汽车车桥模拟加载系统特性分析薛华1，王慧21 辽宁工程技术大学职业技术学院，辽宁阜新（123000）2 辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新（123000）E-mail：xuehua601229@摘要：本文建立了摸拟汽车发动机驱动二次元件的转速控制系统和车桥轮边加载二次元件的转矩控制系统的数学模型。

在此基础上，对校正前后的转速和转矩控制系统进行了开环频域特性分析。

并利用MATLAB软件，对该系统进行了输出响应特性仿真，依此对系统的控制精度和响应特性进行了较为详细的分析。

所得有关结论，为汽车车桥二次调节模拟加载系统的设计提供了依据。

关键词：车桥，模拟加载，二次调节，转速转矩控制1. 引言随着汽车行业的不断发展，对各种汽车车辆的工作性能和可靠性等方面的要求也越来越高，尤其是在特殊路况和工作条件下运行的越野，大型重载等汽车，这方面的要求就更高。

对于这种汽车来说，其总体工作性能和可靠性等，很大程度上取决于它的发动机和车桥。

发动机为成型产品，其工作性能和可靠性等指标均已通过严格检测，汽车设计时按要求选择即可。

而车桥是另行设计的，因此为了提高汽车的工作性能和可靠性，应将重点放在车桥上。

对于新设计制造的车桥，需要利用专门的高动态性能固定试验台对其进行模拟加载试验，检测各项工作性能和可靠性指标是否满足要求。

由于车桥的工作参数变化范围大，工况复杂多变，要对其进行接近实际条件下的全面试验，在普通试验台上是很难完成的。

本文采用一种新型的二次调节液压伺服模拟加载试验台，这种试验台利用了近年来发展起来的二次调节技术[1]。

二次调节是一种带压力耦联的新型液压传动系统，它类似于电力传动，多个负载可并联工作于一个恒压网络，各负载之间彼此互不干扰。

它不仅具有良好的动静态特性，而且还可以实现能量的回收和重新利用，并在控制上提供新的控制规律和控制结构。

因此将这种二次调节液压伺服试验台用于汽车车桥的模拟加载试验是理想的。

2. 模拟加载系统的组成与原理二次调节液压伺服试验台由恒压油源及管路系统（一次单元）、模拟加载系统（二次单元）、控制系统、机械支架及试验平台四部分组成。

其中模拟加载系统为整个试验台的核心USUSS图1 二次调节模拟加载系统的原理图Fig. 1 Principle diagram of the load simulation system with secondary regulation部分，其组成与原理如图1所示。

该加载系统是将多个二次元件以压力耦合方式并联于恒压 网络上，各二次元件同电液伺服阀和变量油缸组成二次调节基本单元，通过调节二次元件的排量参数来适应外负载转矩和转速的变化。

二次元件1用来模拟发动机驱动轴动力，为转速控制方式；二次元件2、3分别用来模拟输出轴左、右两轮边负载，为转矩控制方式。

3. 模拟加载系统的数学模型该系统包括多个电液伺服阀、变量油缸、二次元件、转矩转速传感器、变速器和加载对象传动桥，分别列写出它们的有关力学物理方程，将有关参数值代入并进行拉氏变换，经简化整理，最后得到以方块图形式表示的系统数学模型，如图2所示[3]。

由图可见，该系统为12图2 二次调节模拟加载系统的方块图Fig. 2 Block diagram of the load simulation system with secondary regulation三输入三输出系统，V r1∼N 1部分对应于二次元件1，用来模拟发动机驱动，为转速控制子系统； V r2∼M 2、V r3∼M 3部分对应于二次元件2、3，用来模拟左、右轮边负载，为转矩控制子系统。

4. 模拟加载系统的频域特性分析当系统未加PID 控制器校正时，转速和转矩控制子系统的开环传递函数分别为：)117444.02174)(133.35)(112.0(11.37)(22+×+++=S S S S S G nk (1))117444.02174)(133.35(22.0)(22+×++=S S S S G mk (2) 由式（1）、（2）可知，转速和转矩控制子系统均为0型有差系统，为了提高系统的控制精度，需对其进行校正。

利用如上两式画出系统开环伯德图，如图3所示。

其中，图（a ）为转速控制子系统校正前的开环伯德图，图（b ）为转矩控制子系统校正前的开环伯德图。

由图（a ）可查得转速控制子系统的幅值裕量为37.3dB ，相角裕量为83.5°，穿越频率为4.2 rad/s 。

由此可见，转速控制子系统为稳定系统，且稳定裕量较大。

但穿越频率较低，为了提高系统响应速度，也需对系统进行校正。

由图（b ）可见，转矩控制子系统的幅频特性曲线在0dB 线以下，转矩控制子系统不能工作，因此需调整控制器参数，提高系统开环增益，并对系统进行校正。

Frequency (rad/sec)P h a s e (d e g )M a g n i t u d e (d B )101010101010Frequency (rad/sec)P h a s e (d e g )M a g n i t u d e (d B)10101010(a) (b)图3 校正前转速和转矩控制子系统的开环伯德图Fig.3 Open-loop bode diagrams of the rotational speed and torque control systems without compensator当系统加PID 控制器校正后[2]，转速和转矩控制子系统的开环传递函数分别为：)117444.02174)(133.35)(112.0()145.0(32.78)(22+×++++=S S S S S SS G nk (3))117444.02174)(133.35)(11.0()135.27)(105.0(53.10)(22+×+++++=S S S S S S S S G mk (4) 由式（3）、（4）可知，经校正后，转速和转矩控制子系统由原来的0型有差系统变为I 型一阶无差系统。

