（载运工具运用工程专业论文）vmas195汽车排放测试工况控制系统的研究.pdf

摘要 v m a s l 9 5 汽车排放测试技术是实施i m 制度的关键技术。本文通过理论与试验研究相 结合的方法，重点研究了v m a s l 9 5 汽车排放测试工况控制系统的相关理论、技术和应用问 题，研究成果具有理论意义和实际工程应用价值。 通过对汽车道路行驶阻力和汽车在底盘测功机上运行的动力学分析，建立了底盘测功 机模拟汽车道路行驶阻力的数学模型。根据汽车驱动轮在道路上行驶时和在底盘测功机上 试验时在相同的驱动轮驱动力变化4f t 作用下，产生相同的汽车驱动轮瞬时角加速度的原 理，建立了通过加载扭矩增量4t 的方法来实现底盘测功机模拟汽车道路行驶阻力的数学 模型，为汽车在底盘测功机上进行v m a s l 9 5 测试工况控制提供了理论依据。 通过阐述汽车排放主要污染物的生成机理和影响因素，说明了控制v m a s l 9 5 试验工况 的必要性。根据v m a s l 9 5 试验工况的特点，进行了v m a s l 9 5 试验工况控制系统的总体设计。 构建的v m a s l 9 5 试验工况控制系统主要由底盘测功机、工业控制计算机、整流调压装置和 司机助等组成，系统总体采用人机复合控制策略。 通过理论分析和试验研究，阐明了电涡流测功器吸收扭矩同时受励磁电流和转速影 响，参数非线性、时变和响应速度慢的性能特点，提出了电涡流测功器控制用吸收扭矩的 稳态和动态特性模型。 设计了v m a s l 9 5 试验工况控制系统采用动态矩阵控制d m c 的控制方法。为了降低底盘 测功机转速变化对电涡流测功器吸收扭矩控制的影响，提出了v i s a s l 9 5 试验工况采用车速 反馈预测补偿的解耦控制方案。 应用预测控制和解耦控制的理论和技术，设计并开发了基于d m c 、具有模型增益系数 和解耦功能的v m n s l 9 5 工况扭矩控制器。d m c 预测控制提高了电涡流测功器扭矩控制的响 应速度；模型增益系数改善了系统控制的鲁棒性，提高了系统对被测车型和测试条件的适 应性；采用车速反馈预测补偿解耦，有效降低了v m a s l 9 5 试验工况控制时扭矩响应的最大 冲击值。 采用l a b v i e w 和v i s u a lc + + 两种高级程序语言相结合的方法，设计和开发了v m a s l 9 5 试验工况控制的软件系统，并进行了试验。试验结果表明，系统方案合理，总体设计可行。 关键词：v m a s l 9 5 ，t 况控制，道路行驶阻力模拟，电涡流测功器，d m c ，l a b v i e w ， v i s u a lc + + ，系统试验 r e s e a r c ho na u t o m o b i l ee x h a u s t m e a s u r e m e n tm o d ec o n t r o l l i n gs y s t e mo fv m a s l 9 5 a b s t r a c t t h et e s t i n gt e c h n o l o g yo fa u t o m o b i l ee x h a u s tp o l l u t a n t so fv m a s l 9 5i st h ek e y t e c h n o l o g yf o rt h ei m p l e m e n to fi n s p e c t i o n m m n t e u a n c es y s t e m 皿et h e o r y , t e c h n o l o g ya n d a p p l i c a t i o no fa u t o m o b i l ee x h a u s tm e a s u r e m e n tm o d ec o n t r o l l i n gs y s t e mo fv m a s l 9 5a r e r e s e a r c h e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yi nt h i sa r t i c l e 1 1 1 er e s u l t sa r go ft h e o r e t i c s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u ei na p p l i e de n g i n e e r i n g b a s e d 婵t h ea n a l y s i so fa u t o m o b i l er o a dd r i v i n gr e s i s t a n c ea n dd y n a m i c sw h e nt h e a u t o m o b i l ei sr u n n i n go nt h ed y n a m o m e t e r , t h em a t h e m a t i cm o d e lo fa u t o m o b i l er e a dd r i v i n g r e s i s t a n c es i i i l u l a t e db yt h