基于三參量反饋控制策略道路模擬振動臺性能優化

張劭謙　譚峰　胡雨軒　卞春曉　杜寶秀　吳勇

摘 要：本論文主要是設計一個汽車整車道路模擬振動試驗臺，能夠在室內模擬汽車在實際道路上真實的隨機振動情況。重點對試驗臺的執行機構的機械結構，液壓系統進行設計，采用三參量反饋控制策略提高系統響應，有效拓寬系統的帶寬。基于MATLAB/Simulink軟件對液壓系統進行建模仿真，仿真結果表明：采用該控制策略能保證試驗平臺達到汽車整車道路試驗的技術指標要求，增大油柱共振頻率，拓寬系統有效帶寬。

關鍵詞：道路模擬；液壓伺服控制；三參量反饋；振動臺

1 引言

在當今汽車工業的快速發展下，各汽車廠商在建立、完善自身的設計、開發和測試機制，確保在保證質量前提下快速、高效研發新車型及汽車零部件。基于此，汽車整車道路試驗，由最初在實際道路上試驗發展為在試驗場或試驗室內進行。汽車道路模擬試驗一般由多通道的電液伺服振動臺和一套道路模擬控制系統組成。試驗系統通過輸入激勵信號控制振動臺，以汽車真實行駛時所采集的信號做為目標信號，振動臺的響應信號復現目標信號[1-2]。室內進行道路模擬試驗，可以節省大量的資源，且試驗周期短、可重復性高，已發展為應用最廣的汽車試驗方法[3]。

汽車道路模擬試驗的主要試驗設備包括測功機、四柱振動臺和六自由度振動臺[4]。本文設計了四柱振動臺，同時將位移、速度、加速度三狀態反饋控制策略應用于試驗系統中，從而提高了振動臺的精度，使振動臺達到汽車整車道路試驗的技術指標要求，能夠較好地模擬汽車行駛的實際工況。

2 汽車道路模擬振動臺的總體設計與工作原理

2.1 汽車道路模擬振動臺組成

汽車整車道路模擬振動臺主要由機械系統、液壓伺服控制系統、測控系統等組成。

機械系統主要由四個托盤、電液伺服作動器附件、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器上，用于實現輪胎的固定。鐵地板用于調整汽車的軸距和輪距。

液壓伺服控制系統由電液伺服作動器、伺服閥、伺服放大器、液壓源組成。電液伺服作動器由油缸、活塞桿、加速度傳感器和位移傳感器組成。伺服閥，是將微小電信號轉換為大功率液壓作動的核心部件。液壓源為振動臺提供動力[5-6]。

測控系統主要是由工控機和數據采集、輸出板卡構成的硬件系統及軟件系統組成，完成整個系統運行狀態監控和數字閉環控制。

2.2 汽車道路模擬振動臺工作原理

道路模擬振動控制器是整個試驗系統的核心，用于實現振動臺的閉環控制。控制器生成試驗系統的指令信號，通過伺服放大器轉換成驅動電液伺服閥的電流信號，通過控制伺服閥閥芯的運動方向和位移，最終實現作動器的運動。振動臺伺服控制系統的基本原理示意圖如圖1所示。

3 汽車道路模擬振動臺的液壓伺服系統設計

3.1 閥控缸、消擺平臺的傳遞函數

忽略壓縮流量，系統的流量方程：

qL=Kqxv-KcpL （1）

液壓缸流量連續方程為：

qL=AP （2）

忽略流體質量和摩擦，沒有彈性負載（K=0）的情況，系統的力平衡方程為：

（3）

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

式中：Kq為滑閥的流量增益，Kc為滑閥的流量壓力系數，pL為負載壓降，AP為液壓缸活塞有效面積，Xp為活塞位移，Ctp為液壓缸內泄漏系數，Vt為液壓缸兩腔總容積，βe為有效體積彈性模量，m為液壓缸活塞的質量，BP為活塞的黏性阻尼系數，FL為作用在活塞上的外負載力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

伺服放大器一般按照比例環節來處理，伺服閥通常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。此時傳遞函數可表示為：

=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 伺服系統設計

基于上述系統的各個環節，液壓伺服系統采用位置閉環反饋。其中A=2.83×10-3m2，Ksv=0.06m3/s·A，Ka=1.5A/V，ωh=249rad/s，ξh=0.10。根據參數，采用simulink繪制系統Bode圖，如圖2所示。

根據圖分析，只有位置反饋的閉環控制振動臺帶寬在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的技術指標要求。為擴展系統的帶寬，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臺帶寬，振動臺引入了三參量控制策略，反饋信號由加速度信號、速度信號和位移信號組成。其中位移信號和加速度信號直接由位移傳感器和加速度傳感器測得，速度信號由加速度、位移信號合成得到[7]。

系統閉環的傳遞函數為：

進一步變成期望傳遞函數：

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。根據參數，采用MATLAB/Simulink繪制系統Bode圖，如圖3。

由圖可見，采用三參量反饋后，振動臺帶寬拓寬到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的技術指標。說明三參量反饋控制策略起到了拓寬系統有效帶寬，改善系統性能的作用。

5 結束語

本文基于對四立柱振動臺液壓伺服控制系統的仿真分析，針對液壓伺服系統固有頻率低，阻尼比小的特點，提出在四立柱振動臺上采用三參量反饋的控制策略。經仿真分析，該策略起到了很好的效果，并且對實際中四立柱振動臺的改進和調試有一定實用價值。

參考文獻：

[1]陳棟華，靳曉雄，周鋐.汽車室內道路模擬試驗系統控制算法的研究[J].噪聲與振動控制，2006（01）：31-35.

[2]宮海彬，姚烈.室內臺架道路模擬試驗技術發展綜述[J].汽車工程學報，2018，8（01）：72-78.

[3]林先松.多軸振動臺架在道路載荷模擬試驗中的應用[J].機電技術，2018（01）：83-84+100.

[4]楊云，沈毅力，曹陽，李天石.道路模擬振動臺及其控制系統的研制[J].系統仿真學報，2004（05）：1044-1046.

[5]欒強利.液壓振動試驗控制系統關鍵技術研究[D].浙江大學，2015.

[6]王春行.液壓控制系統[M].北京：機械工業出版社，1999.

[7]紀金豹，李振寶，唐貞云，倪志偉.地震模擬振動臺反饋控制系統的速度合成方法[J].北京工業大學學報，2012，38（07）：1032-1035.