对标准发动机试验台系统进行动态道路负载测试的控制 错很多版

2006 年 SICE-ICASE 国际联合会议2006 年 10 月 18-21 日，韩国釜山国际会展中心对标准发动机试验台系统进行动态道路负载测试的控制秋山孝雄，山崎小林，泽田义正，正胜野村日本东京明电舍公司研发中心（电话：81354871581；电子邮件：akiyama-tmb.meidensha.co.jp ）日本群马县明电舍公司 测功机系统厂摘要：我们为动态道路载荷试验测试开发了一个新的发动机引擎试验测试平台系统。发动机引擎测试台系统的机械系统与和标准的发动机引擎试验台系统有着是相同的的机械系统。我们采用 I-PD-like 第三阶控制器，通过一个虚拟的车模和发动机引擎角速度测速仪估计控制器 I-PD-like 3rd 来实现对测试平台的控制它。虽然我们的发动机引擎试验测试平台台架系统能够在缺少传动系统或车身的情况下可以实现对引擎的多种测试，可是引擎负载时就好像是被安装在一个真实的车辆中。 除了被安装在汽车内，其它情况都可以在没有传动系统或车身的情况下做各种测试。关键词：发动机试验引擎测试台，轴转矩控制，虚拟车模1. 介绍近年来，缩短整车开发周期或者是通过增加零部件的完整度（例如引擎和变速器）减少车辆测试的需求在自动化工业的发展和研究过程中在不断的增加通过提高汽车零部件（如发动机，变速器）单一部分的完成程度，实现为一个完整的车辆缩短总开发周期或减少测试车辆的目的，从而增加了在汽车行业研究、开发过程中的需求。 【1】为了满足这一需求，就在汽车零部件开发阶段不仅要在静态中测试（在恒定的速度或横转矩的条件下进行测试） 。而且要设备在动态环境中的测试也是非常必要的， 就好像检测设备的动态测试环境，就像在汽车零部件发展阶段，每个部分都被安装或运行在一辆行驶中的车辆上，是车辆在道路上行驶的条件。在参考文献【1】中，报道一个以引擎作为测试单元的动态路段负荷载模拟器在动态环境下进行的测试把发动机作为一个试件记录在处于动态测试环境的测试设备之间。动态道路负载模拟器的机械系统配置在文献【1】的报告中提出了一个新动态道路负载模拟器的机械系统配置的机械系统的配置，这个配置利用一个高刚性轴和一个动态路段负载模拟器把发动机和测功机连接起来，从而获得一个约 100 赫兹的高级回应来控制轴扭矩。另一方面，传统的低刚度的发动机试验台，也就是那些把离合器和螺旋桨作为机械体统配置的试验台，也要求进行动态测试。在这项研究中，我们实现际了一种动态路段负载模拟器，这种模拟器（以下简称为 DRLS）可以在传统试车台上进行动态测试。这次开发的模拟器有以下几个特点：这个机 械系统的 配置是一 个低刚度 系统，相当 于传统的 试车台。因此，轴转矩的转矩脉动相当于一个真实车辆的转矩脉动。道路负载模拟器是装有测功机的在路上行驶的真实车辆，它也可评估在试车台上的车辆。轴转矩控制系统采用一个最小环循环。表 1 展示了 DRLS 系统的典型控制模式。 本这个论文报道了一个能进行为测功机的道路负载控制模式报告了的控制系统，该测功机能实现了 DRLS 系统的道路模拟功能（动态测试） ，并且这一结果已经得到了验证。测功机控制模式角速度 轴转矩 道路负载油门 角速度 发动机控制模式 行车速度 表 1 DRLS 控制模式2. 系统配置图 1 是显示一个完整的典型 DRLS 结构系统。待测试的发动机与测功机通过离合器，手动变速箱，螺旋桨轴，测量发动机负载转矩的轴扭矩测量表与测功机来连接在一起。此外，增量编码器安装在测功机上用来测量角速度。