ed y n a m o m e t e ri sf o u n d e d 0 n 也eb a s i so f t h ep r i n c i p l et h a tt h es a m e a u t o m o b i l ed r i v i n gw h e e lt r a n s i e n ta n g l ea c c e l e r a t i o ns h o u l db ep r o d u c e di nt h ea c t i o no ft h e s a m et h ec h a n g eo fd r i v i n gf o r c e4f tw h e nt h ea u t o m o b i l ei sr u n n i n go nt h er o a da n do nt h e d y n a m o m e t e r , t h em a t h e m a t i cm o d e lo fa u t o m o b i l er o a dd r i v i n gr e s i s t a n c es i m u l a t e db yt h e d y n a m o m e t e r i se s t a b l i s h e di nt h ew a yo f t h el o a d e dt o r q u ei n c r e m e n t4t e w h i c hp r o v i d e st h e b a s i ct h e o r yw h e nt h ea u t o m o b i l ei sr u n n i n go nt h ed y n a m o m e t e r i n t r o d u c i n gt h em a d em e c h a n i s ma n dt h ei n f l u e n e e df a c t o ro ft h ea u t o m o b i l ee m i s s i o n e x h a u s tp r i m a r yp o l l u t a n t , c o n t r o l l i n gt h ev 【a s l 9 5t e s t i n gm o d ei sn e c e s s a r y a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co f v m a s l 9 5 t e s t i n gm o d e t h eo v e r a l ld e s i g n i sm a d e n l ev m a s l 9 5 t e s t i n g m o d ec o n t r o ls y s t e mt h a ti sc o n s t r u c t e dm a i n l yc o n s i s t so fd y n a m o m e t e r , i n d u s t r i a lc o n t r o l l e d c o m p u t e r , r e c t i f i e rv o l t a g er e g u l a t i n gd e v i c e sa n dd r i v e ra i d 1 r t 忙w h o l es y s t e ma d o p t s h u m a n - c o m p u t e rc o m p o u n dc o n t r o l ss t r a t e g y 1 1 ”p e r f o r m a n c eo fa d d yc u r r e n td y n a m o m e t e ri si r a u e n c e db ym a g n e t i z i n gc u r r e n ta n d r o t a t i n gs p e e da tt h es a m et i m et h r o u g ht h e o r e t i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s b e c a u s eo ft h e n o n l i n e a rt r a i t s ，t i m e - v a r y i n ga n ds l o wr e s p o n d i n g ，t h es t e a d ya n dd y n a m i cm o d e lo fa b s o r b i n g t o r q u ec o n t r o l l e db ye d d yc u r r e n td y n a m o m e t e ri sb r o u g h tf o r w a r d n ec o n t r o lm e t h o do fv m a s l 9 5t e s t i n gm o d ec o n t r o la y s t c r ni sd e s i g n e d , w h i c ha d o p t s d y n a m i cm a t r i xc