利用如上两式画出系统开环伯德图，如图4所示。

其中，图（a ）为转速控制子系统校Frequency (rad/sec)P h a s e (d e g )M a g n i t u d e (d B )Frequency (rad/sec)P h a s e (d e g )M a g n i t u d e (d B )(a) (b)图4 校正后转速和转矩控制子系统的开环伯德图Fig.4 Open-loop bode diagrams of the rotational speed and torque control systems with compensator正后的开环伯德图，图（b ）为转矩控制子系统校正后的开环伯德图。

由图（a ）可查得转速 控制子系统的幅值裕量为7.9dB ，相角裕量为56.9°，穿越频率为17.8 rad/s 。

校正后，系统仍有足够的稳定裕量，而系统的穿越频率提高为原来的4倍以上，系统响应速度加快。

由图（b ）可查得转矩控制子系统的幅值裕量为6.0dB ，相角裕量为90.2°，穿越频率为23.3 rad/s 。

校正后，系统获得了满意的稳定性和响应特性。

5. 模拟加载系统的输出响应特性分析对如图2所示的模拟加载系统数学模型，利用MATLAB 软件进行特定输入下的输出响应特性仿真。

仿真结果如图5所示。

图(a)、(b)分别为转速、转矩控制子系统的输入曲线；图(c)、(d)分别为转速、转矩控制子系统的输出响应曲线。

各输入、输出曲线分为三段：0∼10s 间的左段，转速、转矩控制子系统均为阶跃输入，对应的输出曲线段，用于考核系统的控制性能；10∼25s 间的中段，转速控制子系统为方波输入、转矩控制子系统为常值输入，对应的输出曲线段，用于考核转速控制子系统转速波动对转矩控制子系统的干扰特性；30∼45s 间的右段，转速控制子系统为常值输入、转矩控制子系统为方波输入，对应的输出曲线段，用于考核转矩控制子系统转矩波动对转速控制子系统的干扰特性[4]。

0.51 1.52 2.53 3.5 (a) (s)(v )(b) (s)(v )250 500 750 10001250150017502000(c) (s) (r p m )(d) (s)(N .m )图5 模拟加载系统的输入和输出响应曲线Fig.5 Input and output response curves of the load simulation system由图（c ）、(d)的左段输出曲线可得，转速控制子系统无超调，稳态误差小于0.5%，调节过度时间为0.5 s ；转矩控制子系统无超调，稳态误差小于0.5%，调节过度时间为0.2 s 。

可见系统的控制精度很高，响应速度很快。

由图（c ）、(d)的中段输出曲线可得，转速控制子系统的最大动态波动误差为2%左右；在转速控制子系统速度波动的干扰下，转矩控制子系统的最大动态波动误差为1%左右。

由图（c ）、(d)的右段输出曲线可得，转矩控制子系统的最大动态波动误差为1.5%左右；在转矩控制子系统转矩波动的干扰下，转速控制子系统的最大动态波动误差为4%左右。

由此可以看出，转速和转矩控制子系统间存在相互干扰问题，且转矩对转速的干扰大于转速对转矩的干扰。

6. 结论(1) 转速和转矩控制子系统在加入控制器以前，均为0型有差系统，需进行校正。

(2) 加入控制器校正后，各系统均由原来的0型有差系统变为I 型一阶无差系统。

在保证有足够的稳定裕量条件下，显著提高了系统的穿越频率，使系统响应速度加快。

(3) 由仿真结果表明，该二次调节模拟加载系统具有很高的控制精度和响应特性。

(4) 为了进一步提高系统的控制性能，还应重点解决转矩控制子系统转矩波动对转速控制子系统的干扰问题。

参考文献[1]田联房. 次级调节伺服加载试验台研究. 机床与液压，1999（2）[2]姜继海. 二次调节静液驱动转速PID 控制及其试验研究. 工程机械，2001（11）[3]王慧, 李洪人. 特种车辆传动桥二次调节模拟加载试验台的耦合影响与解耦. 机械工程学报，2004[4]Wang Hui, Zhang Chengxiang, Wei Liang. Coupling Effect and Decoupling of the Servo Loading System for the Transmission Bridge of Heavy Vehicle. Proceedings of the 2007 international Conference on Advances in Construction Machinery and Vehicle EngineeringThe characteristic analysis of the load simulation system ofthe vehicle transmission bridgeXue Hua，Wang HuiCollege of Mechanical Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin (123000)AbstractEstablished in this paper are the mathematical model of the rotational speed control system of the driving secondary units which simulate the vehicle engine, and the torque control system of the loading secondary units which simulate the wheel edge of the transmission bridge. Based on this model, the open loop characteristics of the rotational speed and torque control system with or without compensation respectively are analyzed. With MATLAB, the output characteristics of the system are simulated , and according to this，the control resolution and the output characteristics of the system are analyzed in detail. The conclusions of this paper provide guidance to the design of load simulation system of vehicle transmission bridge with secondary regulation.Keywords：Transmission bridge，load simulation，secondary regulation，rotational speed and torque control。