简易瞬态工况底盘测功机控制系统理论设计.pdf

2008年第4期(总第106期) 内燃机与动力装置ICE&008年8月【测试技术】简易瞬态工况底盘测功机控制系统理论设计黄万友1，牛洪成1，李娟1，赵玉军3。程勇1，唐向臣2，赵炎军2(1山东大学能源与动力工程学院，济南250061；2济南新凌志科技发展有限公司，济南250100；3山推工程机械研究院，济宁272023)摘要：参照005中简易瞬态工况法的规定，在对现有的测控系统进行改造的过程中，对简易瞬态工况底盘测功机控制系统进行了理论设计，分析了人机复合控制系统中的硬件设计和相应控制策略，提出了基于自动驾驶系统的测控方案。利用相应的硬件电路实现转矩的快速调节；采用电模拟技术对汽车行驶阻力和惯量进行模拟；综合应用预测控制、模糊控制和解耦控制理论，对底盘测功机力矩进行加载。理论分析与试验结果表明，系统有较快的响应速度，底盘测功机可以按照自动设定的测功机载荷进行控制。关键词：惯量电模拟；电涡流测功器；模糊控制；底盘测功机控制系统中图分类号：文献标识码：673639008)04004206an uah50061；250100；372023)n of e of is on 005 of a on is is to to of is by of of a be to 票曩霎笔舌琶雾；主簇要辇鬻警萎纂薹暑嘉雾雾目前在用汽油车排放检测方法主要有怠速法、 化油器汽车利用工况法检测利用怠速作者简介：黄万友(1983一)，男，汉族，山东淄博人，在读硕士研究生，研究方向为车用内燃机电控技术。万方数据2008年第4期 黄万友，等：简易瞬态工况底盘测功机控制系统理论设计 43此法也不能反映排放，但由于其简单易行且成本低，目前在我国广泛用于检测在用汽油车排放。工况法是在汽车有荷载的情况下进行排放测试，利用底盘测功机模拟道路行驶阻力，汽车按照一定速度，并克服一定的阻力，走完试验工况曲线，可以测量尾气中的污染物含量。它同新车排放测试方法相比，采用的设备仪器做了简化，试验时间也缩短许多，使得测试成本大幅度降低，故称简易工况法。5(点燃式发动机汽车排气污染物限值及测量方法(双怠速法及简易工况法)规定简易瞬态工况法汽车尾气排放测试在底盘测功机上进行，试验工况循环为图1所示。为保证试验条件和实际道路行驶工况相一致，工况法排放测试用底盘测功机不仅要能模拟汽车等速行驶时的道路阻力，而且要能模拟汽车变速行驶惯性力。为降低费用，简易瞬态工况法排放测试普遍使用风冷式电涡流双滚筒底盘测功机。风冷电涡流测功机存在转矩响应速度慢，转矩与励磁电流、转子转速关系复杂和测功器参数时变显著等不足，目前国产底盘测功机一般采用惯性飞轮组来模拟汽车惯量，其结构复杂，体积庞大，调整困难，特别是不能实现无级调整，模拟精度差，不能满足简易瞬态工况法测试的需要。机械惯量电模拟功能的引入，增大了测功器阻力矩设定值的变化范围，加剧了变化速度，对系统的响应速度提出了更高的要求【l J。时间其对环境的保护起到极大的的监督和推动作用。1系统总体设计汽车尾气排放状况与发动机工况紧密相关，为保证排放测试精度，必须控制试验车速和汽车行驶阻力的模拟误差。试验工况控制系统整体上是一双输入双输出系统，输入分别是发动机油门开度和电涡流测功器励磁电压，输出分别是测功器阻力矩(模拟汽车行驶阻力)和测功机的滚筒转速(对应车速)。为简化控制器设计，一般对双输入双输出系统分解为两个单输入单输出回路。本文主要阐述人机复合控制系统。11人机复合控制系统汽车底盘测功机的滚筒系统模拟道路路面，风冷电涡流测功器是加载装置，用于模拟汽车行驶阻力，滚筒轴与测功器轴直接相连。司机助亦称驾驶员引导装置，其上显示被检汽车要求的运行工况、实际运行状态及必要的操作提示，引导驾驶员的操作。被测汽车驱动轮安置在底楹测功机的滚筒上，试验过程中，驱动轮在发动机输出转矩作用下带动滚筒转动，驱动轮与滚筒无打滑现象。系统工作过程中，工控机通过滚筒轴上的转速传感器和转矩传感器实时测量汽车行驶速度和测功器加载力矩，根据试验工况汽车行驶阻力模拟的要求，自动调节整流调压模块的输入电压改变测功器的励磁电压，实现测功器阻力矩的控制；同时，工控机将实测车速和阻力矩送到司机助，测试驾驶员从司机助获取信息以试验车速为目标控制发动机油门开度J。