o n t r o l ( d m c ) t or e d u c et h ea b s o r b i n gw r q u ei n t e r f e r e n c eo fe d d yc u r r e n t d y n a m o m e t e rc a u s e db yv a r i a b l er o t a t i n gs p e e do fd y n a m o m e t e r , t h ed e c o u p l i n gc o n t r o lp r o j e c t o ft h ef e e d b a c kp r e d i c t i v ec o m p e n s a t i o nt o r q u ef o ra u t o m o b i l es p e e di sp u tf o r w a r d ，w h i c hi s u s e db yv m a s19 5t e s t i n gm o d e t h ed y n a m o m e t e rt o r q u ec o n t r o l l e ro fv m a s l 9 5i sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db a s e do n d m ca n dd e o o u p l i n gc o n t r 0 1 t h ed m cw i t hm o d e lg a i nc o e f f i c i e n ta n dd e c o u p l i n gf u n c t i o ni s u s e d d m cp r e d i c t i v ec o n t r o ls p e e d su pt o r q u er e s p o n s eo fd y n a m o m e t e r ；m o d e lg a i n c o e f f i c i e n ti m p r o v e st h er o b u s t n e s so fc o n t r o la n dt h ea d a p t a b i l i t yo ft h es y s t e mt od i f f e r e n t t e s t e da u t o m o b i l et y p e sa n dt e s t i n gc o n d i t i o n s ；t h ea p p l i c a t i o no ft h ef e e d b a c kp r e d i c t i v e c o m p e n s a t i o nt o r q u ed e c o u p l i n gf o ra u t o m o b i l es p e e dr e d u c e se f f e c t i v e l yt h em a x i m u m i m p a c t i n gt o r q u ev a l u eo f v m a s 19 5t e s t i n g a ne x p e r i m e n t a ls o f t w a r es y s t e mo fv m a s l 9 5d r i v i n gm o d ec o n t r o li sd e s i g n e da n d d e v e l o p e db ya d o p t i n gt h ea s s o c i a t i v e m e t h o do f t w oh i 曲p r o g r a ml a n g u a g e so fl a b v i e wa n d v i s u a lc + + a n dt h ee x p e r i m e n th a sb e e nc a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e m i cp r o j e c ti sr e a s o n a b l ea n dt h eo v e r a l ld e s i g ni sf e a s i b l e k e yw o r d s ：v m a s l 9 5 ，d r i v i n gm o d ec o n t r o l ，r o a dd r i v i n gr e s i s t a n c es i m u l a t i o n ，e d d y c u r r e n td y n a m o m e t e r , d m c ，l a b v i e w , v i s u a lc + + ，s y s t e me x p e r i m e n t w r i t t e nb y ：y a n gf e n g h e ( v e h i c l ea p p l i c a t i o ne n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db y ：p r o f e s s o rm r nv o n g - j u n a s s o c i a t e p r o f e s s o rw a n m a o s o n g 】 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的 人士在致谢中均己说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名：公缸 锄签轧闰卅 日期：叫b - 哆 致谢 本论文是在导师闵永军教授的悉心指导下完成的从论文的选题、试验 到撰写，导师都倾注了大量的心血在三年的研究生学习中，导师严谨的治 学态度、渊博的知识敏锐的学术眼光和崇高的科研精神都深深地教导着我， 使我受益匪浅；在三年的研究生生活中，导师及其爱人陆太宁老师给予了我 无微不至的关怀和帮助在此向导师和陆老师表达我最衷心的感谢和最诚挚 的荻意 感谢在论文的研究和试验过程中万茂松老师，左付山老师，甘英俊老师 争陈曼硕士研究生给予热心的指导和热情的帮助；感谢教研组其他老师给予 的帮助。 感谢试验室的同学和师弟师妹们的帮助和支持 感谢本校化学工程学院朱荚同学对我的关怀 感谢我的父母、姐姐和姐夫多年来在我的求学道路上给予我始终如一的 支持与无私的关怀，在此学业完成之际，向含辛茹苦的他们表达我深深的谢 意感谢我的外甥给我带来的快乐 感谢南京林业大学对我的培养，祝愿母校未来更加美好 谨向所有帮助过我的老师们和同学们表达我最诚挚的感谢 杨风和 2 0 0 7 年6 月 第一章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 汽车从1 8 8 6 年诞生至今，已有了1 0 0 多年的历史，汽车工业从无到有，迅猛发展， 产量大幅增加，技术日新月异，强有力地推动了人类文明的进步和国民经济的发展。但是 随着汽车工业的快速发展，汽车保有量的急剧增加，带来了不少社会问题，其中汽车排放 污染问题就是焦点之一”。 汽车排出气体中的有害成分有c o 、h c 、n o x 、铅化物、碳烟和油雾等，其中c 0 、h c 、 n o x 和碳烟是主要污染物。而且h c 与n o x 在强烈的日光作用下会迸一步发生化学反应， 形成一种毒性较大的浅蓝色光化学烟雾，其主要成分是臭氧、醛类和硝酸酯类等多种复杂 化合物，这些光化学烟雾滞留在大气中时，会使人感到呼吸困难，头昏目眩，眼红咽痛， 甚至引起中枢神经的瘫痪、痉挛【2 】。 日益严重的汽车排放污染问题已经引起了各个国家的高度重视，有必要采取相关的 措施。但是，控制汽车排放污染问题是一项重大复杂的系统工程，就汽车技术而言，发达 国家和我国部分城市汽车排放污染治理的实践经验和教训表明，控制汽车排放污染最有效 的措施主要是两条：第一，制定严格且可行的汽车排放法规，推动汽车生产企业开发和应 用汽车排放控制新技术，开发新能源动力汽车，降低出厂新车的污染物排放量；第二，对 在用汽车执行严格的i m ( i n s p e c t i o n m a i n t e n a n c e 检测维护) 制度，确保在用汽车排放控 制系统正常工作u 卜例。 减少汽车排放污染首先要从源头控制，即抓好新生产车的排放控制，这就要制定和实 施排放法规和强制性排放标准。目前美国、欧洲和日本的汽车排放法规是世界三个主要法 规标准体系，许多国家都不同程度地采用这些法规和标准，下面简要阐述美国和欧洲的汽 车排放法规旧。 美国是世界上汽车排放控制最早、也是最严格的国家，自2 0 世纪6 0 年代美国加州政 府颁布世界上第一个车辆排放控制标准后，联邦政府从1 9 7 0 年开始制订一系列车辆排放 控制标准，见表l - 1 从表中可以看出，美国联邦排放法规越来越严格，目前执行的标准 限值与控制前相比，单车排放的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物分别降低9 8 、9 9 和9 5 。 实旌年限 c oh cn 0 x 1 9 7 08 4 1 0 64 1 1 9 7 1 1 9 7 23 44 1 1 9 7 3 1 9 7 42 83 03 1 1 9 7 5 1 9 8 01 51 53 1 1 9 8 1 1 9 9 43 4o 4 11 0 1 9 9 5 2 0 0 53 4o 2 5o 4 2 0 0 5 1 ，70 1 2 5o 2 注：i m i l e = 1 6 0 9 k m 欧洲经济委员会从1 9 7 0 年开始以e c e r l 5 法规的形式控制轻型汽油车排气污染物， 以后限值每3 4 年修订加严一次，自2 0 世纪9 0 年代推行了更加严格的排放法规，对汽 车排放的限制越来越严厉，相继出台了欧洲i 号、i i 号、i i i 号和号标准，见表1 2 。从 表中可以看出，与欧洲i 号排放法规相比，欧洲号排放法规各种污染物的排放限值降低 了6 3 8 2 。 实施年限( 标准号) c 0h cn o x 1 9 9 2 1 9 9 6 ( 欧i ) 2 7 20 9 7 1 9 9 7 2 0 0 0 ( 欧i i ) 2 2o 5 2 0 0 1 2 0 0 4 ( 欧i i i ) 2 3 0 2 o 1 5 2 0 0 5 2 0 0 8 ( 欧i v ) 1 00 10 0 8 我国汽车排放控制开始于上世纪8 0 年代初，自8 0 年代末起，我国逐步建立起汽车 排放法规。