学术报告：液气悬架电液比例控制仿真实验台的设计与优化

一、研究作者、机构及发表信息

这项研究的主要作者包括 Zhibo Wu、Bin Jiao、Chuanmeng Sun、Yanbing Zhang 和 Heming Zhao，隶属中国北方大学电气与控制工程学院（School of Electrical and Control Engineering, North University of China）、中国北方大学动态测量技术国家重点实验室（State Key Laboratory of Dynamic Measurement Technology, North University of China）以及山西省高端装备可靠性技术重点实验室（Shanxi Key Laboratory of High-End Equipment Reliability Technology, North University of China）。该研究成果发表在《Machines》期刊的 2023 年第 11 卷中，文章编号为 907，发布日期为 2023 年 9 月 13 日。

二、研究背景与目的

这项研究的主要科学领域涉及液气悬架（hydropneumatic suspension）的性能测试及仿真技术。液气悬架作为弹性元件与阻尼器的集成系统，利用蓄能器中储存的惰性气体作为弹性介质，并以液压油作为阻尼器的载荷传递介质，具有载荷平衡、生成阻尼振动及改善车辆姿态等功能。这一悬架系统在提高重型车辆的乘坐舒适性和操控稳定性方面具有广泛的应用，特别是在复杂的道路条件下。然而，目前可用的液气悬架仿真实验台在加载精度和功能性方面存在显著的不足，难以满足实际测试需求。因此，本研究设计了一种基于电液比例控制技术的新型多功能复合仿真实验台，以补偿现有技术的不足。

本研究的主要目标是： 1. 设计一个多功能复合液气悬架仿真实验台，完成载荷系统的电液比例控制； 2. 建立液压加载系统的数学模型，分析系统稳定性与动态特性； 3. 通过改进控制算法优化实验台性能，提高加载精度及响应能力； 4. 确保实验台可用于模拟真实道路的随机振动测试。

三、研究流程与方法

1. 流程总览

研究分为以下几个主要阶段： 1. 液气悬架实验台的机械平台设计； 2. 液压加载系统的建模及组件参数的选择； 3. 电液比例控制系统的建模及控制算法设计； 4. 系统的稳定性与动态特性分析； 5. 结合模糊 PID 控制算法进行优化； 6. 模拟道路随机振动测试。

2. 机械平台设计

实验台的机械平台由基座、垂直圆柱、上下横梁、上下滑块、滑动锁、配重板及传感器组成。这一平台支持多种测试形式，如液气悬架性能分析和 ¹⁄₄ 车辆道路模拟测试。平台的设计指标包括： - 最大载荷：5 吨 - 最大行程：±120 mm - 激振频率：0–30 Hz - 活塞杆最大速度：0.5 m/s

在性能分析模式下，滑动锁被锁定，液气悬架位于下滑块与下横梁之间，并与液压缸直接接触。加载系统通过施加载荷模拟道路振动，测量其输出力和位移特性。在 ¹⁄₄ 车辆道路模拟模式下，滑动锁解锁，液气悬架安装于两滑块之间，配重模拟簧载质量，由加载系统驱动整个系统产生振动。

3. 液压加载系统的建模及参数选择

系统包括液压动力供应、电液比例阀、液压缸及蓄能器。研究建立了液压加载系统的数学模型，包括： - 阀控液压缸的流量方程：描述液压阀的开度与液压缸流量间的关系； - 流量连续性方程：涵盖柱塞腔与杆腔的流量平衡； - 负载平衡方程：囊括液压缸的输出力与外部负载的平衡。

此外，通过数学推导建立了系统的传递函数，用于分析响应特性及稳定性。关键组件——液压缸、电液比例阀及液压泵的选型，是基于精确的力学计算完成的，以确保实验台设计满足性能需求。

4. 电液比例控制系统的设计与建模

控制系统结合了比例放大器、电液比例控制阀，以及位移传感器，用于实现闭环控制。外部输入信号通过比例放大器调制为控制比例阀的输入电流，进而调节液流方向及流量，完成活塞杆行程变化的实时控制。为提高控制精度，位移传感测量值被反馈至控制器以调节输入信号，持续削减误差。

该系统的开环传递函数通过组件个别的数学模型组合而成，核心参数和特性基于 MATLAB 计算和设计。

5. 动态特性与稳定性分析

研究首先对系统的开环波特图（Bode Diagram）进行分析，得出系统在增益裕度（26.3 dB）及相位裕度（89.5°）方面均满足稳定性要求。随后，通过 SIMULINK 搭建仿真模型，验证其对阶跃信号和正弦信号的响应特性。初始系统响应时间较慢，存在一定相位滞后和信号失真，需要优化以满足实际需求。

6. 系统优化：结合模糊 PID 控制算法

为提高动态响应特性，研究结合自适应模糊 PID 控制算法（adaptive fuzzy PID control algorithm）。通过引入误差及误差变化率的模糊化，动态调节 PID 参数。优化后的系统模型能够在 0.3 秒内稳定响应至预设值，同时无振荡或超调，动态特性显著改善。

7. 随机道路振动模拟

随机振动数据基于高斯白噪声结合一阶滤波器生成，模拟 B 级及 C 级道路。实验台的改进系统能够有效再现道路随机振动，其相对误差均低于 15%，满足工程应用要求。

四、研究结果与结论

研究成果总结如下： 1. 设计了一种低成本、高性能的电液比例控制液气悬架仿真实验台； 2. 建立了液压加载系统的数学模型以及系统传递函数，证明系统具有良好的稳定性； 3. 结合模糊 PID 算法优化了动态特性，显著提高了实验台对随机振动信号响应的精度； 4. 实验台设计方案展示了模拟道路随机振动的实际可行性。

五、研究亮点

1. 提出了一种具有创新性的电液比例控制复合仿真实验台设计方案；
2. 自适应模糊 PID 算法的引入显著提高了系统动态控制性能；
3. 实验台低成本、高稳定性、操作简便，具有广泛的工程应用潜力。

六、研究意义与价值

本研究设计的实验台为液气悬架性能测试提供了新的有效工具，尤其适用于重型车辆的随机振动加载仿真。其在动态响应提升及模拟精度方面的改进，对未来的车辆动力学研究和仿真测试技术提供了重要参考。同时，该设备具有较高的应用价值，可推广至其他工业机械及车辆相关测试平台的应用开发中。