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1. CN101878417 - Engine bench system control system

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[ ZH ]
发动机台架系统控制系统


技术领域
本发明涉及一种发动机台架系统控制系统,其中待测试的发动机 被直接耦接到作为能量吸收器的测力计,并且测量发动机的各种特 性,以及具体地涉及用于测力计的转矩控制。
背景技术
图13示出了一种发动机台架系统。在图13中,发动机E/G与 变速箱TIM(具有离合器的AT或者MT)相结合,所述变速箱TIM 通过耦接轴与测力计DY相连接。发动机E/G配置有用于控制油门开 度的油门传动机构ACT。
另一方面,测力计DY配置有转速检测器PP和转矩检测器(测 力传感器,load cell)LC。基于该检测器的检测信号来控制测力计DY 的速度或者转矩。利用控制器(测力计控制器)C(多个)通过PID 控制来实现上述控制。图13示出了转矩控制的情况,其中控制器C (多个)在计算部分处进行设置的转矩输入和测力计DY的测量转矩 之间的差的PID计算,并且基于所述计算结果通过控制逆变器INV 的输出来执行测力计DY的转矩控制。
在执行测力计的PID控制的发动机台架系统中,发动机可能会 产生脉动转矩,其可能会导致耦接轴由于共振而毁坏。存在一种用于 防止该共振破坏的控制系统,其中在发动机、耦接轴和测力计构成的 机械系统的共振点被设置为等于或者低于所述发动机产生的脉动转 矩的频率的同时,对测力计进行PID控制。然而,如果机械系统的共 振点被设置为等于或者低于发动机的脉动转矩频率,则执行具有高速 响应的速度控制或者轴转矩控制是非常困难的。
申请人已经提出了一种利用μ设计方法的轴转矩控制系统,其是 鲁棒性控制设计理论中的一种,该设计方法在抑制轴共振的情况下对 于发动机台架系统来说是一种稳定且高速的轴转矩控制系统(例如, 参见专利文件1和2)。根据μ设计方法,实际系统的每个扰动的幅 值可以用结构的奇异值μ来表示。在专利文献1中,在设计控制器期 间,确定每个扰动的幅值以满足鲁棒性的稳定性和鲁棒性的性能条 件,并且其被结合到所述控制器中以构成所述控制器的传递函数。
专利文献1:日本专利No.3775284
专利文献2:日本专利申请公开No.2003-121307
发明内容
利用μ设计方法的轴转矩控制系统通常需要两个操作,即,(1) 被控对象的建模,以及(2)确定加权函数。加权函数的确定需要反 复试验。
专利文献2中提出的方法确保了相对于轴的弹簧刚度波动的某 种程度的鲁棒性。然而,在弹簧刚度显著地变化的情况下,例如,从 约100Nm/rad到约3000Nm/rad的情况下,很难实现基于μ设计方法 的稳定的转矩控制。
本发明的一个目的在于提供一种发动机台架系统控制系统,其能 够提供共振抑制效果,并且即使在轴的弹簧刚度显著变化的情况下也 能够执行稳定的控制。
以下描述根据本发明的控制系统的原理。通常发动机台架系统的 机械系统可以表示为多惯量(两个或更多惯量)的机械系统模型。本 发明的目的在于一种能够被近似为二惯量系统的发动机台架系统。图 14示出了机械系统模型。在该模型中,假定测力计通过耦接轴与发动 机直接耦接。
图14所示的机械系统模型的每个部分的物理量被表示为:J1: 发动机惯性力矩;J2:测力计惯性力矩;K12:耦接轴的弹簧刚度; T12:耦接轴的扭转转矩(轴转矩);ω1:发动机角速度;ω2:测力 计角速度;以及T2:测力计转矩,利用拉普拉斯算子s由以下公式(1) 至(3)表示所述发动机台架系统的运动公式。