离合器总在始终使用中，并且传动齿轮的传动比总是保持在 1。实际的离合器和传动装置作为轴的一部分的传输函数， 该轴连接着发动机与测功机。DRLS 控制器由一个发动机控制单元和一个测功机控制单元组成。图 1 中的显示控制器是在道路负载控制模式中的测功机控制器。通过移动控制器中虚拟车模的传递模式的齿轮位置提供必要的动态测试转换操作。发动机的负载转矩取决于虚拟车模的这些条件（如传动齿轮的传动比和车辆速度） ，根据虚拟车模来估算负载转矩，且用作轴转矩命令值。然后，轴转矩即可控制在由转矩测量表测出的发动机的实际负载转矩内，遵循轴转矩的命令值。除了轴转矩控制循环和虚拟车模循环外，DRLS 控制器由发动机角速度的估计量和发动机的控制循环（车辆速度控制）这几种基本要素组成。图 1 DRLS 配置3. 轴转矩控制一般来说，发动机台架系统主要应用在测功机的恒定的角速度，并且和转矩上，根据测压功计元件中转矩根据负载单元转矩的的反馈来控制的。在发动机角速度剧烈的加速和减速时的动态测试都需要控制发动机的负载转矩，而不是测功机产生的转矩。因此，我们把轴转矩控制用作 DRLS 系统测功机的转矩控制。图 2 是一个 DRLS 系统机械特性的例子。如以上所述，由于离合器连接着发动机和测功机，DRLS 系统有一个共振特性，这个共振归因于离合器的弹簧特性。因此，我们运用有共振抑制作用的控制系统来进行轴转矩控制。如图 2所示，在 DRLS 系统的测功机扭矩命令值的发出和轴转矩检测值之间的相位滞后大概是由于机械系统的特点，这意味着它可以近似为一个二质量机械系统。尽管 H 控制在许多案例中用作共振抑制控制，我们把一个 像一个有共振抑制作用的 I-PD 控制一样的三阶控制器，类似一个带有共振抑制作用的 I-PD 应用于 DRLS 系统，表现在两个方面：一方面，非排除机械特性的相位特征是可以忽略的，另一方面，二质量系统模型允许取近似。此外，发动机负载扭矩是一个在最后发动机最后输出是一个的扭转力矩，但是转矩测量点被指定在是测功机最后输出的最后的指定值。根据机械系统的配置，离合器、变速器、螺旋桨轴的总惯性动量据估算是发动机和飞轮的10%。然 后而，对易变的扭矩控制（离合器扭矩）和易变的测量转矩（轴转矩测量计上的检测转矩值）的修正控制是执行来实现对发动机负载转矩的精确控制。这种修正控制通过增加检测值来获得，而增加检测值取决于通过减少测功机角速度来实现，而减少测功机角速度则通过和补偿轴转矩命令值的转动惯量的乘积来达到。图 3 是轴转矩控制系统的完整结构。 （K ,K , , ,K ）是有共振抑制作DP21I用的轴转矩控制的主要部分。 （K ， ）控制易变转矩控制盒测量的易变转C矩值之间的偏差修正。假设被控制的工件是二质量系统，一个封闭回路系数的特征多项式可以任意指定带有五个系数（K ,K , , ,K ） 。然后，能够定位DP21I所有闭环极点在实轴上指定系数使所有实轴上闭环极点的系数符合使共振能够抑制特性。我们确定的任务极点，以至于再 butterworth 特性附近的特征被获得从而用来防止来自极端延迟考虑的轴转矩控制反应， 可以获得 Butterworth 特征，之后 DRLS 轴转矩控制像闭环系统的一部分一样运转，包括虚拟车模，见图 1。图 4 显示了频率特性范围从是由发动机负载转矩在轴转矩控制中指令值得出的频率特性倍率，指令值由轴转矩控制在到轴转矩检测值中。尽管图 2 中的每一个机械系统的特点性从都显示出一种共振特性，它从低范围增益倍率增加了约 20 分贝获得在大约为 10 赫兹频率值，增加了约 20 分贝， ，可是在轴转矩控制后的共振得到了有效被抑制了。