轮胎耦合道路模拟试验台及其波形再现的研究

2 道路模拟试验台测控系统原理
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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 Faithurst 推出 了 IDC(Iterative DecomvolutionControl)软件，这三个软件的数学 原理基本相同
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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
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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
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。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
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Байду номын сангаас
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
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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。
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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、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。
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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
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胡文伟.轿车车头六通道多轴道路模拟试验加载谱研究 [D]. 上 海：同济大学，2002.
[9] 杨云，沈毅力，曹阳，等.道路模拟振动台及其控制系统的研制 [J].系统仿真学报，2004,16(5)：1044-1046. [10] 田立军.道路模拟试验台及其控制策略研究[J].流体传动与控 制，2011(5) [11] 王学军.汽车零部件疲劳道路模拟试验远程参数控制系统(RPC) 的研制[D].北京：清华大学，1993. [12] 范锐.轮耦合道路模拟台波形再现控制算法的研究[D].哈尔滨： 哈尔滨工业大学，2013
1 道路模拟试验系统功能及组成
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
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
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。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
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。 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
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。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 总体设计及其技术原理。
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。本文将详细介绍道路模拟试验台的
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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
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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。
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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
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，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
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 analysisthe important problems and expounds the current solution of waveform reproduction. Keywords: road simulator durability waveform reproduction