路谱迭代精度影响因素分析

关波，郝方楠，黄森，张教超

(陕西法士特齿轮有限责任公司,陕西西安 710077)

路谱迭代精度影响因素分析

关波，郝方楠，黄森，张教超

(陕西法士特齿轮有限责任公司,陕西西安 710077)

路谱迭代精度直接影响室内道路模拟试验的模拟精度。如何提高迭代精度是现今相关实验室最关心的问题之一。通过实际试验总结验证，得到传递函数和传感器量程是影响路谱迭代精度的关键因素，对提高路谱迭代精度具有重要指导意义。

路谱；振动台；迭代精度

0 引言

六自由度振动台(Multi-Axial Simulation Table)能够模拟实际道路振动激励，试件放置在振动台上所受到的振动激励等同于实车工况[1-2]，从而实现在实验室内验证车辆行驶过程中道路因素造成的振动对汽车相关部件可靠性的影响。在将道路采集信息实现复现的过程中，由于系统的非线性以及各种传递误差，导致模拟的振动响应与道路实况目标振动信号之间存在误差。因此，降低目标信号与响应信号之间的误差、提高迭代精度对振动测试项目有十分重要的意义。

路谱复现的基本过程分为振动系统识别和推算系统驱动信号两部分，实践发现：这个过程中，系统传递函数和所选传感器量程对迭代误差影响较大，选择合适的传递函数和传感器可以有效提高迭代的精度。

1 振动系统识别

在振动台上，用白噪声作为驱动信号识别整个系统(变速器+振动台+所有支撑变速器用的夹具)的传递函数[3]。系统识别过程如图1所示。

即Y=H×X

其中：X为白噪声驱动信号，Y为响应信号(数采测量得到)，H即为传递函数。由此可推算得到传递函数

H=Y×X-1

(1)

2 驱动信号推算

在室内道路模拟试验的系统辨识过程中，假设整个系统是线性不变系统，获取该系统的传递函数矩阵H作为对该系统特性的描述，这样就可以根据系统的输入、输出和系统传递函数矩阵之间的关系，由实测的期望目标信号反推得到所需的激励信号，即X=Y×H-1。但实际上，由于整个试验系统的各个环节，包括变速器、液压作动器、测量系统等都存在一定程度的非线性，使得根据线性系统假设计算得到的激励信号去激励系统时，得到的响应和期望目标响应之间存在很大的误差。为了消除非线性的影响，需要通过迭代的计算方法逐步修正激励信号，使系统的响应信号最终趋近于目标信号。迭代原理如图2所示。

初始驱动信号X0的生成方法为:

X0=α·β·Y×H-1

(2)

式中:Y 为目标信号;α为目标信号的增益系数;β为初始驱动信号的增益系数。

用X0激励试验系统得到各测点的响应,计算响应信号与目标信号之间的误差ΔY,并乘以误差增益系数γ(取值为0～1)，然后与驱动信号迭加，得到新的驱动信号X1：

X1=X0+γ·ΔY×H-1

(3)

用X1再激励系统,如此循环,直至误差低于设定限值时停止迭代，得到最终的驱动信号X。对于重型汽车,当迭代误差小于15%时即可终止迭代。该试验用RMS ERROR(时域内目标信号与响应信号之差的均方根与目标信号均方根的比值)作为迭代误差评价指标,精度较高时限值为10%的RMS误差。

3 迭代精度影响因素

3.1 传递函数

室内道路路谱模拟试验发现，系统传递函数H对迭代精度具有非常大的影响。传递函数较好时迭代40步左右即可达到要求的精度，且驱动平稳，与实际路面激励重合度较高。而传递函数较差时迭代步数增大，且驱动信号位移和扭转角度均会有严重的偏移，与实际路面有一定差距。

在具体试验中,公式(1)中的响应信号Y由加速度传感器直接测量得到，驱动信号X采用shape法生成，如图3所示。

图中，Lower Cut Off频率表示驱动中不包含低于此频率的能量；Upper Cut Off频率表示驱动中不包含高于此频率的能量；Break频率表示能量从此处开始衰减；1/fn为能量衰减指数函数，n决定了驱动能量衰减的速度。改变这4个量即可定义包含不同能量的驱动信号X，然后即可推算出不同的传递函数。

在进行方坑路迭代的过程中，分别使用了两种传递函数H1和H2。驱动和迭代过程如图4—7所示，其中图4和图6为H1，图5和图7为H2。

从图4可以看出：采用递函数H1迭代后的驱动信号位移

和扭转角度偏离零位现象严重，与实际方坑路面激励出入较大。

从图5可以看出:采用H2之后，驱动信号基本在零位置上下振动。由此可看出传递函数对驱动信号的影响是很显著的。

从图6、图7可以清楚地看到：较好的传递函数会大大提高迭代精度，减少迭代步数。

3.2 传感器量程

实车采集的道路路谱信号振动量级在3g以内。在迭代过程中，数采系统采集的响应信号量级也只有0.5g～3g。在选择测量用加速度传感器时，10g和50g量程的传感器对迭代精度的影响是不一样的，量程50g的传感器提供的振动信号对于迭代过程来说，信噪比会很差。

如图8、图9所示，图中红色曲线为目标信号，蓝色曲线为响应信号。图8采用10g量程的加速度传感器，目标信号与响应信号基本重叠，迭代精度较高；图9为采用50g量程的加速度传感器进行迭代的结果，显然其迭代误差较大。

图9 连续凹坑路信号4 小结

从文中所述实际案例中可以看到：传递函数与信号信噪比对迭代精度的影响是非常明显的。为了提高迭代精度，需要在进行实车数据采集时，选择合适的测量传感器，提高振动信号的信噪比；在进行路谱迭代过程中，应选择恰当的传递函数。

【1】 彭为，靳晓雄，孙士炜.道路模拟试验中道路载荷谱的选择方法[J].上海工程技术大学学报，2004，18(1):6-9.

【2】 杜永昌,管迪华.汽车道路动态试验模拟控制系统的研究与开发[J].汽车技术,1999(3)：16-18.

【3】 杜永昌.车辆道路模拟试验迭代算法研究[J].农业机械学报，2002，33(2):5-7.

Analysis of Influence Factors for Iteration Precision of Road Signal

GUAN Bo，HAO Fangnan，HUANG Sen，ZHANG Jiaochao

(Shaanxi Fast Gear Co.,Ltd.,Xi’an Shaanxi 710077,China)

The iteration precision of road signals has a great significance to the indoor road simulation test.How to improve the iteration precision has attracted more and more engineers’ attention.Through simulation tests,it was found that the frequency response function and the chosen sensors range were the main influence elements to the iteration precision.It provides guidance for improving iteration precision of road signal.

Road signal;Vibration table;Iteration precision

2014-11-25

关波(1982—)，学士，助理工程师，研究方向为振动噪声测量与控制。E-mail：dosios@126.com。