J1×s×ω1=T12        ...(1)
T12=(K12/s)×(ω2-ω1)...(2)
J2×s×ω2=-T12+T2...    (3)
在本发明中,轴转矩指令值(T12的指令值)被表示为T12r, 并且基于由以下公式(4)表示的传递函数来控制测力计转矩T2。该 公式(4)包括:具有积分系数K I 的积分环节,用于对轴转矩指令T12r 和测量的轴转矩T12之间的差(T12r-T12)进行积分计算;具有微 分系数K D 的微分环节,用于利用一阶延迟(时间常数f 1 )对测量的 轴转矩T12进行微分计算;以及比例环节K P ,用于利用一阶延迟(时 间常数f 1 )对测量的轴转矩T12进行比例计算。该公式通过从所述积 分环节减去微分环节和比例环节来获得转矩控制信号T2。
当根据公式(4)控制由运动方程(1)至(3)表示的被控对象 时,其闭环特征多项式方程是四阶多项式方程,其系数可以任意地利 用四个参数(K I ,K P ,K D ,f 1 )来设置。公式(1)至(4)的闭环特征 多项式方程由以下公式(5)表示。
P(s)=a4×(s/ω r )4+a3×(s/ω r )3+a2×(s/ω r )2+a1×(s/ω r )+1...(5)
其中
可以通过公式(1)至(4)的闭环特征多项式的系数和公式(5) 的系数之间的比较来定义系数(K I ,K P ,K D ,f 1 )。以这种方法,可 以根据估算的被控对象参数(J1,K12,J2)和控制特性参数(a4,a3, a2,a1)来确定公式(4)的控制参数(K I ,K P ,K D ,f 1 )。以如下 公式(6)至(9)所示的函数f(a4,a3,a2,a1,J1,K12,J2)的 形式来表示该关系。
K I =fK I (a4,a3,a2,a1,J1,K12,J2)
K P =fK P (a4,a3,a2,a1,J1,K12,J2)
K D =fK D (a4,a3,a2,a1,J1,K12,J2)
f I =ff 1 (a4,a3,a2,a1,J1,K12,J2),
以这种方法,通过如下步骤实现本发明:将发动机台架系统表示 为一个二惯量机械系统模型;获得作为该机械系统模型的运动方程的 闭环特征多项式和控制器的传递函数的四阶多项式;以及通过四个参 数(K I ,K P ,K D ,f 1 )任意地设置或者确定控制器的传递函数的每个 系数,由此获得了如下的控制增益,其在不需要如现有技术那样调节 加权函数的情况下提供了共振抑制效果。
在公式(6)至(9)中使用的估算的被控对象参数(J1,K12, J2)完全等于实际系统的物理参数是不可能的。然而,根据本发明, 即使在实际系统的弹簧刚度K12r与公式(6)至(9)中使用的K12 相比发现K12r>>K12的情况下,也可以实现稳定控制。
考虑到上文,本发明的特征在于以下的控制系统。
(1)一种用于发动机台架系统的发动机台架系统控制系统,其 中将待测试的发动机和测力计通过耦接轴耦接在一起,并且通过测力 计的轴转矩控制来测量发动机的各种特性,所述发动机台架系统控制 系统包括:控制器,其基于测力计的轴转矩指令T12r和测量的轴转 矩T12执行所述测力计的轴转矩控制,利用如下公式表示传递函数,
其中K I ,K D ,K P 和f 1 表示参数,以及s表示拉普拉斯算子。
(2)所述发动机台架系统控制系统进一步包括:函数计算部分, 其利用以下公式,基于估算的被控对象参数(J1,K12,J2)和设定 的控制特性参数(a4,a3,a2,al)来确定参数(K I ,K D ,K P ,f 1 ),
K I =fK I (a4,a3,a2,a1,J1,K12,J2)