例如，1 9 9 9 年，国家质量技术监督局批准发布了g w p b1 1 9 9 9 轻型汽车 污染物排放标准和g b l 4 7 6 1 1 9 9 9 轻型汽车排放污染物限值及测试方法；2 0 0 1 年， 国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局批准发布了g b l 8 3 5 2 1 2 0 0 l 轻型汽车 污染物排放限值及测试方法( i ) 和g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 l 轻型汽车污染物排放限值及测试 方法( i i ) ；2 0 0 5 年4 月1 5 日，国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局批准发布 了g b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 轻型汽车污染物排放限值及测试方法( 中国、阶段) ，规定2 0 0 7 年7 月1 日开始实施，北京市己自2 0 0 5 年1 2 月3 0 日起，提前执行国家部分m 、阶段 机动车排放标准。新的法规和标准的实施极大地推动了排放控制技术在我国新生产汽车上 的应用，使我国新生产汽车的排放控制水平发生了质的飞跃，保证了新投入使用汽车排放 污染得到有效控制j 。 而对于在用汽车排放污染的控制，最有效的手段是实施i i m 制度。所谓i m 制度， 就是以汽车排放控制为核心的在用汽车检测与维护制度。i m 制度包括在用汽车排放污染 的检测方法( 检测设备、检测工况及操作工艺) ，排放限值的确定，检测站资格认定，不合 格车辆的维修，整个系统的网络管理和向公众宣传教育等一系列规范、标准、程序和内容。 i a v i 制度的作用主要表现在两个方面：第一，通过一定的检测方法识别出占在用汽车总数 1 0 1 5 、排放控制系统状态不佳、排放明显超标的高排放汽车( 美国加州汽车维修局 认为超过标准2 倍的汽车即为高排放汽车) ；第二，加强汽车( 重点针对高排放汽车) 排放超 标故障诊断，根据诊断结果采取相应的维护或修理措施，使这些汽车的排放水平达到或接 近达到原车最佳水平，保证在汽车的整个生命周期中，排放控制系统能一直正常发挥效用， 充分发挥汽车自身的排放净化能力。i ，m 制度基本原则是抓住1 0 1 5 的高排放汽车， 强制进行维护和修理，使汽车排放控制装置保持良好的技术状况，实现在用汽车排放污染 的总体控制。 在i m 制度基本原则指导下，i m 制度汽车排放污染物检测所采用的判断标准，即所 谓的排放限值，有如下特点：每年通过检测本地区一批( 美国是1 5 0 0 辆左右) 在用汽车确 定排放限值，找出属于1 0 1 5 的高排放汽车，进行重点修理。当这1 0 1 5 的高排 2 放汽车得到整治后，再更新排放限值，并找出新的限值下属于1 0 1 5 的高排放汽车， 对其进行重点修理。在用汽车排放限值每年或每半年更新一次，不断收紧。i m 制度通过 不断治理并不断收紧排放限值，从而把在用汽车对大气的污染减小到最低限度。发达国家 汽车排放污染治理实践证明，实施i i v l 制度是目前在用汽车排放治理最有效的方法 s h “。 在实施i l v l 制度时，科学合理的检测方法是保证i i v l 制度取得良好排放控制效果的 核心和关键。目前美国应用较广泛的检测方法是稳态工况法a s m 、瞬态工况法d 订2 4 0 和 简易瞬态工况法i g 2 4 0 ( 或称为v m a s ) 。 稳态工况法a s m 是加速模拟工况( a c c e l e r a t i o ns i m u l a t i o nm o d e ) 的简称，a s m 工况 法分为a s m 5 0 1 5 和a s m 5 0 2 5 两种试验工况。a s m 工况法对底盘测功机和尾气分析仪要 求低，整套系统投资较少，约4 万美元。但是，a s m 工况法也存在以下不足，a s m 尾气 污染成分检测采用浓度单位，检测结果不能全面地反映减速、怠速、加速等工况的变化； 与m 7 5 的相关性较差，相关系数仅为：c o - o 4 4 ，h c o 4 9 ，n o x o 7 1 。 瞬态工况法i m 2 4 0 试验工况采用了f t p 7 5i 况的前2 4 0 s 。i m2 4 0 工况法排气分析 仪精度高，测定结果以汽车每行驶l k m 或l m i l e 的排气管排放物质量g 即g k i n 或g m i l e 表示；和f t p 7 5 呈现较好的相关性，相关系数为c o 0 9 2 ，h c 0 9 5 ，n o x 0 8 4 。但是， i m 2 4 0i 况法检测设备必须使用具有惯量模拟的底盘测功机、定容取样系统( c v s ) 、化学 发光型n o x 分析仪和氢火焰离子型h c 分析仪，价格昂贵。 