轴耦合道路模拟试验台的六维力波形复现控制方法研究

摘要

六自由度轴耦合道路模拟试验台是目前最具代表性的汽车疲劳试验设备，但我国尚没有能力独自完成该产品的开发，其核心问题之一是控制技术的研究。本文以哈尔滨工业大学在研项目“轴耦合道路模拟试验台”为背景，针对六维力波形复现控制技术进行了系统的分析与研究。
　　本文首先对ADAMS模型进行完善，以解决联合仿真中模型容易发散的问题，并在此基础上建立完整的汽车负载模型，完成四角配置的整车模拟样机模型。在逆运动学基础上，采用Newton-Euler法，利用矢量的叉乘与点乘约掉众多无关未知约束力，最终建立了液压作动器、双臂曲柄以及台架的逆动力学模型，从而完成由台架六维力到六个液压缸驱动力的模型建立。综合分析负载特性，建立垂直方向双自由度以及其他方向单自由度液压系统模型，并通过二阶振荡环节、惯性环节、滞后校正及PID控制等进行校正，得到理想的单通道电液伺服力控制效果。
　　考虑激励信号的设定直接影响系统频响函数辨识精度，本文首先给出时域信号到功率谱密度的 Welch法以及功率谱密度到时域信号的谐波叠加法与时域随机化法，并针对系统辨识提出参数辨识以及非参数辨识两种方法。参数辨识采用随机信号单点激励的方式，应用残差平方和估计出系统模型的结构，并在SISO递推最小二乘算法的基础上扩展到MIMO算法，辨识得到6个自由度的频响函数矩阵。非参数辨识中依次给出频响函数的H1法、H2法以及改进后的H3与H4算法，激励信号采用多点随机激励的多正弦信号输入从而提高辨识精度，采用相干函数作为判别标准，获得不同采样周期对频响函数辨识精度的影响规律。
　　仅依靠伺服控制难以满足系统的控制精度要求，因此需要六维力波形复现技术提高系统的加载精度。考虑实际道路模拟试验，采用谐波叠加法再现了路面不平度的位移及加速度信号，并以此作为频响函数辨识及迭代控制的输入。采用奇异值截断法以及修正法对辨识得到的频响函数中较小的奇异值进行处理，然后采用广义逆的理论求解系统的阻抗函数，从而保证迭代算法的稳定性。针对驱动信号的修正，采用分段迭代法以及变修正系数的迭代改进算法，提高迭代算法的收敛速度以及稳定性。最终搭建出六维力波形复现控制的整体系统仿真模型，并通过仿真获得较理想的单自由度和六自由度的波形复现效果。最后，采用新型直驱式容积伺服关节驱动系统进行实验，验证了时域波形再现算法的有效性与通用性。

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第1章 绪 论

1.1课题的来源及研究的背景和意义

1.2轴耦合道路模拟试验台的国内外研究发展及现状

1.3国内外道路模拟试验控制技术的研究发展及现状

1.4本文的主要研究内容

第2章 6-DOF轴耦合道路模拟试验台系统建模

2.1引言

2.2 轴耦合试验台设计指标及虚拟样机模型完善

2.3试验台逆动力学建模

2.4六维力分解模型的验证

2.5电液伺服力控制研究

2.6本章小结

第3章 试验台频响函数辨识方法的研究

3.1引言

3.2 功率谱密度与时域信号的相互转换

3.3基于参数模型的频响函数辨识方法

3.4基于非参数模型的频响函数辨识方法

3.5本章小结

第4章 六维力波形复现控制算法的研究

4.1引言

4.2路面不平度信号再现

4.3基于广义逆理论的系统阻抗函数的求取

4.4六维力波形控制算法

4.5仿真分析

4.6本章小结

第5章 实验研究

5.1引言

5.2新型直驱式容积伺服关节驱动系统介绍

5.3 基于时域再现技术的系统仿真分析

5.4 实验分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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