K P =fK P (a4,a3,a2,a1,J1,K12,J2)
K D =fK D (a4,a3,a2,a1,J1,K12,J2)
K 1 =fK 1 (a4,a3,a2,a1,J1,K12,J2),
其中J1表示发动机惯性力矩,J2表示测力计惯性力矩,以及 K12表示耦接轴的弹簧刚度。
(3)所述发动机台架系统控制系统进一步包括:参数设置器, 其将控制特性参数(a4,a3,a2,a1)设置为二项式系数类型或者 Butterworth类型。
(4)如权利要求1或者2所述的发动机台架系统控制系统,进 一步包括:参数计算部分,其将控制特性参数(a4,a3,a2,a1)设 置为具有共振特性的二惯量机械系统的特征多项式与二阶低通滤波 器的特征多项式的乘积的系数。
(5)所述发动机台架系统控制系统进一步包括:参数计算部分, 其将控制特性参数(a4,a3,a2,a1)设置为具有共振特性A的二惯 量系统的特征多项式与具有共振特性B的二惯量系统的特征多项式 的乘积的系数。
(6)所述发动机台架系统控制系统进一步包括:弹簧刚度计算 部分,其将弹簧刚度K12设置到所述函数计算部分中,其中参考发动 机惯性力矩J1,测力计惯性力矩J2和共振频率ωc利用以下公式计 算弹簧刚度K12,
K12=J1×J2×ω c 2/(J1+J2)
其中共振频率ωc是从存储关于系统共振频率的数据的T2f表中 获得的,所述系统共振频率根据轴转矩指令T12r的幅值变化。
(7)所述发动机台架系统控制系统进一步包括:弹簧刚度计算 部分,其将弹簧刚度K12设置到所述函数计算部分中,其中参考发动 机惯性力矩J1,测力计惯性力矩J2和共振频率ωc利用以下公式计 算弹簧刚度K12,
K12=J1×J2×ω c 2/(J1+J2)
其中共振频率ωc是从存储关于系统共振频率的数据的T2f表中 获得的,所述系统共振频率根据测量的轴转矩T12的幅值变化。
(8)所述发动机台架系统控制系统进一步包括:弹簧刚度计算 部分,其将弹簧刚度K12设置到所述函数计算部分中,其中参考发动 机惯性力矩J1,测力计惯性力矩J2和共振频率ωc利用以下公式计 算弹簧刚度K12,
K12=J1×J2×ω c 2/(J1+J2)
其中共振频率ωc是从存储关于系统共振频率的数据的T2f表中 获得的,所述系统共振频率根据轴转矩指令T12r与通过将轴转矩T12 施加通过高通滤波器所获得的测量值的和的幅值而变化。
(9)所述发动机台架系统控制系统进一步包括:缩放乘法器, 其将从T2f表获得的共振频率乘以增益K(0<K<=1),并且将乘法 得到的共振频率输入到所述弹簧刚度计算部分中。
附图说明
图1示出了测力计的主要部分的控制电路框图,示出了本发明第 一实施例。
图2示出了发动机台架系统的特性的实例。
图3示出了根据第一实施例的轴转矩控制的特性图。
图4示出了根据第一实施例的阶跃响应的特性图。
图5示出了测力计的主要部分的控制电路框图,示出了本发明的 第二实施例。
图6示出了根据第二实施例的轴转矩控制的特性图。
图7示出了测力计的主要部分的控制电路框图,示出了本发明的 第三实施例。
图8示出了根据第三实施例的轴转矩控制的特性图。
图9示出了测力计的主要部分的控制电路框图,示出了本发明的 第四实施例。
图10示出了测力计的主要部分的控制电路框图,示出了本发明 的第五实施例。
图11示出了测力计的主要部分的控制电路框图,示出了本发明 的第六实施例。
图12示出了测力计的主要部分的控制电路框图,示出了本发明 的第七实施例。
图13示出了发动机台架系统的配置图。
图14示出了发动机台架系统的机械系统模型图。
具体实施方式
