测功机动态负载模拟算法_叶晓

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］ ４ ５ － ， 化的测功机控制器进行外围开发 ［ 或是采用机械 ６］ 。 负载进行转矩模拟 ［
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清华大学学报 （ 自然科学版 ） ２ Ｉ Ｓ Ｓ Ｎ １ ０ ０ ０ ０ ０ ５ ４ ０ １ ３年 第５ ３卷 第１ ０期 － ／ ） ， １ １ ２ ２ ２ ３ Ｎ Ｊ Ｔ ｓ ｉ ｎ ｈ ｕ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ（ Ｓ ｃ ｉ ＆Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ２ ０ １ ３，Ｖ ｏ ｌ ． ５ ３， Ｎ ｏ ． １ ０ Ｃ Ｎ － ｇ
台架试验是汽车动力系统研究的一个重要手 段 。 台架测 试 系 统 除 了 需 要 满 足 发 动 机 稳 态 效 率 图、 催化剂老化试验等稳态试验需求外 ， 还需要具有 动态模拟能力 ， 使其 能 测 试 动 力 系 统 在 瞬 态 工 况 下 的经济性和排放性能等 。 要在台架上研究汽车动力 关键是需要测功机ห้องสมุดไป่ตู้模拟整车在 系统的动态特性 ， 动态工况下的负载 ， 而动态工况负载模拟算法是实 现负载模拟的关键 。 常见 的 测 功 机 有 水 力 测 功 机 、 电涡流测功机及 电力测功机等 。 其中 ， 电力测功机的动态响应快 ， 而 适用于动态道路负载模 且可以模拟正负功 率 负 载 ， ］ 拟 。 文［ 介绍了 目 前 电 力 测 功 机 发 展 现 状 及 该 系 １ 并 分 析 了 它 们 的 优 缺 点。 统的一些 典 型 控 制 策 略 ， ］ 文［ 采用汽车行 驶 阻 力 方 程 直 接 计 算 负 载 转 矩 的 ２ ］ 文［ 介绍了 方式进行待模拟阻力的确定 。 类似地 ， ３ 采用电力测功机进 行 风 力 机 风 轮 动 态 模 拟 的 装 置 。 但是 ， 这一类采用系统逆模型进行控制的方法 ， 在模 拟动态变化较快的 负 载 时 ， 容易引入微分误差而导 致系统振荡 。 国内关于测功机的研究或是采用商业
２ 动态工况模拟原理
负载模拟装置 （ 测功机 ） 和待测动力系统的结合 点即是模拟点 。 按 照 负 载 的 模 拟 点 所 处 位 置 ， 测功 机的模拟点可以在离合器前端 、 离合器后端 、 变速箱 各 种 模 拟 点 分 别 对 应 不 同 的 待 考 察 部 件。 后端等 ， 本文拟将研究的动态测功机应用于一款集成有发动 机、 离 合 器、 电机和自动机械式变速箱（ ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ，ＡＭＴ） 的并联混合动力系统 ｍ ａ ｎ ｕ ａ ｌ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ 的测试实验中 ， 因 此 模 拟 点 选 在 变 速 箱 后 端。测 功 机模拟的是变速箱 后 的 差 速 器 、 车轮及车辆的动态 响应 。 台 架 试 验 系 统 结 构 如 图 １ 所 示 。 其 中 ， 驾驶 员模型根据目标车速曲线和当前实际模拟的车速设 定加速踏板和制动踏板 。 加速踏板通过模拟量输入 而制动踏板信号则直接输入到虚 到待测动力系统 ， 拟的车辆模型 。 车辆动态模型根据扭矩仪测试的转 矩转速信号 、 驾驶员制动信号及车辆的配置参数 ， 实 时计算车辆的负载 ， 并通过测功机加载到传动轴上 。
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测功机动态负载模拟算法
叶 晓， 金振华， 高大威 ， 卢青春
（ ） 清华大学 汽车工程系 ，汽车安全与节能国家重点试验室 ，北京 １ ０ ０ ０ ８ ４