为了克服a s m 工况法检测结果不能全面地反映汽车运行工况的变化、与f t p 的相 关性较差和i m 2 4 0 工况法成本过高的不足，2 0 0 1 年美国e p a 认可了纽约州新开发的简易 瞬态工况法i g 2 4 0 或称为v m a s ( v e h i e l em a s sa n a l y s i ss y s t e m ) ，它的试验工况与i m2 4 0 相同，使用与a s m 工况法相同的基本测试设备和废气分析仪，增加v 凇s 空气流量计测 量经环境空气稀释后的尾气排放量，通过计算得到排气管排放物质量g k i n 或g m i l e 。 1 0 2 4 0i 况法检测结果与i m 2 4 0 工况法有很好的相关性，相关系数为：c o 一0 9 9 ，h c 一0 9 5 ， n o x 0 9 9 。因此，从测试精度而言，i g 2 4 0 工况法是1 m 2 4 0 工况法十分理想的替代方法。 而且该系统设备在a s m 系统上只需增加一套v m a s 设备，其价格约为7 0 0 0 美元，在使 用经济性方面有较大优势。所以，i g 2 4 0 工况法在美国得到了广泛的应用l l 珂 州。 i m 制度已被我国确定为对在用汽车排放污染控制的基本原则，在我国为了贯彻实施 i h i 制度，2 0 0 5 年5 月3 0 日，由国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局批准发 布了g b l 8 2 8 5 - - 2 0 0 5 点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法( 双怠速法及简 易工况法) ，其中规定的简易工况法的检测方法有稳态工况法a s m 、瞬态工况法i m l 9 5 和简易瞬态工况法v m a s l 9 5 ( 或称为i g l 9 5 ) ，它们除了试验工况与美国规定的相对应的 试验工况不同之外，其它都类似。因此，借鉴发达国家和我国部分城市汽车排放污染治理 的实践经验和教训，结合我国的实际国情，在我国实施i a v l 制度对在用汽车排放污染物检 测方法应优先考虑使用v m a s l 9 5 工况法。 根据g b l 8 2 8 5 的规定，v m a s l 9 5 试验工况采用了g b l 8 3 5 2 中的第一个试验运转循 环工况即前1 9 5 s ，见图1 - 1 和表卜3 t 7 1 。 茸 古 t ( g ) 图i - iv m a s l 9 5 试验工况 表i - 3v m a s l 9 5 试验工况 工况 操作步骤 加速度车速每次时间累计时间手动变速器使 序号 m s 。k 埘h 。 运行s工况s s 用挡位 l 1 怠速 1 1l ll l 6 s p m + 5 s k 。 2 2 加速 1 0 40 一1 5441 51 3 3 等速 1 5882 31 4 减速一o 6 91 5 1 0252 5 l 4 5 减速一0 9 2 l o 032 8 k l 5 6 怠速 2 1 2 1 4 9 6 s p m + 5 s k 。 7 加速 o 8 3 o 一1 5 51 25 41 6 8 换挡 25 6 9 加速 0 9 41 5 3 256 l2 7 1 0 等速 3 22 42 48 52 儿减速 一0 7 53 2 1 08l l9 32 8 1 2 减速一o 9 2 1 0 o3 9 6k 2 9 1 3 怠速 2 12 l1 1 7 6 s p m + 5 s k l 1 4 加速 o 8 3 o 一1 5 52 61 2 2 1 1 5 换挡 21 2 4 1 0 1 6 加速 o 6 21 5 3 5 9 1 3 3 2 1 7 换挡 21 3 5 1 8 加速 o 5 23 5 5 081 4 3 3 1 1 1 9 等速 5 01 21 21 5 53 1 2 2 0 减速 一o 5 25 0 3 5881 6 33 1 3 2 l 等速 3 51 31 31 7 63 2 2 换挡 21 21 7 8 1 4 2 3 减速 一o 8 6 3 2 一l o 71 8 52 2 4 减速 一o 9 21 0 ，o31 8 8 k ： 1 52 5 怠速771 9 57 s p m 注：l 、p l 一变速器在空挡，离合器接合；2 、k ，、k r 变速器置一挡或二挡，离合器脱开。 4 加 o 采用v m a s l 9 5i 况法进行汽车排气污染物测试时，试验驾驶员驾驶汽车在底盘测功机 上按试验工况规定的车速运行，底盘测功机按试验工况确定的载荷加载。因此，构建的 v m a s l 9 5i 况法汽车排气污染物测试系统如图1 - 2 所示。在v m a s l 9 5i 况法汽车排气污染 物测试过程中，测试精度取决于被检汽车测试工况的控制精度和排气污染物测量精度，所 以该系统主要由汽车试验工况控制和汽车排气取样与分析两个子系统组成。1 ，m a s l 9 5 试验 工况控制系统主要由底盘测功器、主控计算机、整流调压装置和司机助组成，其中底盘测 功机主要由电涡流测功机、滚筒、扭矩传感器和转速传感器组成；v m a s l 9 5 工况法汽车排 气取样与分析系统主要由五组分排气分析仪和带v i a s 传感器的气体流量分析仪组成【l 川。 图卜2w a s l 9 5 工况法汽车排气污染物测试系统 在进行v m a s l 9 5 工况法汽车排气污染物测试时，检测设备是关键。