劉志亮，麥云飛

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

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轉(zhuǎn)向器主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)臺(tái)加載系統(tǒng)建模與仿真

劉志亮，麥云飛

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

針對(duì)被動(dòng)加載力受系統(tǒng)多余力影響較大的問題，采用機(jī)理建模方法，建立了轉(zhuǎn)向器主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)臺(tái)電液伺服被動(dòng)加載系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，闡釋了試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)多余力產(chǎn)生的原因。采用結(jié)構(gòu)不變性原理設(shè)置前饋補(bǔ)償器的方法對(duì)系統(tǒng)強(qiáng)迫流量進(jìn)行補(bǔ)償以抑制系統(tǒng)多余力。對(duì)補(bǔ)償前后的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，該方案能夠有效抑制50%的系統(tǒng)多余力，試驗(yàn)臺(tái)輸出力能夠較好地跟蹤系統(tǒng)輸入。

主觀評(píng)價(jià)；電液伺服系統(tǒng)； 被動(dòng)加載；多余力；前饋補(bǔ)償

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)汽車的舒適、安全和環(huán)保以及汽車的轉(zhuǎn)向感覺也提出了更高要求[1]。汽車轉(zhuǎn)向器主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)臺(tái)是用于模擬轉(zhuǎn)向器所受地面阻力的地面半實(shí)物仿真設(shè)備，其功能是在試驗(yàn)中依靠實(shí)驗(yàn)者的主觀感受來評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向性能。轉(zhuǎn)向器主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)臺(tái)屬于被動(dòng)式電液加載系統(tǒng)，負(fù)載模擬系統(tǒng)在跟隨轉(zhuǎn)向器齒條進(jìn)行被動(dòng)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)又要施加與角位移信號(hào)成一定規(guī)律的跟蹤阻力，因此，又稱為動(dòng)態(tài)加載[2]。這種被動(dòng)式加載系統(tǒng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是：轉(zhuǎn)向器的運(yùn)動(dòng)會(huì)給負(fù)載模擬系統(tǒng)帶來附加的力——多余力，即當(dāng)輸入力指令為零時(shí)，加載系統(tǒng)跟隨齒條被動(dòng)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的力[3-4]。多余力對(duì)試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)態(tài)精度影響較大，并且容易給試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)帶來較大的沖擊。

1 轉(zhuǎn)向器主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)臺(tái)控制原理

汽車轉(zhuǎn)向器主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。轉(zhuǎn)向器輸入由實(shí)驗(yàn)者轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)向齒條產(chǎn)生主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，加載液壓缸用于模擬地面阻力，活塞桿在跟隨主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向齒條施加相應(yīng)的轉(zhuǎn)向阻力，并且要求加載系統(tǒng)所施加的阻力與方向盤轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系，轉(zhuǎn)角越大，轉(zhuǎn)向阻力越大。當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)確定以后，方向盤轉(zhuǎn)角與齒條位移之間的關(guān)系也是確定的，因此可以認(rèn)為加載系統(tǒng)所施加的阻力與齒條位移成線性關(guān)系。

圖1 轉(zhuǎn)向器主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖

2 液壓加載系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)以伺服閥控非對(duì)稱液壓缸作為加載缸，對(duì)于該液壓系統(tǒng)的建模方法已有很多研究[5-7],本試驗(yàn)臺(tái)使用的電液伺服閥為零開口四邊滑閥，假定4個(gè)節(jié)流口是匹配和對(duì)稱的，供油壓力Ps恒定，回油壓力P0為0，液壓缸無桿腔活塞面積A1與有桿腔活塞面積A2之比為n=0.5，定義負(fù)載壓力為PL=P1-nP2,伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析通常是在零位工作條件下進(jìn)行，此時(shí)閥的線性化流量方程可表示為

(1)

式中，QL為液壓缸負(fù)載流量；Kq為伺服閥流量增益；Kc為伺服閥流量-壓力增益；xv為伺服閥閥芯位移；w為節(jié)流口面積梯度；cd為節(jié)流口流量系數(shù)；ρ為液壓油密度。忽略所有連接管道內(nèi)的摩擦損失、流體質(zhì)量影響和管道動(dòng)態(tài)，假定油液溫度和體積彈性模量為常數(shù)，液壓缸內(nèi)外泄露均為層流流動(dòng)，并且液壓缸兩腔內(nèi)各處壓力相同，可得液壓缸的流量方程為

(2)

A1PL=Ms2Y+BsY+Fg

(3)

Fg=KL(Y1-Y2)

(4)

式中，M為加載系統(tǒng)中活塞及負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量；Y1為加載系統(tǒng)活塞桿位移；Y2為外部作用下的負(fù)載位移，可將其視為干擾量；KL為負(fù)載彈性剛度；Fg為輸出加載力。

本轉(zhuǎn)向器主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)臺(tái)由人工轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤進(jìn)行位置輸入，加載頻率較低，伺服閥可表示為比例環(huán)節(jié)，增益系數(shù)為Ksv。伺服放大器頻帶一般比液壓固有頻率高得多，可將其放大系數(shù)簡(jiǎn)化為比例環(huán)節(jié)Ka。由于力傳感器剛度非常大，忽略其微小形變，可認(rèn)為Y1=Y，力傳感器增益為Kf。