人机复合控制系统如图2所示。图2人机复合控制系统简图12自动驾驶控制系统图3自动驾驶控制系统简图对于车速的控制利用自动驾驶系统(包括油门执行器和自动刹车装置)来控制。工作简图如图3万方数据内燃机与动力装置 2008年8月所示【引：对于底盘测功机加载力矩的控制，同人机复合控制系统。即：根据简易瞬态工况汽车行驶阻力，自动调节可控硅模块输入电压改变底盘测功机阻力矩，实现对测功动驾驶系统包括油门执行器和自动刹车装置，油门执行器主要由直流力矩电机和拉线机构构成，汽车发动机油门执行器内部安装与电机旋转方向相反的拉力弹簧，控制系统通过功率驱动电路调节电机线圈中电流大小来调节其输出力矩，不同的输出力矩可以通过与其内部拉力弹簧反力矩相平衡而稳定在任意恒定位置。油门执行器通过与发动机油门相连来控制其油门位置，发动机在不同的油门位置时发出的功率不同，直接改变发动机转矩和转速输出。根据005点燃式发动机汽车排气污染物限值及测量方法(双怠速法及简易工况法)规定：如果减速时问比相应工况规定的时问长，则允许使用车辆的制动器，以使循环按照规定的时间进行【9J。自动刹车装置的原理与油门执行器类似。通过自动驾驶装置可以调整车速按照循环规定的车速进行，不需要有经验的驾驶者利用司机助进行驾驶，在测试过程中且测试结果有较好的可重复性心J。2系统控制方法硬件设计图4底盘测功机控制系统示意电路图底盘测功机控制系统框图如图4所示，对于人机复合系统，驾驶员控制车速，车速控制误差要求在2km涡流测功器吸收转矩，必须根据规定的车速和车辆参数，按照预先自动设定的测功机载荷进行控制。瞬态工况法试验控制系统是一随动控制系统(或跟踪系统)，要求控制系统的输出(车辆速度和加载转矩)，跟踪随时间变化的设定的车速和转矩，系统主要性能要求是动态响应速度快。工作过程简述如下：工控计算机根据预先在测功机上测得的卜U。数据，通过到运算放大单元，拉压传感器把测得的实际转矩反馈到模糊控制器，其与理论值的偏差和偏差率作为模糊控制器输入，调整而通过可控硅模块调整底盘测功km变底盘测功机转矩到合适的范围内。21运算放大单元图5为运算放大单元电路图，其中，为工控计算机通过，应车速)和输出转矩的变化，测功器产生的阻力矩受励磁电压和滚筒转速共同影响。忽略电涡流的电枢反应和励磁线圈磁滞，假设线圈和转盘材料的导电系数和导磁系数为常数，则根据异步电机电磁理论，稳态模型可以简化表示为： 耻棼式中，后，k：为常数，取决于测功器的结构和材0 料3I。通过运算放大器直接对反馈转矩进行调节，省却了传统控制中通过过实验证明了底盘测功机响应快速，能够达到005的要求。这就达到了在不影响响应精度的前提下，提高了系统的响应速度，这从总体上提高了整个系统的性能。22可控硅模块单相半波可控整流电路如图6所示，结构简单，调整方便，使用元件少。通过变压器将触发电路与主同路接在同一电源上，所以每当主电路的交流电压过零值时，单接晶体管上的电压也过零值，两者同步。如果这时电容器上还有残余电压，可通过变压器很快放掉，以保证电万方数据20呕年第4期 黄万友，等：简易瞬态工况底盘测功机控制系统理论设计容器在每一半波之初从零开始充电。这样，才能使每半周产生第一个脉冲的时间保持不变，从而使可控硅的导通角和输出电压平均值保持不变。根据电位器而控制町控硅的导通角。单结晶体管触发电路输出的脉冲电压的宽度，主要决定于电容器放电的时间常数。放电快，触发脉冲的宽度小，不能使可控硅触发。因为可控硅从阻断状态到完全导通需要一定的时间，一般在10以触发脉冲的宽度必须在10坤以上，并且脉冲电压的幅度也应在合适的范围内【4J。图6由单结晶体管触发的桥式整流电路23电涡流测功器”起空气问隙磁通变化，从而在涡流环感应产生涡流，而这些涡流产生的磁场又产生一个与转子转动方向相同的转矩，由于反作用，转子产生一个与它自己转动方向相反的转矩，该转矩是转子转速、磁场电流和机器参数的函数，所有输入的功率全部转化成热量耗散。电涡流测功器有如下特点：(1)便于远距离控制和自动控制。转矩由改变励磁电流来调节，能够实现快速精确调节，而且便于远距离控制。(2)适于高速。涡流测功机的转子是一个整体，上面没有其他附属物，便于高速旋转。