由于国产设备开 发与生产滞后，核心技术没有掌握，检测设备依赖进口的情况已严重制约了我国在用汽车 工况法检测的实施。g b l 8 2 8 5 标准计划2 0 0 5 年7 月1 日开始实施，事实上到目前为止， 除北京大部分地区实施的是b a s m 工况法和小部分地区开始提出将要实施v m a s l 9 5 工 况法之外，全国其它地方尚未实施工况法检测，更不可能实施v m a s l 9 5 工况法。江苏的 无锡和苏州等地明确提出要用简易工况法来逐渐取代双怠速法；上海市环保部门早在 2 0 0 2 年2 月选定v m a s l 9 5 工况法作为上海推行的i m 制度中对在用汽车的检测方法， 但是都是受到检测设备的制约，至今仍处于试点阶段，尚未真正全面实施l l ”。 目前美国仅加州一个州就拥有7 0 0 0 多个检测站点，北京市有4 2 个检测站，2 2 4 条工 况法在用汽车排放检测线，上海市规划中的检测线在1 0 0 条以上。预计在今后几年配合新 标准对在用汽车检测采用工况法，按目前全国建3 0 0 0 个尾气检测站，每个汽车尾气检测 站配2 套检测设备，1 3 大型汽车维修厂装备工况法检测设备，全国市场在用汽车工况法 检测设备需求1 0 0 0 0 台套以上。若按每套检测设备4 0 万元计，市场金额在4 0 个亿以上。 另外，我国已建有约1 2 0 0 条汽车综合性能检测线，这些检测线都已配备汽车底盘测 功机和废气分析仪，为节省资金，充分发挥现有设备在i m 制度中的作用，现有底盘测功 墨鼙象科萎扩蠢掰 机的技术改造是我们面临的紧迫任纠2 0 2 1 1 。 综上分析，为保证在用汽车i m 制度在我国的实施，迫切需要加快、加强对v m a s l 9 5 工况法的研究和开发。因此，在江苏省交通厅“汽车排放检测与净化技术的研究”课题( 编 号9 9 1 1 2 1 ) 和南京林业大学十五工程培养对象科研基金“在用汽车排放测控系统的研究与 开发”课题( 编号1 6 3 0 4 0 5 0 4 ) 下，本论文主要开展v m a s l 9 5 试验工况控制系统的研究和开 发。 1 。2 国内外研究动态 就汽车定型试验测试规程而言，美国、欧洲和日本三大排放法规体系都规定轻型汽车 排放测试在底盘测功机上进行，由于他们实施汽车排放法规早，其测试设备先进，目前国 际上比较有名的型式认证用汽车底盘测功机生产公司有美国c h a y t o n 公司、m i d 公司、 t a y l o r 公司、e s p 公司、德国s c h e n c k 公司、m a h a 公司、a v l z o l l n e r 公司、 英国a n a c o n 公司和日本h o r l b a 公司等，而且对底盘测功机的测控技术成熟，控制 自动化程度高，测量结果精确，但其投资大，使用成本高，试验费用昂贵。 对于在用汽车排放污染控制两言，最有效的手段是实旌i m 制度。美国是最早实旌i m 制度的国家，其i j m 制度处于世界领先地位。美国在用汽车实施的工况法中i m 2 4 0 和i g 2 4 0 都与f t p 7 5 呈现出很好的相关性，这两种工况法被广泛使用。美国的工况法汽车排放污 染物检测设备在技术上相当成熟，已经有专业化的生产公司，其中较为突出的有m d 公 司、e s p 公司、p a r s o n s 公司和w o r l d w l d e 公司等。另外，美国的工况法汽车排放 污染物测控技术也相当完善，对底盘测功机的汽车道路行驶阻力模拟系统能够满足工况法 测试的要求，而且像t a t 公司开发的工况法汽车排放污染物测控系统的软件已经为世界 多家公司配套。 在试验工况的控制技术方面，m d 公司和1 a y l o r 公司等著名生产企业的产品，其底 盘测功机仍然普遍采用p i d 控制f 2 2 】【2 3 】。汽车定型试验或i m 2 4 0 ( 1 9 5 ) 试验用底盘测功机， 加载装置采用交流或直流电机，交流或直流电机加载响应快，可工作于发电机与电动机两 种状态，实现被测试汽车加速和减速时惯性力的全模拟，采用p i d 控制可满足试验工况 的控制要求。 v a m s 2 4 0 ( 1 9 5 ) i 况法排放试验用底盘测功机，一般采用风冷电涡流测功器，由于电 涡流测功器存在参数时变、非线性和响应速度慢等问题，研究和开发加载扭矩响应速度快、 稳态精度高、鲁棒性好的底盘测功机控制系统，是亟待解决的关键问题之一。对于底盘测 功机的控制系统，h o n gc h e w u n 等人提出了模糊控制策略【2 4 1 ，y a n a k i e v 研究了自适应控 制方法【2 5 1 。 我国在汽车排放型式认证的测试系统方面，具有承担新生产机动车排放污染控制检测 资质的单位和从事汽车排放研究的教学与科研单位的汽车排放测试系统几乎全是成套进 口设备，有些单位进行的技术改造工作主要集中在测控系统的汉化和测试部分计算机升 级。 我国在在用汽车排放工况法检测的标准制定和执行时间起步晚，汽车排放工况法检测 6 设备远远落后于发达国家。自g b l 8 2 8 5 标准发布后，特别是北京市于2 0 0 2 年开始实施 d b l l 1 2 2 2 0 0 0 以来，工况法汽车排放检测系统的研制和开发成为热点。