惯性试验台

2024-09-12

惯性试验台篇1

关键词：惯量折算,转向器试验台,加载系统

0 引言

汽车转向器试验台通过模拟转向器受到的多种负载力动态地检测汽车转向器的性能指标、测试其疲劳寿命[1],是典型的被动式电液力控制系统。本文对汽车转向器试验台的惯量负载进行质量折算,建立系统的数学模型,并对系统进行Simulink建模仿真分析。

1 加载系统控制原理

图1为汽车转向器试验台原理示意图。其中, FPM为马达的驱动力,Fg为液压缸输出的液压力,Fc为力传感器检测到的加载力,是作用到转向器上的力, 即加载系统的输出,m为转向器的折算质量,K为转向器的折算刚度,Y1为加载系统活塞位移,Y2为机械干扰量,Yp为阀控缸系统活塞位移,KF为力传感器系数,Ur为力控制信号,Uf为反馈信号,P1为进油压力,P2为出油压力。

试验台由两部分组成:1中间的阀控马达模拟驾驶员对方向盘的施力情况,这部分也是系统的负载部分;2两侧的加载系统用于模拟路况。模拟路况的加载系统是试验台的关键部分,由两套阀控缸系统组成, 由于这两套阀控缸系统完全相同,本文仅对右侧的阀控缸系统(图1的右半部分)进行分析。当力控制信号Ur与从力传感器而来的反馈信号Uf不等时,伺服放大器输出偏差电流i,控制电液伺服阀输出流量和压力,推动液压缸输出液压力Fg,对转向器(负载)进行加载,当传感器的反馈信号与输入力信号相等时,液压缸的输出力Fg被控制在某一希望的输出力上[2]。

2 惯量负载的质量折算

在本试验台系统搭建的实物中,加载缸的活塞杆并非直接与力传感器、负载相联接,而是通过一个摆臂装置与力传感器联接,其目的在于使试验台更接近汽车的实际运行情况,另外也可以使试验台的布局更加紧凑。但此设计也为后续建立系统数学模型带来一定的困难,若忽略机械传动部件,则建立的模型也就忽视了传动部件对控制精度的影响,显然有所欠缺。

本文运用等效思想,在试验台系统运动时,设摆臂架对被测件转向器的作用可以由一个等效负载mz替代,将该等效负载折算至液压缸活塞杆上,运用“变换前后系统的瞬时动能保持不变”的转化原则,求等效质量mz。等效系统瞬时动能Ek为:

其中:n为系统运动元件的个数;k为平动元件的个数;mi为元件i的质量;vsi为元件i质心的瞬时速度;Ji为元件i对其质心的转动惯量;ωsi为元件i的瞬时角速度;vh为活塞杆带动负载运动的速度。液压缸活塞杆做直线运动,活塞杆带动负载运动,等效后系统动能为mzvh2/2,则将试验台相关参数代入式(1)即可求得等效质量mz。

3 加载系统基本方程

伺服放大器、力传感器及电液伺服阀这3个环节相对比较简单,故本文省去了其方程的列写。以下只列写阀控缸动力机构的方程,其中的各物理量均从初始条件开始变化。

根据经典的阀控缸模型,可得负载压降PL表达式为:

其中:Kq为阀稳态工作点附近的流量增益系数;Xv为阀芯位移;A为活塞有效面积;Y为活塞位移;Kce为总的流量压力系数,Kce=Kc+Ctc,Kc为阀稳态工作点附近的流量-压力系数,Ctc为液压缸总泄漏系数;Vt为液压缸两个油腔的总容积;βe为油液弹性模量;s为变量,又称复频率。

忽略活塞质量mp,即mp=0,因力传感器刚度Ke很大,可认为其变形量ε=0,则有Y1=YP=Y。液压缸动力机构力平衡方程为:

联立式(3)、式(5)可得:

4 试验台系统建模与控制器设计

根据系统各环节方程不难得出系统结构框图,如图2所示。

图2中,Ka为放大器增益,Kv1为伺服阀增益,Tv为伺服阀时间常数。若伺服阀在本系统中被完全视作比例环节,即Tv=0,则输出Fc的表达式为:

结构不变原理是设计加载控制系统常用的方法, 它可以消除负载参数、强制干扰等对加载系统特性的影响[3]。由式(6)变形可得:

假定加载液压缸的输出速度sY是可以直接测得的物理量,在加载系统中,选择结构不变原理补偿器的传递函数为:

其中:Gc1(s)为对液压缸参数的补偿;Gc2(s)为对惯量负载参数的补偿。加入结构不变原理补偿器后的加载系统结构框图如图3所示。