道路模拟器如何实现道路模拟

前言

写这篇文章的源头是在没接触道路模拟器之前，被一大堆名词唬懵了，什么“传函”，“迭代”，“非线性”等等。其实接触过之后，发现它们并没有想象中那么难理解。我希望这篇文章能让大家以后在看到这些名词的时候有一幅比较清晰的图景，对道路模拟的核心流程能有一个大概的初步了解。

本篇文章主要以液压道路模拟器(4-poster, 四立柱振动台)为对象进行介绍，内容主要是道路模拟的核心过程，没有完整的试验流程，也不会特别的深入。对该方面内容特别熟悉的同学可以略过。

关于频响&传函/迭代/非线性/耦合

首先我们来介绍几个“行话”。

关于频响和传函。我在文章《传递函数和频响函数的关系》中已有比较详细的介绍，大家可以移步看一下。严格地说，我们在道路模拟器用到的是频率响应函数FRF(Frequency Response Function)。但是一，把苹果说成是水果也是可以的；二，地上本没有路，走的人多了，也便成了路。所以这里称为频响或者传函都是可以的，无伤大雅，但个人推荐还是称为频响函数。

关于迭代。迭代就是一个重复过程的行为，每次迭代的结果就是下一次迭代的起始点。我举个for循环的例子大家应该就很明白了。其实想得简单点就是这样，没什么神秘。

for i from 1 to 3
{ a= a+i;}

关于非线性。广义上看，线性系统是指其解满足线性叠加原理的系统；反之则是非线性系统。举个简单例子，Y=2X就是线性的，而Y=X2就是非线性的。对于线性系统，我们有经典成熟的理论可以运用。所以即使是非线性系统，我们也总是追求利用线性方法近似求解，因为工程上总是追求越简单越好。

关于耦合。不同的领域有不同的定义，在我们这里，是指两者之间的相互独立性，可不可以通过相互作用传输能量。比如左前轮的输入除了作用于左前轮输出，是否还影响右后轮的输出？如果影响，说明有能量传输，两者之间存在耦合。实际上，我们知道这种耦合肯定是存在的，只是强耦合还是弱耦合的区别。做悬置的同学应该对这个概念非常熟悉。

道路模拟器简介

道路模拟器就是通过液压控制系统来精确地模拟重现车辆在道路操作时的力和运动。道路模拟器试验不受场地，天气以及人员等影响，而且配以环境仓还可以模拟各种试验场景。在下线质量检查，NVH，疲劳耐久等方面都有广泛应用。


图1 道路模拟器

道路模拟器是一个较复杂系统，包含了非常多的子系统，如控制器（D/A转换，PID控制），电液伺服阀，各类传感器等等。整体上，该系统是一个非线性系统。特别的，如图1所示，如果我们将汽车轮胎，悬架等考虑在内，这种非线性会体现地更为明显。但是，经过试验和经验积累发现，实际上用线性系统的方法，再加上一些特别的工具，我们大部分情况下能够最终把误差控制在可以接受的范围内。所以，我们对道路模拟器的系统分析使用的是线性系统的理论。

道路模拟的基本思路

道路模拟器是一个多输入多输出系统，如图2所示。这个系统的输入输出是什么呢？输入就是作动缸的动作（时域表现为不同的位移曲线），输出就是我们路试得到的载荷谱，比如轴头振动加速度，悬架位移及危险点应变等。


图2 输入，系统及输出

现在，目标输出是已知的（经过采集，编辑处理过的载荷谱），目标输入和系统特性是未知的。我们需要给系统目标输入，然后得到我们想要的目标输出。但现在一个因子已知，两个因子未知，这是不可能求解的，所以我们需要先求出系统特征，然后求得目标输入。

有什么方法求得系统特征呢？前面提到了，我们使用的是线性系统的方法。其中我们用得最多最熟悉的是频响函数FRF，我在另一篇文章《聊聊加速度值和牛顿第二定律》中介绍到了这个概念，感兴趣的可以移步看下。该FRF和模态试验中的FRF本质上没有什么区别，只不过模态试验输入的是力锤或激振器的力，而道路模拟器的输入是作动缸的位移；模态试验输出的是所布置测点的振动加速度，而道路模拟器输出的是载荷谱所在测点的振动加速度，位移或者应变等。

在道路模拟器中，求频响函数一般有两种方法，单通道激励和多通道激励。这两种方法各有优劣，我们不细讨论。值得注意的是，我们前面讲到的耦合。以轴头振动加速度为例，从求得的频响函数中可以看到，左前轮输入和右后轮输出是有弱耦合的。这种耦合用数学语言处理就是频响矩阵H。


图3 求解过程简略说明

现在系统特性有了，目标输出有了，就可以估计目标输入了。我们求解出H-1，和目标输出一起估算目标输入。

这里需要注意两点。一是我们每次通过估计输入得到输出的步调不能太大，因为系统是非线性的。迈的步子太大，容易导致迭代不稳定。每次迭代的系数（小于1）有经验值，也可通过自己的经验积累设置；二是我们的目标输入是通过反卷积运算得到的，这里又是另一个话题，不展开讲。

到这里，我们告一段落，可以用一个很简单的算术题来说明本文所想阐述的核心过程。1*H=2，通过求解H我们得到系统特性；通过 目标输出/H 得到我们想要的目标输入。

小结

道路模拟的整个核心流程从宏观上并不难理解，当然如果再深入细节那就是另一番天地了。而且道路模拟器试验所需注意的细节非常多，本文无法全部包括。但我希望所有的特别是刚入行的试验工程师，在工作的过程中不但能有鱼之悦，而且能有渔之乐。