而且，国家环境 保护总局于2 0 0 6 年7 月发布了汽油车简易瞬态工况法排气污染物测量设备技术要求闭。 目前国内已有近1 0 家设备厂商生产工况法检测设备，比较突出的厂家有成都成保发展股 份有限公司、成都弥荣科技发展有限公司、深圳市安车科技有限公司、北京金铠星科技有 限公司和广东南华仪器公司等，能生产基本满足a s m 工况法检测要求的设备。目前北京 市b a s m 法检测设备近一半是进口的，所用的国产设备即使号称自主开发，实质也是进 口设备的仿制品。其他地方所用的检测设备基本上全是进口设备。总体而言，国产设备试 验工况的控制性能不高，d d l 9 5 或v m a s l 9 5 检测设备尚不成熟，核心技术没有掌握。 在底盘测功机的汽车道路行驶阻力模拟系统的研究方面，国内基本上使用飞轮组模拟 机械惯量，如2 0 0 2 年吉林大学的任有和许洪国1 2 日、2 0 0 6 年北京理工大学刘昭度和王仁广 等人1 2 s 。机械惯量采用电模拟技术已在其他汽车试验设备领域有过成功应用，如东南大 学张为公老师等对汽车台架试验系统中机械惯量采用电模拟方法、技术特点和控制方法进 行了研究，与南京汽车制造厂合作，应用机械惯量电模拟技术成功开发了汽车同步器试验 系统，如图1 3 所示 2 9 1 。清华大学张俊智和卢青春等将机械惯量电模拟的方法用于汽车传 动系试验台，如图1 4 所示【删。但是，机械惯量电模拟技术在汽车底盘测功机的应用研究 才刚刚起步，如2 0 0 6 年东南大学的闵永军老师【j “。 发动机奄i l l l 鑫孑扭矩仪电漓漉$ 目功器惯性。乜轮组 图1 3 汽车同步器试验系统图1 4 汽车传动系试验台 在底盘测功机的试验工况控制技术方面，普遍采用人机复合控制系统，即测试驾驶员 控制发动机油门开度，计算机系统控制底盘测功机来模拟汽车行驶阻力。系统一般都设计 成双回路控制，汽车行驶车速则由测试驾驶员根据司机助显示的信息( 工况要求车速和操 作提示) 通过控制发动机油门开度来实现，汽车道路行驶阻力模拟则由计算机系统控制底 盘测功机来自动实现。两个回路各自独立，没有考虑相互联系和影响。 对于底盘铡功杌的控制，普遍采用p i d 控制。比如，2 0 0 6 年山东理工大学张为春和 曾祥军研究和开发的汽车底盘测功机测控系统，但其研究对象是单滚筒直流电力测功机， 控制方法为模糊p i d 控制【3 2 】，由于p i d 控制系统存在动态性能差与稳定过程时间长的缺 点，不能满足v m a s l 9 5 工况法汽车排放污染物测试系统的要求。 随着经典控制理论和现代控制理论的发展和应用，对自动控制技术的发展起到了积极 的推动作用。然而，经典控制理论和现代控制理论都是建立在精确的数学模型的基础之上 的，而v 砒s 1 9 5i 况法汽车排放污染物测试系统具有高度非线性、时变性和不确定性，难 以建立其精确的数学模型。近年发展起来的自适应、自校正技术，虽然能在一定程度上解 决不确定性问题，但其本质是在线辨识对象模型，所以算法复杂，计算量大，且它对过程 的未建模动态和扰动的适应能力差，应用范围也受到限制。因此，传统的控制理论和方法 已显得不适应该系统的控制。 现代科学技术的迅速发展，人们开始打破传统控制思想的束缚，试图面向工业过程特 点，寻找各种对模型要求低、在线计算方便、控制综合效果好的算法，预测控制就是在这 种情况下发展起来的一种新型计算机控制算法。而且，随着数字计算机向小型、高速、大 容量、低成本方向的发展，为各种先进控制方法的实现提供了物质基础，计算机与先进控 制方法的结合极大地推动了工业自动控制技术的发展d 3 1 。 v m a s l 9 5 试验工况是一典型的动态工况，工况控制精度直接影响到排放测试精度，为 保证测试结果可信，对测试工况控制精度要求高。因此，v m a s l 9 5 工况法试验用底盘测功 机的控制必须具有良好的动态和稳态性能指标，而目前已投入使用的工况法排放测试用国 产底盘测功机控制系统的性能都还不能满足国标规定的技术要求。 1 3 论文研究的内容 在分析发达国家汽车排放污染物工况法测试技术的基础上，根据v m a s l 9 5 工况法汽车 排放测试系统的要求，借鉴国内外对底盘测功机的测控技术，针对目前我国在用汽车排放 污染物工况法测试技术及设备的研究和开发现状，本论文主要研究了在用汽车进行 v m a s l 9 5 试验工况控制方面的相关理论、技术和应用问题。具体研究内容是： ( 1 ) 通过对汽车道路行驶阻力和汽车在底盘测功机上运行的动力学分析，建立了底盘 测功机模拟汽车道路行驶阻力的数学模型，为汽车在底盘测功机上进行v m a s l 9 5 工况法提 供了理论依据。 ( 2 ) 通过阐述汽车排放主要污染物的生成机理和影响因素，说明了对v m a s l 9 5 试验工 况控制的必要性；根据v m a s l 9 5 试验工况的特点，进行了v m a s l 9 5 试验工况控制系统的总 体设计。 ( 3 ) 阐述了v m a s l 9 5 试验工况控制方法即动态矩阵控制d m c 控制算法的基本原理，并 进行了v m a s l 9 5 工况扭矩控制器的设计。 ( 4 ) 在v m a s l 9 5 试验工况控制系统主要由底盘测功机、工业控制计算机、整流调压