电液伺服式减振器测试平台控制策略研究报告

一、研究背景与基本信息

本文地址于期刊《振动、测试与诊断》，其英文名为 Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis，发表于 2016年12月，第36卷第6期。文章的作者包括王存堂、张凯、张兵、谢方伟及宣芮，作者单位是江苏大学机械工程学院。

本研究聚焦于汽车工业中减振器（shock absorber）的性能测试问题。鉴于汽车减振器在悬架系统中起着至关重要的作用，其性能的好坏直接影响车辆平稳性、舒适性及操纵稳定性。而随着汽车工业的飞速发展，市场对减振器数量和性能的要求越来越高，传统机械凸轮式减振器测试平台已渐显不足。因此，研究团队提出通过搭建电液伺服式减振器测试平台，开发先进的控制策略，以实现对减振器阻尼力和加速度衰减的精确测试。

二、研究目的与创新点

• 研究目标: 本研究旨在设计并实现一个先进的电液伺服式减振器测试平台，通过提升控制策略，模拟汽车减振器实际工况，解决现有测试平台在性能和精度方面的不足。
  
• 科学/技术需求：
  1. 国内汽车行业迫切需要能够测试复杂多变载荷谱作用下减振器性能的技术与设备。
  2. 当前规范如 QC/T545-1999 标准明确要求实验台能够应对不低于12Hz的振动频率，传统方法无法满足这些需求。
  3. 新技术需解决传统机械式测试平台反馈控制不够精准、带宽不足、数据无法反映真实动态负载等问题。
• 方法创新： 本研究创新性地应用三状态反馈控制策略及前馈控制策略，通过 MATLAB/Simulink 建模与实验验证，优化了系统性能，增强了响应效果和测试数据的可靠性。

三、研究工作流程及技术细节

1. 测试平台的组成与原理设计
   本文主要描述了测试台的硬件组成与基本工作机制。具体包括：

   • 硬件模块：电液伺服阀、高精度液压缸、位移传感器、加速度传感器、控制器、监控计算机和减振器等。图1显示了该测试平台的整体示意。
   • 工作原理：车辆上下运动状态通过模拟加载箱创建，液压振动台和伺服控制系统形成闭环控制，实现任意波形振动输入。位移、速度、加速度均通过反馈调节，提高系统测试精度。

2. 数学建模与仿真设计
   本部分建立了电液伺服系统的数学描述，具体分模块说明如下：

   • 阀控缸数学模型： 通过拉氏变换方法，建立了与非对称液压缸关联的动态方程，包括滑阀流量方程、压力连续性方程和负载平衡方程等（方程1至方程3）。 特别采用了负载主要为惯性负载与黏性负载模型，忽略弹性负载，简化了复杂控制计算（见方程5）。
   • 伺服放大器与电液伺服阀建模： 分别用简单比例环节和二阶系统模型近似描述伺服放大器和伺服阀的动态行为（见方程9，方程10）。
   • 系统设计框图： 将伺服放大器、阀控缸等组成模块等效为比例控制闭环模型（图4），通过 MATLAB 绘制初始控制器的 bode 图（图5）评估闭环带宽约8Hz，远低于测试要求。

3. 控制策略优化设计

   • 三状态反馈控制策略：
     本技术采用位移、速度和加速度的三状态反馈调节机制，针对系统的低阻尼、高频宽特性进行优化。具体包含：

     • 理论设定与公式推导： 通过设计反馈调节器与期望闭环函数匹配关系，并结合反馈函数参数选择，求得关键反馈放大系数（如 $k_{af} = 3.936 \times 10^{-4}$）。
     • 仿真与比较： 改进后的仿真 bode 图显示带宽升至25Hz。

   • 前馈控制策略：
     为进一步改善带宽性能，前馈控制通过引入二阶微分环节 b(s)，消除系统近虚轴极点，提高响应速度。 计算显示采用匹配前馈增益后系统带宽可达40Hz，超越行业规范显著阈值。

4. 实验验证

   • 实验基于快速控制原型技术，实时调整加速度响应特性。
   • 对1-50Hz随机信号进行加速度响应检测，调整反馈与前馈参数至优化值（如表1所示）。
   • 实验数据结果如图9，总结系统频宽实际拓宽至35Hz，且幅频特性稳定于0dB线。

四、主要研究结果

• 应用改进后策略，实验表明系统振动频段达标（QC/T545标准中12Hz以上要求）。
• 三状态反馈与前馈调节显著扩展平台动态范围，提供了精确测试减振器阻尼能力的手段。

五、结论与意义

1. 科学价值：
   本研究为测试复杂工况下减振器性能提供了数学模型和实施范例，通过创新性控制策略设计，提升实验台整体性能，为国内减振器检测行业提供了重要参考。

2. 应用价值： 新技术为减振器量产前的耐久性测试、质量保障及设计优化提供关键支持，测试平台模拟实际工况能力极大增强，为汽车工业标准化提供了便捷。

六、亮点与创新性

本研究亮点包括： - 引入多状态反馈机制结合前馈技术，极大提升控制系统性能。 - 独创性扩展测试带宽至40Hz，使其适配更多动态性场景需求。 - 结合 MATLAB 工具，开发了理论验证与实测高一致性模型，保证控制策略实施科学性。

七、参考价值

研究为调试类似液压系统测试台提供了重要依据，对流体力学、机械设计及汽车悬架研究领域具有交流与推广价值。