根據(jù)式(1)～式(4)，考慮位置擾動(dòng)Y2，可得系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為

(5)

由式(5)可知，系統(tǒng)輸出不僅和控制器輸入U(xiǎn)(s)有關(guān)，而且還和外界干擾量Y2的速度、加速度和加加速度有關(guān)。當(dāng)控制器輸出為零，加載缸僅在Y2作用下的輸出力即為系統(tǒng)的多余力，從多余力產(chǎn)生原理來看，液壓缸在外干擾下的強(qiáng)迫流量、粘性力以及液壓缸等效折算質(zhì)量的慣性力都是主要因素，其中，強(qiáng)迫流量對(duì)多余力產(chǎn)生的影響是最大的，會(huì)體現(xiàn)在系統(tǒng)啟動(dòng)、換向和正常運(yùn)行等各個(gè)過程。

圖2 轉(zhuǎn)向器主觀評(píng)價(jià)系統(tǒng)方框圖

3 控制系統(tǒng)仿真和分析

本試驗(yàn)臺(tái)要求轉(zhuǎn)向器齒條的行程范圍為±100 mm，對(duì)應(yīng)的期望輸出加載力±10 kN，并且加載力與齒條位移呈線性關(guān)系，設(shè)置線性加載梯度為100 000 N/m。在Simulink環(huán)境下對(duì)該轉(zhuǎn)向器主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)臺(tái)被動(dòng)加載系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型參數(shù)名稱及參數(shù)值

時(shí)域分析的性能指標(biāo)比較直觀，圖3為系統(tǒng)閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線，從仿真曲線可以看出，進(jìn)行前饋補(bǔ)償后的系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，減少了調(diào)整時(shí)間，而且系統(tǒng)超調(diào)量明顯減小。

圖3 系統(tǒng)閉環(huán)階躍響應(yīng)

為驗(yàn)證加載系統(tǒng)在不同頻率下的多余力影響，當(dāng)輸入加載力為0，設(shè)置幅值為0.1，頻率分別為0.5 、1 、2 的正弦位置擾動(dòng)信號(hào)，觀察對(duì)應(yīng)的多余力大小，結(jié)果如圖4所示，隨著頻率的增大，系統(tǒng)產(chǎn)生的多余力明顯增大，嚴(yán)重影響加載精度。添加前饋補(bǔ)償控制以后，系統(tǒng)可以減小約50%的多余力，大幅提高了系統(tǒng)的加載精度，證明了前饋補(bǔ)償策略抑制多余力的有效性。

圖4 0.5 、1 、2 頻率下多余力曲線

為進(jìn)一步驗(yàn)證加載系統(tǒng)對(duì)期望加載力的復(fù)現(xiàn)能力，在0.5 頻率下進(jìn)行載荷譜跟蹤仿真，齒條最大位移仍為0.1 ，輸入波形分別為正弦波、方波和鋸齒波，結(jié)果如圖5所示，系統(tǒng)能夠較好地復(fù)現(xiàn)期望加載力，但在方波和鋸齒波的波形突變處，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定的超調(diào)，因?yàn)橐簤合到y(tǒng)阻尼比一般較小[8]。

圖5 0.5 頻率下載荷譜跟蹤曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

通過機(jī)理建模方法對(duì)電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行分析，能準(zhǔn)確地分析被動(dòng)加載系統(tǒng)輸出力的影響因素，從而為抑制被動(dòng)加載中多余力的產(chǎn)生提供思路。本文采用前饋補(bǔ)償方式對(duì)被動(dòng)加載液壓缸的強(qiáng)迫流量進(jìn)行補(bǔ)償，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不同頻率和不同信號(hào)下的響應(yīng)輸出仿真分析。結(jié)果表明，該方法能有效地抑制多余力的影響，提高系統(tǒng)控制精度。另外，系統(tǒng)在信號(hào)突變處會(huì)產(chǎn)生一定的超調(diào)量，在實(shí)際情況下可能會(huì)造成撞缸現(xiàn)象，后續(xù)研究中可應(yīng)用智能算法改善系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性。

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Modeling and Simulation of the Loading System of Subjective Evaluation Bench of the Steering

LIU Zhiliang, MAI Yunfei

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

For the detrimental effect of the surplus force on the passive loading force, a mathematical model of the electro-hydraulic servo passive loading system of the test bench for subjective evaluation of the steering is established using the first-principle method to explain the reasons for surplus force. According to structure-invariance principle, the feed-forward compensator is utilized to restrain the surplus force by compensating the forced flow. The simulation results and the contrast indicates a 50% decrease of the surplus force, and the output force of the test bench is able to track the system input well.

subjective evaluation; electro-hydraulic servo system; passive loading; surplus force; feed-forward compensation

2016- 08- 22

劉志亮(1993-)，男，碩士研究生。研究方向：機(jī)電液一體化及精密檢測(cè)技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.004

TN79+2;TP273

A

1007-7820(2017)07-013-04