轮胎耦合道路模拟试验台及其波形再现的研究

1、轮胎耦合道路模拟试验台及其波形再现的研究摘要：道路模拟试验台是进行整车及其零部件耐久性试验的关键设备之一。本文论述了道路模拟试验台的组成及功能，分析了波形再现需要注意的问题并阐述了目前的解决方法。关键词：道路模拟试验台 耐久性 波形再现Abstract: Road simulator is one of the key equipment of the vehicle and parts durability test. This paper discusses the composition and function of road simulator and analysis the im

2、portant problems and expounds the current solution of waveform reproduction.Keywords: road simulator durability waveform reproduction 0 引言在当今汽车工业的快速发展下，各个汽车厂商需要建立、完善自身的设计、开发和测试机制，确保在有质量保证的前提下快速、高效研发出新型车型及汽车零部件。根据国外统计，约有80%以上的机械零件的破坏为疲劳破坏 1。因此，耐久性试验是汽车开发中的一个重要环节。采用室内道路模拟技术，能够在大幅减少人力物力投入的情况下高效、高精度在室内模

3、拟汽车在行驶中受到的路面激励。与道路试验相比，道路模拟耐久性试验可以避免驾驶员在测试中的操作失误所带来的误差，并消除恶劣天气、车辆作用、路面维修及某些非测试零部件损坏所导致的试验周期的延长 2。我国自主研发室内道路模拟试验台起步较晚，1991年中国汽车工业总公司下达的“三维电液伺服道路系统研制”课题，由中国汽车技术中心和长春汽车研究所负责，研制了具有大推力、长行程、快速反应的电液伺服系统，并开发了模拟软件；清华大学汽车工程系管迪华教授等人对用于车轴等零件的疲劳试验台进行研制，完成道路模拟试验系统硬件和软件的国产化 3,4。武汉理工大学也完成了汽车及其零部件电液伺服道路模拟振动台控制算法的研发工

4、作，提出采用参数模型法进行在线辨识，基于学习的时域在线迭代控制算法 5,6。西安交通大学对路面不平度的统计特性及适合道路模拟试验的统一数学模型、基于路面谱再现的随机振动电液伺服系统设计及分析、在电液振动台上实现功率谱再现控制及工程实现等问题进行了理论分析及实验研究 7。同济大学和上海大众合作实现对车辆关键部件和子系统疲劳加速试验，提出了中国典型地区、试车场道路之间的载荷谱当量关系，准确预测轿车后桥疲劳寿命 8。哈尔滨工业大学电液伺服仿真所自行设计了多台多通道轮耦合道路模拟台，并以快速控制原型技术设计控制系统软件 9。本文将详细介绍道路模拟试验台的总体设计及其技术原理。1 道路模拟试验系统功能及

5、组成道路模拟试验系统是集计算机、机械、液压、电子、信号处理和控制理论等学科为一体的综合试验台架，用来完全或局部模拟整车道路行驶时的振动环境，模拟汽车在不同路面条件下的行驶状况，能够进行整车、车厢、车架及车载设备等耐久性试验；进行车厢、机架及车载设备的动态响应（加速度、应变等）测试 10。道路模拟试验台由机械系统、液压系统、控制系统组成，具体组成如下：1、机械系统：包括牵引装置、承载平台和横向约束装置以及基础件等组成。2、液压系统：液压系统主要包括作动器和液压源两部分。液压源由液压泵站、冷却系统和管路系统组成，为试验台系统提供液压能源，由液压阀、传感器和预载装置等构成的作动器实现对车辆的加载。3

6、、控制系统：控制系统从功能上分为伺服控制系统和振动控制系统两部分。其中伺服控制系统主要实现道路模拟试验台的数字闭环控制、系统的状态显示和液压源的远程自动控制。主要包括三个单元，分别为：1）监控与管理单元，作为上位机以太网与震动控制系统和伺服控制单元通讯，实现数据交换和信号输入输出，通过与PLC液压源现场控制单元通讯，实现液压源的管理与远程自动控制，并实现系统的状态显示、记录与输出功能；2）伺服控制单元，实现振动试验系统的预载作动器的数字闭环控制和故障诊断与保护；3）PLC液压源控制单元，完成液压源启停逻辑控制和状态检测。振动控制系统为控制软件系统，实现对车辆振动控制和路谱再现。振动控制系统还应

7、包括数据采集功能，以实现载荷、应力、位移和加速度等信号的采集、存储和显示等。2 道路模拟试验台测控系统原理室内道路模拟试验的难点在于如何在试验室环境内再现整车行驶于用户道路或试验场道路时所承受的载荷。只有具有高精度、高真实度的路面载荷谱再现才会使得室内道路模拟试验具有意义。因此，使系统的实际输出加载与理想的目标加载高度一致就变得十分重要。1977年美国MTS系统公司推出了RPC(Remote Parameter Control )软件；1979年德国SCHENCK公司推出了ITFC(Iterative Transfer Function Compensation )系统；1987年Faithu