(3)扩大了低速时的测鼍范围。在低速时制动转矩比较大，这一优点大大扩大了转速测量范围。(4)结构简单，使用方便，成本低。电涡流测功器和直流测功机相比较没有复杂的绕组加工，也不需要一套供电机组，所以制造比较简单。另外成本较低，用电最少，维护比较方便，尽管电力测功机可以采用发电反馈来补偿成本，但是费用仍然比涡流测功机大得多。24试验结果之000 10000 15000 20000采样点数(c)摹Z嵌辩擎餐，乏墩蜒擎瞽图7电涡流测功器的动态特性为测得电涡流测功机的响应速度，利用变频器控制电动机反拖电涡流测功机，对风冷电涡流舣滚筒底盘测功机力矩进行阶跃加载，利用运算放大单元实现硬件反馈调节。测功器吸收转矩测量的采样频率为100V、一14V。试验结果如图7(a)和图7(b)所示。底盘测功机吸收转矩曲线后半段的波动，可能由两个原因引起：一可能为电涡流双滚筒底盘测功5姆口议魁505墩辩擎餐柏筇如巧加盆设魁万方数据内燃机与动力装置 2008年8月机台架的振动引起；二可能为运算放大单元自身调节输出的波动引起，有待进一步的试验验证。图7(c)中，测功器吸收转矩和验结果原始波形如图7(c)所示。懈100擎螫50O， 时间8底盘测功机吸收转矩与车速的关系由图8可知，采用运算放大单元可以实现横转矩控制。当车速下降时，底盘测功机吸收转矩基本不变。试验结果见图8。3系统控制方法软件设计31汽车行驶阻力和惯量的电模拟原理汽车排气污染物工况法测试，在汽车底盘测功机上进行，通过滚筒对汽车驱动轮加载，模拟汽车道路行驶阻力，使汽车在规定的工况下运行。由于汽车排气污染物排放值与汽车发动机工况密切相关。因此，汽车在底盘测功机上进行测试时行驶阻力和惯量的模拟精度，直接影响测试结果的准确性。汽车在水平道路上等速行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力所受总阻力F=F，+F，由汽车理论可知： 汽车总重量，N；厂-一滚动阻力系数。但在滚筒式测功机上，由于汽车驱动轮带动滚筒转动，克服了该车轴上车轮受到的滚动阻力，但从动轮未滚动，因此在涡流测功机上模拟的滚动阻力只有G：而空气阻力为F。为：一 oAu5 、一7式中：空气阻力系数；A迎风面积，此可求得模拟阻力为：p 2 _H,a (3)汽车在平坦道路上加速行驶时，除了克服滚动阻力和空气阻力外，还必须克服汽车的加速阻力，在底盘测功机上运行时，还要考虑底盘测功机当量惯量等，此时模拟阻力为： 2 F=G2 +(詈帆一L)晋(4)式中：g重力加速度，98m，。底盘测功机滚筒和电涡流测功器转子的转子动惯量，Nm，忱汽车从动轮当量惯量，Nm孑；J，行驶加速度，耐进行加速性能测试时，阻力计算见式(4)。仍选用恒转矩控制方式，每隔一定时间间隔厶，就检测一次车速，并计算出加速度和应施加的阻力矩，而在要选取的时问间隔合适，就可以实现汽车加速行驶时的阻力模拟【6。汽车速度和电涡流测功器吸收转矩，必须根据规定的车速和车辆参数，预先自动设定测功机载荷进行控制，车速控制误差要求在2km涡流测功器吸收转矩，在测功机控制系统发出命令后，200毫秒内转矩响应达到指定值的90，并且在300毫秒内达到指定转矩，误差不得超过2，最大转矩冲击值不得超过转矩指定值的25【9】。显然，从控制角度看，瞬态工况法试验控制系统是一随动控制系统(或跟踪系统)，要求控制系统的输出(车辆速度和加载转矩)，跟踪随时间变化的设定的车速和转矩，系统主要性能要求是动态响应速度快。另外，机械魄量电模拟功能的引入，增大了测功器阻力矩设定值的变化范围，加剧了变化速度，对系统的响应速度提出了更高的要求口】。为解决电涡流测功器转矩响应速度慢和系统要求响应速度快的矛盾，采用动态矩阵控制。它以从生产现场检测到的对象阶跃响应作为动态模型，进行滚动优化和反馈校正，有较好的瞬态跟踪性能和对模型失配的鲁棒性，而且算法比较简单，计算量较少【7】。为尽量消除非线性和时变对控制品质的影响，采用模糊自校正方法对阶跃响应动态模型进行在线校正。测功机转矩受励磁电流和转速共同影响，测试结果表明在车速小于30km功机转矩受转速影响较大。为降低耦合对测功器万方数据2008年第4期 黄万友，等：简易瞬态工况底盘测功机控制系统理论设计吸收力矩控制的影响，系统采用反馈预测补偿解耦控制3f。