路譜迭代精度影響因素分析

關(guān)波，郝方楠，黃森，張教超

(陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司,陜西西安 710077)

路譜迭代精度影響因素分析

關(guān)波，郝方楠，黃森，張教超

(陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司,陜西西安 710077)

路譜迭代精度直接影響室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)的模擬精度。如何提高迭代精度是現(xiàn)今相關(guān)實(shí)驗(yàn)室最關(guān)心的問題之一。通過實(shí)際試驗(yàn)總結(jié)驗(yàn)證，得到傳遞函數(shù)和傳感器量程是影響路譜迭代精度的關(guān)鍵因素，對(duì)提高路譜迭代精度具有重要指導(dǎo)意義。

路譜；振動(dòng)臺(tái)；迭代精度

0 引言

六自由度振動(dòng)臺(tái)(Multi-Axial Simulation Table)能夠模擬實(shí)際道路振動(dòng)激勵(lì)，試件放置在振動(dòng)臺(tái)上所受到的振動(dòng)激勵(lì)等同于實(shí)車工況[1-2]，從而實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)驗(yàn)證車輛行駛過程中道路因素造成的振動(dòng)對(duì)汽車相關(guān)部件可靠性的影響。在將道路采集信息實(shí)現(xiàn)復(fù)現(xiàn)的過程中，由于系統(tǒng)的非線性以及各種傳遞誤差，導(dǎo)致模擬的振動(dòng)響應(yīng)與道路實(shí)況目標(biāo)振動(dòng)信號(hào)之間存在誤差。因此，降低目標(biāo)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)之間的誤差、提高迭代精度對(duì)振動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目有十分重要的意義。

路譜復(fù)現(xiàn)的基本過程分為振動(dòng)系統(tǒng)識(shí)別和推算系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)兩部分，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：這個(gè)過程中，系統(tǒng)傳遞函數(shù)和所選傳感器量程對(duì)迭代誤差影響較大，選擇合適的傳遞函數(shù)和傳感器可以有效提高迭代的精度。

1 振動(dòng)系統(tǒng)識(shí)別

在振動(dòng)臺(tái)上，用白噪聲作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)識(shí)別整個(gè)系統(tǒng)(變速器+振動(dòng)臺(tái)+所有支撐變速器用的夾具)的傳遞函數(shù)[3]。系統(tǒng)識(shí)別過程如圖1所示。

即Y=H×X

其中：X為白噪聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)，Y為響應(yīng)信號(hào)(數(shù)采測(cè)量得到)，H即為傳遞函數(shù)。由此可推算得到傳遞函數(shù)

H=Y×X-1

(1)

2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)推算

在室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)的系統(tǒng)辨識(shí)過程中，假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)是線性不變系統(tǒng)，獲取該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣H作為對(duì)該系統(tǒng)特性的描述，這樣就可以根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出和系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣之間的關(guān)系，由實(shí)測(cè)的期望目標(biāo)信號(hào)反推得到所需的激勵(lì)信號(hào)，即X=Y×H-1。但實(shí)際上，由于整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括變速器、液壓作動(dòng)器、測(cè)量系統(tǒng)等都存在一定程度的非線性，使得根據(jù)線性系統(tǒng)假設(shè)計(jì)算得到的激勵(lì)信號(hào)去激勵(lì)系統(tǒng)時(shí)，得到的響應(yīng)和期望目標(biāo)響應(yīng)之間存在很大的誤差。為了消除非線性的影響，需要通過迭代的計(jì)算方法逐步修正激勵(lì)信號(hào)，使系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)最終趨近于目標(biāo)信號(hào)。迭代原理如圖2所示。

初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)X0的生成方法為:

X0=α·β·Y×H-1

(2)

式中:Y 為目標(biāo)信號(hào);α為目標(biāo)信號(hào)的增益系數(shù);β為初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)的增益系數(shù)。

用X0激勵(lì)試驗(yàn)系統(tǒng)得到各測(cè)點(diǎn)的響應(yīng),計(jì)算響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)之間的誤差ΔY,并乘以誤差增益系數(shù)γ(取值為0～1)，然后與驅(qū)動(dòng)信號(hào)迭加，得到新的驅(qū)動(dòng)信號(hào)X1：

X1=X0+γ·ΔY×H-1

(3)

用X1再激勵(lì)系統(tǒng),如此循環(huán),直至誤差低于設(shè)定限值時(shí)停止迭代，得到最終的驅(qū)動(dòng)信號(hào)X。對(duì)于重型汽車,當(dāng)?shù)`差小于15%時(shí)即可終止迭代。該試驗(yàn)用RMS ERROR(時(shí)域內(nèi)目標(biāo)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)之差的均方根與目標(biāo)信號(hào)均方根的比值)作為迭代誤差評(píng)價(jià)指標(biāo),精度較高時(shí)限值為10%的RMS誤差。