摘 要 ：为了实现 汽 车 动 力 系 统 排 放 及 燃 油 经 济 性 台 架 试 需要采用动态负 载 模 拟 算 法 ， 利用测功机对动力系统进 验， 行加载 ， 以模拟整车在道路上的负载 。 该文分析并比 较 了 分 别采用逆向模型和前向模型实现动态负载模拟的 ２ 种 方 法 ， 选择基于前向模型跟 踪 的 方 法 设 计 了 测 功 机 动 态 负 载 模 拟 算法 。 通过模型预测车辆速度 ， 并采用测功机闭环跟 踪 模 型 车速的方法实现了 测 功 机 动 态 负 载 模 拟 。 该 文 开 发 了 基 于 实时系统的交流测功机控制器 ， 并通过实验验证了动 态 负 载 模拟控制算法 的 效 果 。 实 验 结 果 表 明 ：该 方 法 具 有 模 拟 精 稳定性较好的特点 ， 动态负载模拟算法的实测 转 矩 、 转 度高 、 能 够 满 足 车 辆 动 力 性、 经济性能 速和理论计算值一 致 性 好 ， 实验的要求 。 关键词 ：测功机 ；台架 ；道路负载模拟 中图分类号 ：Ｕ ４ ６ ７． ４ （ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ０ ０ ５ ４ ２ ０ １ ３ １ ０ １ ４ ９ ２ ０ ６ － － － 文献标志码 ：Ａ
，为 常 数 ； 其中 ： Ａ 是与 速 度 无 关 的 阻 力 （ Ｎ） Ｂ是 ／ （ · ） ； 一次速度影响 系 数 （ Ｎ ｋ ｍ ｈ－１ ） Ｃ 是二次速度
２ ／ （ · ） 。由于汽车的速度是连 影响 系 数 （ Ｎ ｋ ｍ ｈ－１）
） 式（ 中的前 ３ 项都比较 续变化的且变化速度较慢 ， ５ 容易采用测功机模 拟 ， 而车辆在行驶过程中频繁加 减速 ， 加速阻力项 Ｆ 是测功机道路阻力 ａ 变 化 较 快， 模拟的主要难点 。
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］ 待模拟系统的响应 。 例如 ， 文［ 采用了前向动力学 ８ 方程 ， 通过实测系统 的 转 矩 来 计 算 待 模 拟 系 统 的 动 态响应 ， 并计算出理想的位置响应 ， 再使用另一个位 置跟踪控制器使得模拟系统跟踪待模拟系统并输出 ］ 测功机 转 矩 。 类 似 的 方 法 描 述 也 出 现 在 文 ［ ９ １ ０ － ］ 中 。 文［ 分析了 前 馈 模 型 跟 踪 方 法 的 频 率 特 性 ， １ １ 指出这种算法在应用中有一定的可用频率范围 。 本文分别分析比较了基于逆模型的模拟方法和 前向模型跟踪方法的特点 。 由于前向模型跟踪方法 具有稳定性好的特 点 ， 采用前向模型跟踪方法设计 了测功机 动 态 工 况 模 拟 控 制 器 。 基 于 前 馈 跟 踪 算 法， 本文采用了基于 车 辆 负 载 模 型 的 速 度 预 测 与 速 度匹配的方法 ， 对测 功 机 道 路 负 载 动 态 控 制 算 法 进 行了研究 。 将驾驶员模型集成到工况模拟控制环节 中， 搭建了基于实时系统的测功机控制器平台 ， 开发 实现了汽车动力系统在台 了测功机数据采集 系 统 ， 本研究 架上进行标准工 况 模 拟 测 试 的 功 能 。 最 后 ， 采用实验表明了基于前向模型跟踪方法可以较好地 适应测功机动态负 载 跟 随 模 拟 的 需 求 ， 验证了算法 的有效性 。
收稿日期 ： ２ ０ ０ ９ １ ２ ２ ５ － － ，男 （ ，四川 ，博士研究生 。 作者简介 ：叶晓 （ 汉） １ ９ ８ ６—） ： 通信作者 ：卢青春 ，教授 ， Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｌ ｕ ｃ ｔ ｓ ｉ ｎ ｈ ｕ ａ ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ ＠ ｑ ｇ
叶 晓 ，等 ： 测功机动态负载模拟算法
国外在动态机械负载模拟方面进行的研究较为 ］ 文［ 介绍了一种将交流电机作为测功机进行 深入 ， ７ 负载模拟的装置 ， 实现了对线性和非线性负载的模 拟， 其负载模拟的方 法 也 是 采 用 待 模 拟 系 统 的 逆 模 型进行模拟转矩计算 。 由于逆模型在高动态范围可 能因为噪声引起振 荡 ， 在类似车辆动态负载模拟这 样高动态的应用 中 并 不 实 用 。 另 一 类 控 制 算 法 ， 可 称作前馈跟踪算法 ， 采用的是系统的前向模型来计 算待模拟系统的动 态 特 性 ， 并闭环控制测功机跟踪