32模糊控制模糊控制是一种建立在模糊数学理论基础之上的基于规则的智能控制方法，它的理论方法、实现技术都和传统的控制理论和技术有极大的区别，作为一种较新的智能控制方式，模糊控制也要遵循一定的规律和法则，也即模糊控制具有一种与之相应的机制和原理。一般模糊控制的系统结构如图9所示：图9一般模糊控制系统结构图工控计算机 汽车转速输 转矩反馈瓣倒期误差和误差变化率作为输入变量的二维模糊控制器，由于能够较严格的反映受控过程中输出变量的动态特性，而控制规则的算法又相对简单，因此这类结构的模糊控制器目前被广泛应用，本文控制器选择的是二维模糊控制器，结构简图如图10所示。在硬件设计中，已经实现了对电涡流底盘测功机的恒转矩控制。底盘测功机吸收转矩值与工控机发送此对底盘测功机力矩的控制就转化到对工控机发送糊控制器原理如图11所示【8。它的输入语言变量为被控量与给定值的误差本文中二维模糊控制器的工作过程如下：(1)计算控制变量：采集底盘测功机力矩值，进差和偏差变化率)(2)模糊鼍化处理：将输入变量根据相关的模糊规则模糊化处理，即完成被控制对象有关状态的精确量向相应模糊量的转换。! 模糊推理(计算机)日切田)模糊决策：根据变量和模糊控制规则，按照模糊推理合成规则，计算出模糊控制量。(4)反模糊化处理：由模糊控制量计算出精确的控制量结论对简易瞬态工况底盘测功机控制系统进行了理论分析，在人机复合控制系统的基础上，提出了自动驾驶控制系统。引入了运算放大单元，使系统有较快的响应速度。汽车在底盘测功机上进行测试时，对行驶阻力和惯量采用电模拟技术。利用模糊控制对底盘测功机吸收转矩进行控制，理论上可以达到较好的效果。电涡流测功机不能模拟减速惯性力，汽车换档时随电模拟惯量的增大，车速以更快的速度下降，可能导致车速超调。参考文献：1闵永军，张为公，翟羽健简易瞬态工况底盘测功机控制系统的研究J测控技术，2006年第25卷第9期：34372N 0N 016，37555，19963阂永军车辆排气污染物测试技术研究与工程实现D南京：东南大学，20064秦曾煌电工学(下册)电子技术(第五版)M，北京：高等教育出版社，19999 1821855张子君电涡流测功机J汽车技术，1979年第2期：49一毙6姚锡凡，周锋，尹锡权，许爱民汽车行驶阻力的计算机模拟及其在底盘测功机上的实施J新技术新工艺，2000年第2期：247舒迪前预测控制系统及其应用M北京：机械工业出版社，199883张为春，曾祥军基于模糊农业机械学报，2006年12月第37卷第12期：1719，45982852005，点燃式发动机汽车排气污染物限值及测量方法(双怠速法及简易工况法)万方数据简易瞬态工况底盘测功机控制系统理论设计作者： 黄万友， 牛洪成， 李娟， 赵玉军， 程勇， 唐向臣， 赵炎军， 黄万友,牛洪成,李娟,程勇,I 东大学能源与动力工程学院,济南,250061)， 赵玉军,推工程机械研究院,济宁,272023)， 唐向臣,赵炎军,南新凌志科技发展有限公司,济南,250100)刊名： 内燃机与动力装置英文刊名： (期)： 2008，(4)被引用次数： 1次参考文献(9条)易瞬态工况底盘测功机控制系统的研究期刊论文006(09)N N 996(05)辆排气污染物测试技术研究与工程实现 工学(下册)电子技术 涡流测功机 1979(02)车行驶阻力的计算机模拟及其在底盘测功机上的实施期刊论文2)测控制系统及其应用 于模糊刊论文006(12)怠速法及简易工况法）相似文献(3条)盘测功机机械惯量电模拟方法的研究和实现 4(11)为开发汽车排气污染物简易瞬态工况法测试系统,于汽车驱动轮转动动态特性相同的原理,建了用预测控制和解耦控制理论和技术,设计了底盘测功机机械惯量电模拟控制方案,开发了基于易瞬态工况底盘测功机控制系统的研究 5(9)输出、紧耦合、非线性、糊控制和解耦控制理论,设计并开发了反馈预测补偿解耦、增益系数模糊自校正、永军 车辆排气污染物测试技术研究与工程实现 2006工况法汽车排气污染物测试技术严重制约着我国I/文通过理论与试验研究相结合的方法，重点研究了在用汽车排气污染物术和应用问题，研究成果不仅对且对同类