(实施例1)图1示出了根据本实施例的发动机台架系统中的测 力计主要部分的控制电路。在发动机1通过轴3耦接到测力计2以及 逆变器4控制发动机1的输出和测力计2的转矩的系统配置中,通过 利用上述公式(4)的传递函数,基于轴转矩指令T12r和测量的轴转 矩T12进行计算,从而控制器5产生用于测力计2的转矩控制信号 T2。
基于设置在函数计算部分6中的控制特性参数(a4,a3,a2,a1) 和估算的被控对象参数(J1,K12,J2),通过根据上述公式(6)至 (9)进行计算,从而确定控制器5中的控制参数(K I ,K P ,K D ,f 1 )。
在本实施例中,公式(4)的系数(K I ,K P ,K D ,f 1 )被如下确 定。
由参数设置器准备控制特性参数(a4,a3,a2,a1)。例如,为了将 其设置为二项式系数类型,控制参数被设置为a4=1,a3=4,a2=6, a=4。为了将其设置为Butterworth类型,控制参数被设置为a4=1, a3=2.61312592975275,a2=3.41421356237309,a1=2.61312592975275。
通过依据公式(6)至(9)根据二惯量系统的参数J1,K12,J2 来直接确定控制增益从而实施本实施例。因此,不需要如现有技术那 样调节加权函数,以及可以容易地得到提供共振抑制效果的控制增 益。
图2示出了图1所示的发动机台架系统的特性的实例。图2示出 了在J1=0.2,K12=1500,以及J2=0.7的情况下的从T2到T12的伯 德图。如图2所示,发动机台架系统具有特定频率(在图2中约15Hz) 的共振点,并且具有从测力计转矩控制信号T2到不同于0dB的测量 的轴转矩T12(在图2中约为-13dB)的稳态增益(低频范围中的增 益)。
图3示出了在控制特性参数(a4,a3,a2,a1)被设置为上述 Butterworth类型值的情况下的从轴转矩指令值T12r到测量的轴转矩 T12的伯德图,并且通过公式(6)至(9)计算的系数(K I ,K P ,K D , f 1 )被代入公式(4)中。
以这种方法,根据本实施例,抑制了共振并且针对将为0dB的 稳态增益执行了控制。此外,不需要如现有技术那样调节加权函数, 以及可以容易地求得提供共振抑制效果的控制增益。
图4示出了本实施例获得的效果的另一实例。图4示出了在实际 的机械系统中K12=1500时,在用于确定公式(4)中的控制增益的公 式(6)至(9)中的K12被设置为(A):K12=1500,(B):K12=750, (C):K12=150,以及(D):K12=15的情况下,从轴转矩指令值 T12r至测量的轴转矩T12的阶跃响应。
根据本实施例,尽管不利地影响了响应,然而在实际的机械系统 的弹簧刚度高于用于计算控制增益的公式(6)至(9)所假定的值的 情况下,仍然能够实现稳定控制。
(实施例2)图5示出了根据本实施例的测力计的主要部分的控 制电路,其中省略了机械系统。在本实施例中,提供了参数计算部分 7,其如以下将要描述地确定公式(4)中的参数(K I ,K P ,K D ,f 1 )。
参数计算部分7将控制特性参数(a4,a3,a2,a1)设置为具有共振 特性的二惯量机械系统的特征多项式与二阶低通滤波器的特征多项 式的乘积的系数。具体地,控制特性参数被设置如下。
当具有期望的共振特性的二惯量机械系统的共振频率和阻尼系 数分别由ωn和z表示时,其特征多项式为(s/ωn)2+2×z×(s/ωn)+1。此 外,假定二阶低通滤波器的特征多项式为c2×s2+c1×s+1。其乘 积为((s/ωn)2+2×z×(s/ωn)+1)×(c2×S2+c1×s+1))。这得到了:
a4=c2/ωn 2×ωr4
a3=(c1/ωn2+2×c2×z/ωn)×ωr3
a2=(c2+1/ωn2+2×c1×z/ωn)×ωr2
