王存堂， 張 凱， 張 兵， 謝方偉， 宣 芮

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 鎮(zhèn)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院 鎮(zhèn)江，212013)

針對國內(nèi)汽車減振器行業(yè)生產(chǎn)、檢測和研究的迫切需求，為測試減振器在復(fù)雜多變的載荷譜作用下的響應(yīng)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?；贛atlab/Simulink軟件，建立測試系統(tǒng)的仿真模型，并對其進(jìn)行仿真。采用三狀態(tài)控制策略提高系統(tǒng)響應(yīng)和跟蹤精度。仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比表明，采用該控制策略能保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)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(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到汽車的平穩(wěn)性、舒服性以及操縱穩(wěn)定性[1-3]。近年來，由于汽車行業(yè)的快速發(fā)展，市場對減振器的需求量增大,性能要求提高，進(jìn)一步促使我國對減振器測試平臺先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究，加快了減振器及其試驗(yàn)技術(shù)的國產(chǎn)化進(jìn)程[4-5]。相對于傳統(tǒng)機(jī)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(yīng)頻率快、控制精度高的電液伺服閥及低摩擦因數(shù)的伺服缸為試驗(yàn)臺提供激振源，同時(shí)將位移、速度、加速度三狀態(tài)控制策略應(yīng)用于測試系統(tǒng)中,從而提高了測試平臺的精度，使測試平臺達(dá)到汽車減振器測試的性能指標(biāo)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(shí)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(shù)據(jù)板卡、控制器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、減振器和加載箱等組成。減振器上端與車身配重固聯(lián)，配重端自由運(yùn)動用于模擬汽車車身運(yùn)動狀態(tài)。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(tǒng)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(tǒng)的相關(guān)參數(shù)輸入控制器內(nèi)，參數(shù)由控制器處理后又實(shí)時(shí)反饋輸入到測試系統(tǒng)，從而使整個(gè)振動測試平臺系統(tǒng)形成一個(gè)閉環(huán)的控制。在控制信號的作用下液壓缸可以實(shí)現(xiàn)任意波形的振動，從而實(shí)現(xiàn)精確模擬汽車減振器的振動狀態(tài)。圖1中加速度計(jì)2測量的信號為液壓缸激振臺的加速度信號；加速度計(jì)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(yīng)的振動加速度，對減振器進(jìn)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(chǎn)品的優(yōu)劣性。

2 液壓伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 閥控缸傳遞函數(shù)

本系統(tǒng)采用的動力機(jī)構(gòu)為對稱閥控制非對稱缸，圖2為其結(jié)構(gòu)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(jù)滑閥流量方程、液壓缸連續(xù)性方程和負(fù)載平衡方程進(jìn)行拉氏變換[6]可得

A1pL=ms2y+Bcsy+Ky+FL

(1)

(2)

(3)

根據(jù)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(tài)特性方程為

(4)

(8)

其中：ωh為液壓動力機(jī)構(gòu)的固有頻率；ζh為液壓動力機(jī)構(gòu)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(huán)節(jié)來處理，有如下關(guān)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(tǒng)在動態(tài)分析時(shí)，伺服閥的傳遞函數(shù)WV可用二階環(huán)節(jié)[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(tǒng)方塊圖

由上述系統(tǒng)的各個(gè)模塊可以繪制系統(tǒng)方框圖，見圖4。系統(tǒng)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(tǒng)方框圖Fig.4 Block diagram of the control system

根據(jù)上述參數(shù)，采用Matlab繪制系統(tǒng)比例控制條件下的Bode圖,如圖5所示。

圖5 比例閉環(huán)仿真Bode圖Fig.5 Bode diagram of proportional closed loop simulation

由圖5可見，系統(tǒng)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(yàn)方法》[9]標(biāo)準(zhǔn)涉及的耐久性試驗(yàn)條件及最大振動頻率不低于12 Hz的要求,同時(shí)也低于振動測試平臺要達(dá)到的汽車振動頻率范圍0～20 Hz。

3 測試系統(tǒng)控制策略

為了達(dá)到《轎車筒式減振器臺架試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)所要求的激振試驗(yàn)頻率和模擬汽車減振器的真實(shí)工況，必須改善系統(tǒng)的性能，進(jìn)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(yàn)平臺采用位移、速度和加速度反饋校正來提高激振系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

由于伺服閥頻寬比動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)[11]。反饋系統(tǒng)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(shè)系統(tǒng)經(jīng)過三狀態(tài)反饋調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)的期望閉環(huán)函數(shù)為

(11)

