六自由度道路模擬試驗臺架控制策略對迭代結(jié)果影響的研究

李 偉， 楊 光， 許晟杰

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 汽車工程研究院， 天津 300300)

汽車行業(yè)正經(jīng)歷著高速發(fā)展，如何能夠快速準(zhǔn)確地驗證新車型的結(jié)構(gòu)疲勞強度是車企急需解決的問題。整車疲勞耐久驗證方法主要包括試驗場耐久試驗、公共道路耐久試驗和試驗室臺架耐久試驗。對于前兩種方法，氣候和現(xiàn)實環(huán)境都會影響結(jié)果的有效性與準(zhǔn)確性，給分析人員帶來很大的干擾。而且，受各種因素影響，前兩種方法還會導(dǎo)致整車研發(fā)周期變長。試驗室臺架耐久試驗則可以避免外部環(huán)境的影響，在獲得準(zhǔn)確結(jié)果的同時還大大縮短整車開發(fā)周期[1-6]。

目前，在試驗室進行道路模擬試驗時，國際上普遍采用美國MTS公司推出的RPC(遠(yuǎn)程參數(shù)控制)技術(shù)與設(shè)備。該系統(tǒng)主要包括計算機、控制系統(tǒng)、傳感器和作動器，利用RPC技術(shù)，經(jīng)過數(shù)次迭代，在試驗臺上再現(xiàn)不同路面特征的激勵信號。利用載荷譜進行迭代的核心是求取系統(tǒng)頻響函數(shù)的質(zhì)量，它關(guān)系到后續(xù)迭代精度，而不同的控制策略獲得的系統(tǒng)頻響函數(shù)質(zhì)量不同。本文主要比較兩種不同控制策略對迭代結(jié)果的影響，時域和頻域結(jié)果顯示迭代結(jié)果均滿足后續(xù)耐久試驗要求，但不同通道迭代精度依賴于控制策略的選取。

1 數(shù)據(jù)采集

在某試驗場的搓板路、石塊路、魚鱗坑、扭曲路、長波路等特征路面上采集數(shù)據(jù)?；诘缆吩囼炓?guī)范，試驗車行駛3圈，為后續(xù)數(shù)據(jù)的選取提供足夠的樣本數(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)共54個通道，包括軸頭六分力通道(無制動力矩，20個)，軸頭三向加速度通道(12個)，車身單向加速度通道(4個)，懸架位移通道(4個)和應(yīng)變片通道(14個)。

獲得所有路面載荷譜信號后對其進行分析、奇異點剔除、消除趨勢項，保證載荷譜數(shù)據(jù)信號的真實性和完整性。由于MTS六自由度道路模擬臺架工作頻率范圍是0.6～50 Hz，在進行臺架試驗之前對所有信號進行帶通濾波處理。圖1為搓板路左前輪軸頭垂向力處理后的數(shù)據(jù)。

圖1 搓板路左前輪軸頭垂向力數(shù)據(jù)

2 系統(tǒng)模型識別

將試驗車輛置于RPC臺架上，連接所有信號線和站臺機柜。建立站臺配置文件，設(shè)置所有信號通道的單位、量程和極性等，確保臺架試驗過程中信號采集的狀態(tài)與路譜采集時的狀態(tài)一致。對臺架的控制通道逐一進行PID調(diào)節(jié)，使臺架控制系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。隨后利用MTS提供的RPC方法，在道路模擬臺架上完成對某新車型真實路面工況的復(fù)現(xiàn)。

2.1 遠(yuǎn)程參數(shù)控制( RPC) 的基本原理

通過設(shè)置頻率信息和幅值信息，生成白噪聲信號并激勵系統(tǒng)。根據(jù)激勵信號及測得的響應(yīng)信號計算系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣H(f)?？梢詫⒃囼炁_架和試驗車看作一個多輸入多輸出的線性系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 多輸入多輸出的線性系統(tǒng)

頻響函數(shù)的計算，實質(zhì)上是一種帶有誤差的測試數(shù)據(jù)的估計問題。頻響函數(shù)矩陣H(f)的表達(dá)式為：

Y(f)=H(f)X(f)