8、rst 推出了IDC(Iterative Decomvolution Control)软件，这三个软件的数学原理基本相同 6,11，即都是基于迭代自学习控制，不同的仅仅是计算机硬件方面、计算方法和操作功能。他们都可以在频域或时域内按照给定的误差范围再现路面激励。这里仅具体介绍MTS公司的RPC系统。RPC即远程参数控制技术，其一般有6个步骤来实现：(1):采集并记录实际道路行驶时车辆的相应信号。根据不同需要，可记录各期望相应点的位移、速度、加速度以及应变等变量的时间历程，得到所需原始响应信号。(2):整理编辑原始响应信号。对所获得的原始响应信号必须进行模数转换、分析、编辑处理等，删除信号中对损

9、伤贡献不大的循环以缩短模拟所用时间，并保证损伤等指标尽量与原始信号接近，作为期望响应信号。(3):系统频率响应函数的测定与分析。用人工产生的或用实际激励记录到的信号通过道路模拟试验系统对被测试验对象进行激励，以识别出整个系统的频率响应函数。(4):初始驱动信号的估计。根据以上步骤得到的期望响应信号和频率响应函数计算得出初始驱动信号的估计值。(5):迭代修正。由于整个被试验系统是非线性的，而频率响应函数矩阵的测定是基于线性的，因此需要通过反复迭代修正初始驱动信号，从而得到道路模拟试验系统所需要的最终驱动信号。(6):进行试验。将上步(5)所得到的最终驱动信号施加于系统，进行试验。如何得到有效的道

10、路模拟系统的频率响应函数以及如何确定迭代参数是RPC系统中的重点难点所在，也是实现道路模拟实验的基础。本文将在第3章具体介绍。除上述RPC方法外，还有自校正自适应控制。该种方法是把系统参数的在线估计算法与控制器设计的在线算法有机结合起来。这种方法将期望信号作为输入信号，然后根据事先选定的受控系统模型，利用参数辨识器根据输入信号和输出信号的在线估计出系统的模型参数，然后设计器根据估计出来的参数重新设计新的控制器参数。控制器根据设计器送来的控制参数进行更新，实时计算每一步的控制量，实现对受控系统的自适应控制以及时域波形再现 11。相比于RPC开环的离线迭代逐步修正驱动信号，自校正自适应方法使控制受

11、控系统跟踪期望响应信号，实时输出每一步的控制量，实现系统的闭环控制。但是相比于RPC方法，自校正自适应方法是渐进控制，只有在所辨识的模型参数精确收敛到真是参数时，系统才能较好的跟踪输入信号，且该种方法控制结构和算法都较为复杂，不易被一般的技术人员所掌握。3 RPC频率响应函数求解 轮耦合道路模拟台的控制系统采用伺服控制和辨识迭代控制相结合，伺服控制实现单通道系统的闭环控制，精确控制托盘运动激励被试车辆，同时在伺服控制的外环加上辨识迭代控制，在被试车辆上精确再现对疲劳损坏有贡献的实际路面激励。轮耦合道路模拟是一个复杂的多输入多输出的非线性系统，而频率响应函数矩阵的测定是基于线性的，因此如何确定辨

12、识信号、迭代参数及迭代误差指标的选择会影响得到准确的系统频率响应函数会进而影响到试验结果的可靠性。文献5对上述问题做了研究分析。归结认为对于辨识信号的选择，在低频目标不平度序列，可以使用均匀白噪声进行辨识，对于频率较高的目标信号，可以使用M伪随机序列或快速正弦扫描信号作为辨识输入；选择迭代参数时，当误差较大时，加权系数可以选择较小的数，当误差很小，加权系数应选较大的数；迭代误差的选择在再现不平度信号的试验中尤为重要。目前实际应用的迭代误差指标两类，相对均方根误差和相对加权误差，后者既考虑了期望信号与相应信号的在整个时间历程上的偏差的大小，又考虑了偏差信号与目标信号幅值的关系，能比较综合的反映响

13、应信号与期望信号之间的逼近程度。文献12对轮耦合道路模拟台的时域波形再现进行了研究分析，针对耦合分量小的系统模型，分别采用无辨识迭代法、直接迭代法、基于奇异值修正法的迭代法进行加速度随机波形再现的仿真分析；针对耦合分量大的系统模型，采用直接迭代法、基于奇异值截断法的迭代算法进行加速度随机波形再现的仿真分析，验证了奇异值处理方法对波形再现迭代算法的稳定性和准确性具有明显的改善效果。4 结论本文介绍了轮耦合道路模拟试验台的基本组成、功能，并分析了道路模拟试验台控制系统的组成及控制策略，并分析了频率响应函数求解时应注意的问题。参考文献1 朱涛.汽车关键零部件疲劳分析与试验综合研究D.北京:北京航空航天大学，2007.2 钱立军，吴道俊，杨年炯，等.基于室内道路模拟技术的整车加速耐久性试验的研究J.汽车工程，2011,33(2):91-96.3 何泽民.道路模拟实验技术的研究及其在汽车零部件疲劳试验中的应用D.北京：清华大学，1990.4 王宵峰.汽车零部件耐久性试验室内模拟研究D. 北京：清华大学，1990.5 汪斌.道路模拟试验台路面不平度再现方法研究D.武汉：武汉理工大学，2010.6 刘成.电液伺服道路模拟试验随机波形再现的时与控制D.武汉：武汉理工大学，2002.7 杨云.电液道路模拟振动台及功率谱在线控制的研究D.西安：西安交通大学，2003.8 胡文伟.轿车车头六通道多轴