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

三狀態(tài)反饋調(diào)節(jié)后使得系統(tǒng)傳遞函數(shù)與期望傳遞函數(shù)的特征方程相同，令Kv=KaKq/A1=33.75，經(jīng)過推導(dǎo)可得

(12)

其中：Kdf,Kvf,Kaf分別為反饋調(diào)節(jié)中位移反饋放大系數(shù)、速度反饋放大系數(shù)和加速度反饋放大系數(shù)。

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

圖7 三狀態(tài)反饋調(diào)節(jié)時(shí)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(tài)反饋的基礎(chǔ)上，采用Matlab繪制系統(tǒng)的Bode圖，如圖7所示。由圖7可見，加入三狀態(tài)反饋調(diào)節(jié)后系統(tǒng)帶寬調(diào)節(jié)至25 Hz。為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)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(tài)反饋調(diào)節(jié)后的系統(tǒng)中串入二階微分環(huán)節(jié)B(s)，為了消除閉環(huán)傳遞函數(shù)中靠近虛軸的極點(diǎn)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，達(dá)到擴(kuò)展系統(tǒng)帶寬的目的。

設(shè)B(s)為二階微分環(huán)節(jié)

(13)

其中：Kdr,Kvr,Kar分別為前饋調(diào)節(jié)中的參考位移放大系數(shù)、參考速度放大系數(shù)和參考加速度放大系數(shù)。

為保證系統(tǒng)增益不變，取Kdr=Kdf，有

(14)

將參數(shù)代入式(14)可得到前饋參考放大系數(shù)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(chǔ)上，采用Matlab繪制系統(tǒng)的Bode圖，如圖8所示。由圖8可見，加入前饋控制策略后系統(tǒng)帶寬可擴(kuò)展到40 Hz。說明通過加入前饋控制策略和三狀態(tài)反饋控制策略，能夠改善系統(tǒng)性能，提高激振系統(tǒng)的帶寬。

圖8 前饋控制策略與三狀態(tài)反饋時(shí)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(yàn)

基于快速控制原型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電液伺服式減振器測試平臺的實(shí)時(shí)控制[13],研究三狀態(tài)反饋和前饋控制策略對系統(tǒng)帶寬和穩(wěn)定性的改善效果。把峰值為1.5g、頻帶為1～50 Hz的隨機(jī)信號輸入本測試控制系統(tǒng)，采用三狀態(tài)控制器調(diào)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(yīng)特性。調(diào)試時(shí)，參考信號發(fā)生器的參數(shù)和位移、速度、加速度反饋及前饋放大系數(shù)見表1。

表1 參考信號發(fā)生器和三狀態(tài)控制器的控制參數(shù)

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

當(dāng)位移、速度、加速度反饋和前饋放大系數(shù)值為表1中的調(diào)試值時(shí)，加速度的響應(yīng)特性如圖9所示。由圖9可知，加入前饋與三狀態(tài)反饋控制策略后對系統(tǒng)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(yàn)所需的激振頻率。同時(shí)，圖示頻率特性在測試頻段內(nèi)接近并穩(wěn)定在0 dB線左右，保證了系統(tǒng)振動控制的跟隨精度要求。

5 結(jié)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(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并針對液壓動力元件阻尼小、固有頻率低等特點(diǎn)，引入了三狀態(tài)反饋控制策略和前饋控制策略來提高系統(tǒng)帶寬和跟蹤精度。運(yùn)用Matlab軟件對模型進(jìn)行了仿真分析，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)研究表明，應(yīng)用三狀態(tài)反饋控制策略和前饋控制策略，可以很大地提高測試系統(tǒng)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(dá)到汽車減振器測試指標(biāo)要求的振動頻率,并能較好地模擬減振器的實(shí)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(yàn)驗(yàn)證了減振器測試平臺控制系統(tǒng)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(diào)試具有一定的實(shí)際意義。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.06.017

*江蘇省工業(yè)支撐重點(diǎn)資助項(xiàng)目(BE2013009-3)；科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(13C26213202029)；鎮(zhèn)江市工業(yè)科技支撐資助項(xiàng)目(SGY20130037);江蘇省博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1402093C)；江蘇大學(xué)高級人才科研啟動基金資助項(xiàng)目

2015-02-09；

2015-05-24

U463.33

王存堂,男，1957年9月生，教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)橐簤杭夹g(shù)、汽車減振及風(fēng)力發(fā)電。曾發(fā)表《液壓儲能新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性分析》(《液壓與氣動》 2014年第6期)等論文。E-mail:wcuntang@sohu.com