3 迭代精度影響因素

3.1 傳遞函數(shù)

室內(nèi)道路路譜模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)H對(duì)迭代精度具有非常大的影響。傳遞函數(shù)較好時(shí)迭代40步左右即可達(dá)到要求的精度，且驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，與實(shí)際路面激勵(lì)重合度較高。而傳遞函數(shù)較差時(shí)迭代步數(shù)增大，且驅(qū)動(dòng)信號(hào)位移和扭轉(zhuǎn)角度均會(huì)有嚴(yán)重的偏移，與實(shí)際路面有一定差距。

在具體試驗(yàn)中,公式(1)中的響應(yīng)信號(hào)Y由加速度傳感器直接測(cè)量得到，驅(qū)動(dòng)信號(hào)X采用shape法生成，如圖3所示。

圖中，Lower Cut Off頻率表示驅(qū)動(dòng)中不包含低于此頻率的能量；Upper Cut Off頻率表示驅(qū)動(dòng)中不包含高于此頻率的能量；Break頻率表示能量從此處開始衰減；1/fn為能量衰減指數(shù)函數(shù)，n決定了驅(qū)動(dòng)能量衰減的速度。改變這4個(gè)量即可定義包含不同能量的驅(qū)動(dòng)信號(hào)X，然后即可推算出不同的傳遞函數(shù)。

在進(jìn)行方坑路迭代的過程中，分別使用了兩種傳遞函數(shù)H1和H2。驅(qū)動(dòng)和迭代過程如圖4—7所示，其中圖4和圖6為H1，圖5和圖7為H2。

從圖4可以看出：采用遞函數(shù)H1迭代后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)位移

和扭轉(zhuǎn)角度偏離零位現(xiàn)象嚴(yán)重，與實(shí)際方坑路面激勵(lì)出入較大。

從圖5可以看出:采用H2之后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)基本在零位置上下振動(dòng)。由此可看出傳遞函數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的影響是很顯著的。

從圖6、圖7可以清楚地看到：較好的傳遞函數(shù)會(huì)大大提高迭代精度，減少迭代步數(shù)。

3.2 傳感器量程

實(shí)車采集的道路路譜信號(hào)振動(dòng)量級(jí)在3g以內(nèi)。在迭代過程中，數(shù)采系統(tǒng)采集的響應(yīng)信號(hào)量級(jí)也只有0.5g～3g。在選擇測(cè)量用加速度傳感器時(shí)，10g和50g量程的傳感器對(duì)迭代精度的影響是不一樣的，量程50g的傳感器提供的振動(dòng)信號(hào)對(duì)于迭代過程來說，信噪比會(huì)很差。

如圖8、圖9所示，圖中紅色曲線為目標(biāo)信號(hào)，藍(lán)色曲線為響應(yīng)信號(hào)。圖8采用10g量程的加速度傳感器，目標(biāo)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)基本重疊，迭代精度較高；圖9為采用50g量程的加速度傳感器進(jìn)行迭代的結(jié)果，顯然其迭代誤差較大。

圖9 連續(xù)凹坑路信號(hào)4 小結(jié)

從文中所述實(shí)際案例中可以看到：傳遞函數(shù)與信號(hào)信噪比對(duì)迭代精度的影響是非常明顯的。為了提高迭代精度，需要在進(jìn)行實(shí)車數(shù)據(jù)采集時(shí)，選擇合適的測(cè)量傳感器，提高振動(dòng)信號(hào)的信噪比；在進(jìn)行路譜迭代過程中，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)膫鬟f函數(shù)。

【1】 彭為，靳曉雄，孫士煒.道路模擬試驗(yàn)中道路載荷譜的選擇方法[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，18(1):6-9.

【2】 杜永昌,管迪華.汽車道路動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)M控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].汽車技術(shù),1999(3)：16-18.

【3】 杜永昌.車輛道路模擬試驗(yàn)迭代算法研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2002，33(2):5-7.

Analysis of Influence Factors for Iteration Precision of Road Signal

GUAN Bo，HAO Fangnan，HUANG Sen，ZHANG Jiaochao

(Shaanxi Fast Gear Co.,Ltd.,Xi’an Shaanxi 710077,China)

The iteration precision of road signals has a great significance to the indoor road simulation test.How to improve the iteration precision has attracted more and more engineers’ attention.Through simulation tests,it was found that the frequency response function and the chosen sensors range were the main influence elements to the iteration precision.It provides guidance for improving iteration precision of road signal.

Road signal;Vibration table;Iteration precision

2014-11-25

關(guān)波(1982—)，學(xué)士，助理工程師，研究方向?yàn)檎駝?dòng)噪聲測(cè)量與控制。E-mail：dosios@126.com。