(1)

多輸入多輸出線性系統(tǒng)功率譜密度矩陣的線性關(guān)系式為：

Gxy(f)=H(f)Gxx(f)

(2)

通過白噪聲激勵信號和臺架采集的響應(yīng)信號可獲得整個系統(tǒng)的頻響函數(shù)H(f)，再將式(1)變形即可獲得臺架的驅(qū)動信號：

X(f)=H-1(f)Y(f)

(3)

由于整個試驗系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，包括試驗車、控制系統(tǒng)等都存在非線性，使得根據(jù)線性系統(tǒng)計算得到的響應(yīng)和目標(biāo)響應(yīng)之間存在較大的誤差。為了消除非線性的影響，需要通過迭代逐步修正驅(qū)動信號，使系統(tǒng)的響應(yīng)信號趨近目標(biāo)信號[7-11]。迭代過程如下[12]：

1) 計算迭代首次驅(qū)動譜。

X0(f)=H-1(f)·αY(f)，x0(t)= IFFT[X0(f)]

(4)

式中：α為首次迭代設(shè)置的通道增益，一般為1。

2) 生成驅(qū)動文件。使用x0(t)激勵臺架和試驗車構(gòu)成的系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得系統(tǒng)的響應(yīng)信號y0(t)，計算響應(yīng)信號y0(t)與目標(biāo)信號yT(t)之間的誤差：

e0(t)=yT(t)-y0(t),E0(f)=IFFT[e0(t)]

(5)

進而獲得驅(qū)動信號x0(t)的修正值：

ρx0(t)=IFFT[H(f)-1βE0(f)]

(6)

式中：β為迭代過程中的增益。

進而獲得下一次驅(qū)動信號：

x1(t)=x0(t)+ρx0(t)

(7)

利用新的驅(qū)動信號x1(t)去激勵系統(tǒng)，測得新的響應(yīng)信號y1(t)，重復(fù)上述步驟。定義迭代指標(biāo)如下：

R=ERMS/DRMS

(8)

式中：ERMS是目標(biāo)信號和臺架響應(yīng)信號差的均方根值(RMS);DRMS是目標(biāo)信號的均方根值。

2.2 兩種控制策略

本次試驗不涉及到制動工況，因此臺架的驅(qū)動通道為20個，包括左側(cè)縱向拉壓通道，前輪側(cè)向拉壓通道等。各通道均是合成通道，各通道間存在耦合關(guān)系。路譜采集一共設(shè)置了54個通道，分別采用兩種控制策略(A和B)獲得兩種頻響函數(shù)，基于兩種頻響函數(shù)進行后續(xù)迭代工作。

1) 控制策略A將六分力通道作為控制通道(20個)，其他通道不參與頻響函數(shù)的計算。白噪聲驅(qū)動信號xi(t)為20×1的列向量，響應(yīng)信號yi(t)為20×1的列向量，因此根據(jù)式(1)獲得的H(f)為20×20的方陣。繼而可以求得頻響函數(shù)的逆函數(shù)H-1(f)。根據(jù)道路采集的目標(biāo)信號yT(t)和式(4)獲得臺架驅(qū)動信號，據(jù)此開展迭代工作。

2) 控制策略B是將六分力通道、加速度通道、懸架位移通道和應(yīng)變片通道同時作為控制通道(54個)。響應(yīng)信號yi(t)為54×1的列向量，因此根據(jù)式(1)獲得的H(f)為54×20的方陣。由于響應(yīng)信號的個數(shù)大于臺架驅(qū)動信號，因此不能依據(jù)式(3)計算臺架驅(qū)動信號，式(3)需要修正，采用最小二乘法計算初始驅(qū)動信號：

X(f)= [H(f)HH(f)]-1H(f)H[Y(f)]