a1=(c1+2×z/ωn)×ωr,
其中
在函数计算部分6处设置以这种方法计算的控制特性参数 (a4,a3,a2,a1),以便根据公式(6)至(9)确定公式(4)中的控制 参数(K I ,K P ,K D ,f 1 )。
图6示出了本实施例的情况,其中低通滤波器特性为 Butterworth类型,机械共振频率特性为被控对象的机械共振频率特 性,以及阻尼因数z被设置为0.1。具体地,图6示出了在通过公式 (6)至(9)计算的控制参数(K I ,K P ,K D ,f 1 )被代入公式(4), 且c2=1,c1=1.41421356237309,ωn=ωr,z=0.1的情况下,从轴 转矩指令值(T12r)到测量的轴转矩(T12)的伯德图。
以这种方法,可以以期望的共振特性和0dB的稳态增益执行控 制。根据本实施例,如图4所示的第一实施例,即使在实际机械系统 的弹簧刚度高于用于计算控制增益的公式(6)至(9)所假定的值的 情况下,仍然能够实现稳定控制。
(实施例3)图7示出了根据本实施例的测力计的主要部分的控 制电路框图,其中省略了机械系统。在本实施例中,提供了参数计算 部分8以便如下地确定公式(4)中的控制参数(K I ,K P ,K D ,f 1 )。
参数计算部分8将控制特性参数(a4,a3,a2,a1)设置为具有共振 特性A的二惯量系统的特征多项式与具有共振特性B的二惯量系统的 特征多项式的乘积的系数。
具体地,如下地设置控制特性。当由共振频率ωn1[rad/a]和阻 尼系数z1表示共振特性A以及由共振频率ωn2[rad/a]和阻尼系数 z2表示共振特性B时,这些特征多项式的乘积为 ((s/ωn1)2+2×z1×(s/ωn1)+1)×((s/ωn2)2+2×z2×(s/ωn2)+1)。这些得到 了:
a4=1/(ωn12×ωn22)×ωr4
a3=(2×z1/(ωn1×ωn22)+2×z2/(ωn2×ωn2))×ωr3
a2=(1/ωn12+1/ωn22+4×z1×z2/(ωn1×ωn2))×ωr2
a1=(2×z1/ωn1+2×z2/ωn2)×ωr
以这种方法计算的控制特性参数(a4,a3,a2,a1)被设置在函数计 算部分6中,并且根据公式(6)至(9)确定公式(4)的控制参数 (K I ,K P ,K D ,f 1 )。
图8示出了本实施例的情况,其中共振特性A被设置为0.5乘以 被控对象的机械共振频率以及阻尼因数为0.1,以及共振特性B被设 置为被控对象的机械共振频率的两倍并且阻尼因数z为0.1。具体地, 图8示出了在公式(6)至(9)中计算的(K I ,K P ,K D ,f 1 )被代入 公式(4)且ωn 1=ωr×0.5,z1=0.1,ωn2=ωr×2,z2=0.1的情况下,从 轴转矩指令值(T12r)到测量的轴转矩(T12)的伯德图。
以这种方法,根据第三实施例,仅仅具有单个共振特性的被控对 象的机械系统可以如同其具有两个共振特性那样地被控制,且稳态增 益为0dB。此外,如图8所示的,根据该实施例,如同第一实施例, 即使在实际的机械系统的弹簧刚度高于用于计算控制增益的公式(6) 至(9)所假定的值的情况下,仍然能够实现稳定控制。
(实施例4)图9示出了根据本实施例的测力计的主要部分的控 制电路,其中省略了机械系统。在本实施例中,通过以下描述的计算 环节来确定公式(4)中的(K I ,K P ,K D ,f 1 )。
第四实施例适用于其共振频率根据轴转矩的幅值而变化(其中弹 簧具有非线性特性)的机械系统。在图14所示的耦接轴被配置有例 如离合器的非线性弹簧(弹簧刚度根据弹簧的扭转角而变化的弹簧) 的情况下,轴转矩控制系统被构造如下。
