fig.4 Block diagram of the control system

根據上述參數，采用Matlab繪制系統比例控制條件下的Bode圖,如圖5所示。

圖5 比例閉環仿真Bode圖Fig.5 Bode diagram of proportional closed loop simulation

由圖5可見，系統在比例控制情況下帶寬只有8 Hz左右，低于QC/T545-1999《轎車筒式減振器臺架試驗方法》[9]標準涉及的耐久性試驗條件及最大振動頻率不低于12 Hz的要求,同時也低于振動測試平臺要達到的汽車振動頻率范圍0～20 Hz。

3 測試系統控制策略

為了達到《轎車筒式減振器臺架試驗方法》標準所要求的激振試驗頻率和模擬汽車減振器的真實工況，必須改善系統的性能，進行校正。常用的校正有速度和加速度反饋校正、滯后校正和動壓反饋校正等[10]。本試驗平臺采用位移、速度和加速度反饋校正來提高激振系統的性能指標。

由于伺服閥頻寬比動力元件的固有頻率大很多，現假設其等價為比例環節[11]。反饋系統的方塊圖如圖6所示。

圖6 加速度和速度反饋方塊圖Fig.6 Block diagram of acceleration and velocity feedback control system

設系統經過三狀態反饋調節后，系統的期望閉環函數為

(11)

其中:ωnc=ωh=197 rad/s； ζnc=0.7； ωr=255 rad/s。

三狀態反饋調節后使得系統傳遞函數與期望傳遞函數的特征方程相同，令Kv=KaKq/A1=33.75，經過推導可得

(12)

其中：Kdf,Kvf,Kaf分別為反饋調節中位移反饋放大系數、速度反饋放大系數和加速度反饋放大系數。

將參數代入式(12)可得到三反饋放大系數值分別為Kdf=8.261 3,Kvf=0.058 5,Kaf=3.936 3×10-4。

圖7 三狀態反饋調節時加速度幅頻特性仿真Bode圖Fig.7 Bode diagram of the acceleration magnitude frequency characteristics by feedback control

在加入三狀態反饋的基礎上，采用Matlab繪制系統的Bode圖，如圖7所示。由圖7可見，加入三狀態反饋調節后系統帶寬調節至25 Hz。為了進一步提升系統的性能，提高測試平臺的激振頻率，使測試平臺擁有更大的工作范圍，需要加入前饋控制策略[12]。

前饋控制策略的方法是在三狀態反饋調節后的系統中串入二階微分環節B(s)，為了消除閉環傳遞函數中靠近虛軸的極點，提高系統穩定性，達到擴展系統帶寬的目的。

設B(s)為二階微分環節

(13)

其中：Kdr,Kvr,Kar分別為前饋調節中的參考位移放大系數、參考速度放大系數和參考加速度放大系數。

為保證系統增益不變，取Kdr=Kdf，有

(14)

將參數代入式(14)可得到前饋參考放大系數值分別為Kdr=8.261 3,Kvr=0.058 7,Kar=2.128 7×10-4。

在加入前饋控制的基礎上，采用Matlab繪制系統的Bode圖，如圖8所示。由圖8可見，加入前饋控制策略后系統帶寬可擴展到40 Hz。說明通過加入前饋控制策略和三狀態反饋控制策略，能夠改善系統性能，提高激振系統的帶寬。

圖8 前饋控制策略與三狀態反饋時的加速度幅頻特性仿真伯德圖Fig.8 Bode diagram of the acceleration magnitude frequency characteristics by feedback and feed-forward control

4 試 驗

基于快速控制原型技術，實現電液伺服式減振器測試平臺的實時控制[13],研究三狀態反饋和前饋控制策略對系統帶寬和穩定性的改善效果。把峰值為1.5g、頻帶為1～50 Hz的隨機信號輸入本測試控制系統，采用三狀態控制器調整該電液伺服式減振器測試平臺的頻率特性，研究其加速度的響應特性。調試時，參考信號發生器的參數和位移、速度、加速度反饋及前饋放大系數見表1。

表1 參考信號發生器和三狀態控制器的控制參數

圖9 系統加速度幅頻特性Fig.9 The acceleration magnitude frequency characteristics of controlled system

當位移、速度、加速度反饋和前饋放大系數值為表1中的調試值時，加速度的響應特性如圖9所示。由圖9可知，加入前饋與三狀態反饋控制策略后對系統加速度頻率特性改善很大，加速度帶寬拓寬到35 Hz，滿足了試驗所需的激振頻率。同時，圖示頻率特性在測試頻段內接近并穩定在0 dB線左右，保證了系統振動控制的跟隨精度要求。

5 結束語

筆者搭建了電液伺服式減震器測試平臺，建立了減振器測試平臺伺服控制系統的數學模型，并針對液壓動力元件阻尼小、固有頻率低等特點，引入了三狀態反饋控制策略和前饋控制策略來提高系統帶寬和跟蹤精度。運用Matlab軟件對模型進行了仿真分析，并通過試驗進行驗證。試驗研究表明，應用三狀態反饋控制策略和前饋控制策略，可以很大地提高測試系統帶寬和跟蹤精度，拓展了測試平臺的工作范圍,從而使電液伺服式減振器測試平臺達到汽車減振器測試指標要求的振動頻率,并能較好地模擬減振器的實際工況,為精確測試減振器阻尼力和加速度的衰減提供了必備的條件。通過試驗驗證了減振器測試平臺控制系統模型理論分析的正確性以及控制策略的可行性，對于減振器液壓測試平臺的搭建及調試具有一定的實際意義。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.06.017

*江蘇省工業支撐重點資助項目(BE2013009-3)；科技型中小企業技術創新基金資助項目(13C26213202029)；鎮江市工業科技支撐資助項目(SGY20130037);江蘇省博士后科學基金資助項目(1402093C)；江蘇大學高級人才科研啟動基金資助項目

2015-02-09；

2015-05-24

U463.33

王存堂,男，1957年9月生，教授、博士生導師。主要研究方向為液壓技術、汽車減振及風力發電。曾發表《液壓儲能新型風力發電系統穩定性分析》(《液壓與氣動》 2014年第6期)等論文。E-mail:wcuntang@sohu.com