式中：H(f)H為頻響函數(shù)矩陣的共軛轉(zhuǎn)置矩陣。求取驅(qū)動信號x0(t)的修正值的式(6)需要進一步修正：

ρx0(t)=IFFT{ [H(f)HH(f)]-1H(f)HβE0(f)}

根據(jù)道路采集的目標(biāo)信號yT(t)和式(7)獲得臺架驅(qū)動信號，據(jù)此開展迭代工作。

3 不同控制策略迭代結(jié)果對比

選取長波路、扭曲路和搓板路作為迭代路面。長波路和扭曲路是低頻路面，搓板路是高頻路面，通過分別迭代，能夠更加全面地說明兩種控制策略對迭代精度的影響。為了方便后文闡述，將長波路和扭曲路的組合路面簡稱為低頻路面，將搓板路簡稱為高頻路面。本次采集獲得的高頻路面信號，存在共振的情況，因此高頻路面的迭代工作具有挑戰(zhàn)性。

由于響應(yīng)通道較多，選取損傷比重較大的六分力Fz通道(左前輪)作為觀察通道。控制策略A下，低、高頻路面迭代響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)信號時域、頻域和統(tǒng)計特征值的比較結(jié)果分別見圖3和圖4?？刂撇呗訠下，低、高頻路面迭代響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)信號時域、頻域和統(tǒng)計特征值的比較結(jié)果分別見圖5和圖6。

(a)時域曲線對比圖

((b)頻域曲線對比圖

圖3 控制策略A下，低頻路面迭代響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)信號時域、頻域和統(tǒng)計特征值的比較結(jié)果

(a)時域曲線對比圖

(b)頻域曲線對比圖

圖4 控制策略A下，高頻路面迭代響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)信號時域、頻域和統(tǒng)計特征值的比較結(jié)果

(a)時域曲線對比圖

(b)頻域曲線對比圖

圖5 控制策略B下，低頻路面迭代響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)信號時域、頻域和統(tǒng)計特征值的比較結(jié)果

(a)時域曲線對比圖

(b)頻域曲線對比圖

圖6 控制策略B下，低頻路面迭代響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)信號時域、頻域和統(tǒng)計特征值的比較結(jié)果

從圖3—圖6可以看到，目標(biāo)響應(yīng)和迭代響應(yīng)在時域和頻域上幾乎重合，說明臺架試驗?zāi)軌蜉^好地復(fù)現(xiàn)車輛在試車場中的受力狀態(tài)，迭代精度較高。此外，兩種響應(yīng)的均方根值RMS非常接近，且R值均小于20%，因此六分力Fz通道在兩種控制策略下的迭代結(jié)果均能滿足后續(xù)耐久試驗的要求。

六分力通道對臺架驅(qū)動信號影響較大，尤其是每個車輪三向力(縱向、側(cè)向、垂向)所占權(quán)重更大。為了進一步驗證迭代結(jié)果，分別計算兩種控制策略下，4個車輪三向力(12個通道)的R值，如圖7所示。從圖7中可以看到，控制策略A下三分力的R值整體上要小于控制策略B下的比值，表明在信號能量的復(fù)現(xiàn)方面，控制策略A要優(yōu)于控制策略B。

(a)低頻路面 (b)高頻路面

圖8 迭代響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)相對損傷比值

4 結(jié)束語

對于控制策略A和控制策略B，本文獲得的驅(qū)動信號都能夠?qū)崿F(xiàn)實際道路激勵的復(fù)現(xiàn)。在獲取系統(tǒng)頻響函數(shù)時，控制通道的選取至關(guān)重要，直接影響到RPC軟件求解的精度和時間。由于六分力通道與驅(qū)動信號相關(guān)性更大，因此無論如何選取控制通道，都要保證六分力的最終迭代精度。如果對除六分力以外的通道也比較關(guān)心，還可以選擇其他適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，比如可以采用六分?加速度通道作為控制通道，采用六分力+加速度通道+懸架位移通道等作為控制通道。在進行臺架試驗時，控制策略的選取依賴于工程師技術(shù)水平、驗證周期以及是否需要為其他部門提供數(shù)據(jù)支持等因素。本次臺架試驗受驗證周期影響，采用策略A進行迭代，不僅縮短了迭代時間，最終臺架試驗結(jié)果和實際道路耐久試驗結(jié)果達(dá)到了高度一致。