某些方式被用于准备表格(T2f表)9,其存储关于图1所示的 系统的扭转转矩的幅值(轴转矩指令)与根据所述扭转转矩变化的共 振频率之间的关系的数据。可以通过对于给定非线性弹簧的特性,或 者在扭转转矩等于特定值时测量共振频率的情况进行计算,从而实现 所述方式。
弹簧刚度计算部分10基于由某些方式准备的发动机惯性力矩J1 和测力计惯性力矩J2,通过利用以下公式(10)进行计算,从而确定 对于从T2f表9获得的共振频率ω c [rad/s]的弹簧刚度K12。J1和J2 可以根据各部件的设计值计算或者可以由某些方式测量。
K12=J1×J2×ω c 2/(J1+J2)...(10)
在第一至第三实施例的参数计算部分中的任意一个中提供参数 计算部分11,设置控制特性参数(a4,a3,a2,a1)。
函数计算部分6根据弹簧刚度K12和控制特性参数(a4,a3,a2,a1) 确定控制参数(K I ,K P ,K D ,f 1 ),以及根据公式(4)控制转矩控 制信号T2。
在本实施例中,至T2f表的输入信号被用作轴转矩指令值 (T12r),以便确定实际系统的弹簧刚度K12。即使在其共振频率根 据图2所示的伯德图中的轴转矩的幅值变化的系统中,也可以通过不 断地根据所述共振频率利用图9的配置来确定公式(4)中的增益参 数(K I ,K P ,K D ,f 1 )。因此,即使对于其共振频率变化的非线性发 动机台架系统,也可以获得与第一至第三实施例相同的效果。
(实施例5)图10示出了根据第五实施例的测力计的主要部分 的控制电路图,其中省略了机械系统。在本实施例中,通过利用测量 的轴转矩(T12)作为至T2f表9的输入信号,改变了根据第四实施 例的电路配置。
本实施例产生与第四实施例相同的效果。具体地,由于测量的轴 转矩T12被用作T2f表9的输入,因此本实施例能够将所述T2f表输 出的机械共振频率设置为接近于实际的机械共振频率。因此,同第四 实施例相比,在公式(6)至(9)中计算的控制参数更好地符合了机 械特性。结果,与第一实施例相同,可以实现保持快速响应的控制。
(实施例6)框图11示出了根据第六实施例的测力计的主要部 分的控制电路框图,其中省略了机械系统。在本实施例中,改变了第 四实施例中的电路配置,由此使得至T2f表的输入信号具有如下的值, 所述值是轴转矩指令值(T12r)与将测量的轴转矩(T12)施加通过 高通滤波器(HPF)12所获得的测定值的和。
本实施例产生与第五实施例相同的效果。
(实施例7)图12示出了根据第七实施例的测力计的主要部分 的控制电路框图,其中省略了机械系统。在第七实施例中,根据第四 实施例从T2f表9得到的共振频率ωc通过缩放乘法器13乘以增益K (0<K<=1),并且该乘法得到的值被用于公式(10)的计算。如第 五实施例或者第六实施例,可以改变T2f表9的输入。
在本实施例中,加入的增益K(0<K<=1)产生了如下的效果, 用于计算控制增益的公式(6)至(9)中假定的弹簧刚度K12表面上 看起来好像(deceptively)小于实际机械系统的弹簧刚度。因此,即 使由于某些原因从T2f表输出的估算机械共振频率高于实际的机械系 统的共振频率,也能够在第四、第五和第六实施例中获得与第一实施 例相同的效果。
如上所述,通过如下方式实现本发明:将发动机台架系统表示为 一个二惯量机械系统模型;获得作为该机械系统模型的运动方程的闭 环特征多项式和控制器的传递函数的四阶多项式;以及通过四个参数 (K I ,K P ,K D ,f 1 )任意地设置或者确定控制器的传递函数的每个系 数;并且进一步基于该机械模型中出现的共振频率来确定弹簧刚度 K12。这产生了共振抑制效果,并且即使在轴的弹簧刚度显著地变化 的情况下也允许稳定控制。