基于三参量反馈控制策略道路模拟振动台性能优化

张劭谦　谭峰　胡雨轩　卞春晓　杜宝秀　吴勇

摘 要：本论文主要是设计一个汽车整车道路模拟振动试验台，能够在室内模拟汽车在实际道路上真实的随机振动情况。重点对试验台的执行机构的机械结构，液压系统进行设计，采用三参量反馈控制策略提高系统响应，有效拓宽系统的带宽。基于MATLAB/Simulink软件对液压系统进行建模仿真，仿真结果表明：采用该控制策略能保证试验平台达到汽车整车道路试验的技术指标要求，增大油柱共振频率，拓宽系统有效带宽。

关键词：道路模拟；液压伺服控制；三参量反馈；振动台

1 引言

在当今汽车工业的快速发展下，各汽车厂商在建立、完善自身的设计、开发和测试机制，确保在保证质量前提下快速、高效研发新车型及汽车零部件。基于此，汽车整车道路试验，由最初在实际道路上试验发展为在试验场或试验室内进行。汽车道路模拟试验一般由多通道的电液伺服振动台和一套道路模拟控制系统组成。试验系统通过输入激励信号控制振动台，以汽车真实行驶时所采集的信号做为目标信号，振动台的响应信号复现目标信号[1-2]。室内进行道路模拟试验，可以节省大量的资源，且试验周期短、可重复性高，已发展为应用最广的汽车试验方法[3]。

汽车道路模拟试验的主要试验设备包括测功机、四柱振动台和六自由度振动台[4]。本文设计了四柱振动台，同时将位移、速度、加速度三状态反馈控制策略应用于试验系统中，从而提高了振动台的精度，使振动台达到汽车整车道路试验的技术指标要求，能够较好地模拟汽车行驶的实际工况。

2 汽车道路模拟振动台的总体设计与工作原理

2.1 汽车道路模拟振动台组成

汽车整车道路模拟振动台主要由机械系统、液压伺服控制系统、测控系统等组成。

机械系统主要由四个托盘、电液伺服作动器附件、底座（铁地板）等组成。托盘用于支撑轮胎，通过法兰安装在伺服作动器上，用于实现轮胎的固定。铁地板用于调整汽车的轴距和轮距。

液压伺服控制系统由电液伺服作动器、伺服阀、伺服放大器、液压源组成。电液伺服作动器由油缸、活塞杆、加速度传感器和位移传感器组成。伺服阀，是将微小电信号转换为大功率液压作动的核心部件。液压源为振动台提供动力[5-6]。

测控系统主要是由工控机和数据采集、输出板卡构成的硬件系统及软件系统组成，完成整个系统运行状态监控和数字闭环控制。

2.2 汽车道路模拟振动台工作原理

道路模拟振动控制器是整个试验系统的核心，用于实现振动台的闭环控制。控制器生成试验系统的指令信号，通过伺服放大器转换成驱动电液伺服阀的电流信号，通过控制伺服阀阀芯的运动方向和位移，最终实现作动器的运动。振动台伺服控制系统的基本原理示意图如图1所示。

3 汽车道路模拟振动台的液压伺服系统设计

3.1 阀控缸、消摆平台的传递函数

忽略压缩流量，系统的流量方程：

qL=Kqxv-KcpL （1）

液压缸流量连续方程为：

qL=AP （2）

忽略流体质量和摩擦，没有弹性负载（K=0）的情况，系统的力平衡方程为：

（3）

在K=0，≤1，且伺服阀以空载流量Q=KqVv作输出参考时，液压缸的输出位移与阀流量传递递函数：

式中：Kq为滑阀的流量增益，Kc为滑阀的流量压力系数，pL为负载压降，AP为液压缸活塞有效面积，Xp为活塞位移，Ctp为液压缸内泄漏系数，Vt为液压缸两腔总容积，βe为有效体积弹性模量，m为液压缸活塞的质量，BP为活塞的黏性阻尼系数，FL为作用在活塞上的外负载力ωh—液压固有频率，ωh=，ξh—液压阻尼比，ξh=

3.2 伺服放大器和伺服阀传递函数

伺服放大器一般按照比例环节来处理，伺服阀通常频宽比动力元件的固有频率大很多，现假设其等价为比例环节。此时传递函数可表示为：

=KaKsv

式中：U为控制电压；Ka为伺服放大器的增益；Ksv为伺服阀的增益。

3.3 伺服系统设计

基于上述系统的各个环节，液压伺服系统采用位置闭环反馈。其中A=2.83×10-3m2，Ksv=0.06m3/s·A，Ka=1.5A/V，ωh=249rad/s，ξh=0.10。根据参数，采用simulink绘制系统Bode图，如图2所示。

根据图分析，只有位置反馈的闭环控制振动台带宽在5.3Hz左右，并且油柱共振峰值过大，不满足汽车整车道路试验的技术指标要求。为扩展系统的带宽，削低油柱共振峰值，在反馈回路中引入多变量反馈。

4 三参量反馈控制策略

为了拓宽道路模拟振动台带宽，振动台引入了三参量控制策略，反馈信号由加速度信号、速度信号和位移信号组成。其中位移信号和加速度信号直接由位移传感器和加速度传感器测得，速度信号由加速度、位移信号合成得到[7]。

系统闭环的传递函数为：

进一步变成期望传递函数：

其中，Kdf位移反馈增益，；Kvf速度反馈增益，

Kaf加速度反馈增益，

已知：ωb=377rad/s，ω=317rad/s，ξ=0.7，得：Kdf=5，Kvf=0.02，Kaf=0.2×10-3。根据参数，采用MATLAB/Simulink绘制系统Bode图，如图3。

由图可见，采用三参量反馈后，振动台带宽拓宽到30.4Hz左右，并且有效削低油柱共振峰值，从而满足汽车整车道路试验的技术指标。说明三参量反馈控制策略起到了拓宽系统有效带宽，改善系统性能的作用。

5 结束语

本文基于对四立柱振动台液压伺服控制系统的仿真分析，针对液压伺服系统固有频率低，阻尼比小的特点，提出在四立柱振动台上采用三参量反馈的控制策略。经仿真分析，该策略起到了很好的效果，并且对实际中四立柱振动台的改进和調试有一定实用价值。

参考文献：

[1]陈栋华，靳晓雄，周鋐.汽车室内道路模拟试验系统控制算法的研究[J].噪声与振动控制，2006（01）：31-35.

[2]宫海彬，姚烈.室内台架道路模拟试验技术发展综述[J].汽车工程学报，2018，8（01）：72-78.

[3]林先松.多轴振动台架在道路载荷模拟试验中的应用[J].机电技术，2018（01）：83-84+100.

[4]杨云，沈毅力，曹阳，李天石.道路模拟振动台及其控制系统的研制[J].系统仿真学报，2004（05）：1044-1046.

[5]栾强利.液压振动试验控制系统关键技术研究[D].浙江大学，2015.

[6]王春行.液压控制系统[M].北京：机械工业出版社，1999.

[7]纪金豹，李振宝，唐贞云，倪志伟.地震模拟振动台反馈控制系统的速度合成方法[J].北京工业大学学报，2012，38（07）：1032-1035.