油氣彈簧試驗臺測控系統設計與仿真

李輝 　魯力群 　董萬玉 　楊尊磊 　倪慧亭

摘 要：油氣彈簧試驗臺是測試油氣彈簧性能的必要設備，傳統的機械式試驗臺輸出信號誤差大，難以滿足試驗需求，因此需要設計一套性能良好、精準度高的試驗臺來對油氣彈簧進行試驗。本文分析了電液伺服試驗臺的基本組成，并對控制系統進行了設計與仿真，通過利用Amesim和Simulink聯合仿真的方法對測控系統進行研究，建立電液伺服系統的數學模型。采用模糊PID控制對系統的動態特性進行控制，并與常規PID的控制方法進行對比。結果表明，模糊PID控制方法快速平穩，其達到穩態的時間為常規PID的40%，并且系統具有較好的魯棒性和抗干擾能力。

關鍵詞：電液伺服 油氣彈簧 試驗臺 模糊PID控制 Simulink;Amesim

1 引言

懸架是工程車輛的重要組成部件，它影響著整車的操作穩定性和平順性。普通懸架對非平坦的路面適應性差，行駛速度較低且不能調整車身高度[1]。油氣彈簧以氣體作為彈性介質，以液體作為傳力介質，具有良好的緩沖、減振作用，同時還可調節車架的高度，因此在工程車輛中應用廣泛。

為了測試油氣彈簧的性能與可靠性，需要通過試驗臺對油氣彈簧進行試驗。試驗臺的加載方式是一項重要的環節。傳統的機械式試驗臺精度低，誤差大，無法獲得精準的試驗數據，此類試驗臺已被逐漸淘汰[2]。基于電液伺服控制的試驗臺功能齊全、精度高、響應速度快。該系統由計算機控制信號的采集和數據處理，其可視化程度高，因此十分適合油氣彈簧的試驗研究。

本文設計了一種基于電液伺服控制的油氣彈簧試驗臺和測控系統，繪制了試驗臺的結構圖，并且利用Amesim和Simulink對測控系統進行了聯合仿真，使得系統能夠較為準確地輸出預期曲線，驗證了測控系統的功能和精度。

2 試驗臺組成和測控系統試驗方案

2.1 試驗臺組成

1.底座 2.下橫梁 3.立柱 4.滑塊組件1 5.滑塊組件2 6.上橫梁 7.力傳感 8.液壓鎖緊器 9.油氣彈簧 10.電液頂升缸 11.伺服激振機構

試驗臺的組成部分如圖1所示，該試驗臺主要由底座、立柱、橫梁組成的。整個臺面由兩根立柱作為支撐。其中，伺服激振機構在試驗臺的最下方，其活塞桿可以穿過臺面，激振機構通過夾具與油氣彈簧相連。試驗臺通過控制電液頂升缸的升起或下降來對不同規格的油氣彈簧所需要的運動空間進行調整。在對油氣彈簧進行測試時，液壓鎖緊器保持鎖緊狀態，上下滑塊連接固定。伺服激振機構直接為油氣彈簧提供激振力。此外，該系統還能夠模擬汽車實際運行工況。通過滑塊組件2的上方用于放置配重塊，用來模擬汽車質量，在滑塊組件1下方放置汽車輪胎，在滑塊1和滑塊2之間放置油氣彈簧，來模擬汽車實際運行工況。

2.2 試驗方案

試驗臺的主要功能是對油氣彈簧的阻尼特性和剛度特性進行測試，從而對油氣彈簧的性能進行評估。因此，試驗臺需要提供測試所需要的各種激振波形，包括方波、簡諧波、隨機路面譜等波形。試驗臺測控系統的工作原理如圖2所示，系統接收輸入信號，通過伺服控制器來控制伺服閥輸出相對應的位移，從而產生激振，從而帶動油氣彈簧產生運動。為了使得實際輸出信號更加接近輸入信號，在試驗臺中安裝了位移傳感器，當試驗臺產生激振時，傳感器檢測臺面的位移，系統計算出偏差并反饋于輸入端，之后進行計算調整，直至輸出信號與輸入信號相吻合，從而使得系統能夠準確地輸出預期信號。

3 模糊自適應PID控制器

常規的PID控制器應用廣泛，其優點是算法較為簡單，可靠性較好。但是傳統的PID算法使用相對受限，系統所設置的一組PID參數只能應用于某一種特定工況，而電液伺服系統參數不固定，所以傳統的PID控制并不適用于此。為了使系統具有更好的自適應性，筆者采用了模糊自適應PID算法。模糊自適應PID算法主要由模糊控制器和PID控制器組成，模糊控制器以誤差e和誤差變化率ec為輸入，利用模糊規則對PID控制器的參數，和進行自適應整定，使被控對象保持穩定狀態。相較傳統的PID控制，模糊自適應PID控制超調量小、反應快，并且更加的靈活穩定，特別是對于時變性和非線性較大的被控對象，其優點更加突出[3-4]。