此外，图 4 所示获得的低倍率范围增益不是 0 分贝，而是大约 1 到 2 分贝。这来自于是由转动惯量的补偿效应推出的。图 5 是空转测试的结果。在这个测试中，发动机油门在短时间内被完全打开时，发动机的角速度快速增加。把轴转矩控制指令值用 DRLS 设置在 0 Nm，单一发动机的测试结果和轴转矩控制指令值的测试结果对比，用来判定包括转动惯量补偿的轴转矩控制是否包括转动惯量的正确恰当补偿 工作。图 5 所显示的一个低于两种单一发动机状态和 DRLS 系统控制 的角速度的斜率 与图 5 所示的在 DRLS 系统控制中斜率的比较，表明了双方都显示出几乎相同程度的加速和减速，并且在 DRLS 系统的控制中，发动机几乎没有负荷。图 2 机械系统的特性图 3 DRLS 的控制器 ATR图 4 轴转矩控制的特点图 5 空转测试4. 虚拟车型图 6 是一个虚拟车模的图解表示。本文提出的根据有关离合器、变速器、车辆速度、和其他因素，一个虚拟车模是为了根据有关离合器、变速器、车辆速度、和其他因素的陈述来计算发动机负载转矩。此外，一个虚拟车型中离合器的函数只在没有弹簧特性的情况下仅仅起作用在连接或分离。如图 6 中所示，输入信号进入一个虚拟车型代表发动机的角速度，处处输出信号代表发动机的负载转矩。另一方面，为了简化发动机的变化，或者达到其他目的 DRLS 系统只检测测功机的角速度，不检测测试发动机角速度的功能，是为了简化发动机的变化，或者达到其他目的。在这种情况下，把虚拟车模中测功机角速度的直接输入虚拟车模作为发动机角速度的等效信号一个由引起车模的特性和轴转矩的控制相互作用引起的发动机角速度的信号，从而导致不稳定闭环特性。为了稳定这一现象，从测功机的角速度中估计发动机的角速度从测功机的角速度中估算，检测轴转矩和轴转矩指令值，最后的结果被输入虚拟车模。图 7 是发动机角速度估计的结构示意图。图 6 车辆模型的图解图 7 发动机角速度的估计5. 模拟驱动测试图 8 是装有 DRLS 系统的模拟驱动测试的测试结果。在模拟驱动测试中，车辆速度被控制在预定速度图左右，同时，废气和耗油也进行测试。在日本，把耗油量在 10 到 15 的行驶车辆归类在小汽车里模拟循环记录进了汽车目录。图 8 所示的汽车速度是速度图的一部分，叫做 US06 模式。这些驱动测试模式通常必须是一个有整车的测试，并且可以在底盘测功机上测试。DRLS 系统使能执行单一引擎的模式驱动测试模式有一个简单的发动机机身。此外，通过修改传播特性的对比测试很难被用来处理在真实车辆的模式驱动测试模式中很难进行。 ， 然而，通过改变装有 DRLS 系统的汽车零部件的参数进行的对比测试（如传动齿轮的传动比）则，这样容易处理真实车辆的模式驱动测试测试，因为汽车零部件意而不是外的发动机被包括在控制器里作为测试由数学公式控制。图 8 所示的轴转矩指出了，发动机转矩的脉动并没有出现不在轴转矩上出现，但而是由于 DRLS 系统的低刚度的机械系统配置，它 相当于等效于一个实际的车辆。然后，发动机启动失败熄火或者其他现象都通过轴转矩脉动的监测来测量，很难用高刚度的系统来测量，而一个低刚度的 DRLS 系统可以使其像在常规的试车台上一样进行测量。另外，虽然未列在这篇本文章中说明，我们已开发出一个可以使发动机先被指令值控制后被驱动力控制的新的控制系统，在这个系统中发动机能够通过第一输出指令值和后被驱动力控， 因而实现平滑的控制，就像被一个测试车手操作一样可以平