模糊自適應PID算法的原理公式如下：

（1）

式中，、、是PID參數的調整值，、、是設定的初始值，、、是經過調整后得到的數值。將該系統變量設置為兩輸入、三輸出[5-6]。輸入為系統誤差e和誤差變化率ec，輸出為、、。這五個變量選擇7個模糊語言值，分別是NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。其中e和ec的論域分別為{-6，-4，-2，0，2，4，6}和{-3，-2，-1，0，1，2，3}，輸出變量，，的模糊集合為{-6，-4，-2，0，2，4，6}。

的模糊規則表如表1所示：

的模糊規則表如表2所示：

的模糊規則表如表3所示：

4 聯合仿真的實現

MATLAB/Simulink是一款功能強大的仿真集成軟件，但是在處理液壓系統時簡化了許多方面，因此對液壓系統的建模并不夠準確。Amesim是基于物理模型建模的軟件，它了提供大量專業的庫文件，因此在液壓系統方面應用廣泛。Amesim提供了豐富接口，可與其他軟件連接實現聯合仿真[7]。所以將Matlab和Amesim相結合，通過Amesim建立液壓系統，通過Matlab建立控制模塊，從而實現更準確的仿真結果。

4.1 Amesim的建模

根據本文所設計的系統搭建相對應的Amesim物理模型，并且將計算好的系統參數輸入到該系統，如表4所示。圖3為電液伺服試驗臺的Amesim仿真模型。

4.2 MATLAB中建模

在Matlab/Simulink中所建立的模型如圖4所示。

5 仿真結果與分析

本系統的輸入信號為50mm的階躍信號。分別進行PID和模糊PID算法進行控制。其中為14，為0.1，為0.5，仿真時間是3s，步長為0.01s。仿真結果如圖5所示：

從圖5可以看出，在使用常規的PID算法的控制下，活塞桿的位移是逐步上升的，但是上升過程較為緩慢，大約過了1.5s之后才能夠達到穩定狀態。而模糊PID控制的效果較好，活塞桿的上升時間大大縮減，約經過0.6s系統就趨于穩定，因此模糊PID控制的效果明顯優于傳統PID控制。

在實際運行工況中往往存在各種擾動，因此在0.2s給系統加入擾動信號，從而判斷系統的抗擾動性能，其響應圖如下：

在系統加入擾動后，通過PID控制的系統其上升時間變成了2s左右，而模糊PID系統的上升時間為0.9s左右，因此在加入擾動后，使用模糊PID控制器的系統比常規PID控制系統恢復到穩態的時間更短，系統更加穩定，抗干擾能力強。

6 結論

（1）通過使用Matlab/Simulink和Amesim聯合仿真的形式，使得系統的物理模型更加符合實際情況，避免了在使用Simulink時出現的物理模型因簡化而導致的不準確的情況。

（2）模糊PID控制比常規PID控制的效果更好，其上升時間是常規PID控制上升時間的40%，穩態精準度高。此外，模糊PID控制的抗干擾能力比常規PID控制強，在外界產生干擾的情況下，能夠能快的達到穩態，有很好的魯棒性。

參考文獻：

[1]Barak， P. . （1989）. Design and evaluation of an adjustable automobile suspension.，1.

[2]喬道云. 汽車油壓減振器性能試驗臺的仿真與研究[D].長春理工大學，2013.

[3]付甜甜，朱玉川，顧亞軍.基于MATLAB-AMESim的電液伺服系統模糊PID控制[J].機床與液壓，2016，44（20）：144-146+154.

[4]Lee S Y ， Cho H S . A fuzzy controller for an electro-hydraulic fin actuator using phase plane method[J]. Control Engineering Practice， 2003， 11（6）：697-708.

[5]Lee Y H ， Kopp R . Application of fuzzy control for a hydraulic forging machine[J]. Fuzzy Sets & Systems， 2001，118（1）：99-108.

[6]Barai R K ， Nonami K . Optimal two-degree-of-freedom fuzzy control for locomotion control of a hydraulically actuated hexapod robot[J]. Information Sciences， 2007，177（8）：1892-1915.

[7]梁全，謝基晨，聶利衛.液壓系統Amesim計算機仿真進階教程[M].北京;機械工業出版社，2016.