Автоматизированная система управления нагружающим устройством для стендовых испытаний автомобильных энергетических установок
AUTOMATED SYSTEM FOR CONTROLLING LOADING DEVICE FOR STAND TESTS OF AUTOMOTIVE POWER PLANTS

Изобретение относится к области автоматического управления системами лабораторных стендовых испытаний автомобильных энергетических установок, в том числе комбинированных и/или многоприводных, содержащих силовые агрегаты с вращающимися валами.
Известна система имитации инерции и сопротивления движению автомобиля для стендовых испытаний (US 4161116 А, 1979 г.), в которой объектом управления является соединенное с валом испытываемого агрегата нагружающее устройство, в качестве которого может использоваться электромашина постоянного или переменного тока, гидромашина или другое подобное устройство. Момент нагрузки, создаваемый им, управляется регулятором, входным сигналом которого является разность между сигналом задания скорости вращения вала испытываемого агрегата и скоростью вращения его вала, измеренной датчиком. Задание скорости вращения вала испытываемого агрегата является выходным сигналом интегрирующего звена. Входным сигналом интегрирующего звена является разность момента на валу испытываемого агрегата, измеряемого датчиком, и расчетного момента нагрузки от дороги, который является функцией сигнала задания скорости вращения вала испытываемого агрегата. Постоянная времени интегрирующего звена равна моменту инерции I, который эквивалентен массе имитируемого автомобиля.
Недостатком системы управления является то, что она не воспроизводит работу энергоустановки при курсовом (криволинейном) движении автомобиля и не обеспечивает испытания энергоустановок с несколькими приводами и с учетом проскальзывания колес.
R
soll
soll
x
z
R
z
soll 2
soll n
Эти недостатки устранены в известной автоматизированной системе управления (US 6754615 В1, 2004 г.), объектом управления которой является нагружающее устройство (Torque Controlled Electric Load Machine), соединенное валом с испытываемым двигателем (Combustion Engine). На валу установлен датчик скорости вращения (ω). Нагружающее устройство управляется заданием момента (M), генерируемым блоком модели колеса (Tire Model). Момент нагрузки (M) определяется продольной реакцией Fколеса, которое приводится испытываемым двигателем в реальном автомобиле. Продольная реакция определяется произведением нормальной реакции F и коэффициента сцепления μ, который рассчитывается по характеристике сцепления шины как функция проскальзывания колеса λ. Проскальзывание λ определяется соотношением между измеренной скоростью вращения вала (ω) и скоростью автомобиля (v), рассчитываемой в блоке модели автомобиля (Vehicle Model), в которой также рассчитывается нормальная реакция F. При необходимости испытаний энергоустановки с несколькими приводами колес их нагружающие устройства (Additional Load Machines) соединяются с дополнительными моделями колес (Additional Tire Models), выполняющими функции регуляторов моментов M…M.
Такая система управления не является замкнутой, т.к. в ней отсутствуют средства обеспечения ее устойчивости и точности регулирования: обратные связи и регулятор(ы), в частности нет обратной связи по моменту (датчика на валу). Это критично при управлении нагружающим устройством по моменту, особенно в связи с тем, что генератор задания момента - это характеристика шины, которая имеет весьма высокую жесткость (7…15%), и проскальзывание соответствует максимальному моменту на колесе. Следовательно, требуется исключительно высокая точность измерения угловой скорости. Учитывая то, что датчик частоты вращения имеет определенную погрешность и шум, велика вероятность исказить проскальзывание и получить неверное задание момента (возможны пульсации с большой амплитудой, представляющие опасность). Также описанная в патенте система управления не воспроизводит динамику колес и силового привода, связанных с испытываемым двигателем в реальном автомобиле. Эту динамику предлагается реализовывать за счет подбора момента инерции нагружающего устройства, что усложняет подготовку системы к испытаниям и требует сменных инерционных элементов для испытаний разных двигателей. Кроме того, при данном подходе не компенсируются потери мощности в механической части нагружающего устройства.
Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является автоматизированная система управления нагружающим устройством (Dynamometer), вал которого механически соединен с валом испытываемого силового агрегата энергоустановки, состоящей как из одного силового агрегата, так и из нескольких (US 8631693 В2, 2014 г.), содержащая:
датчики скорости вращения (Speed Sensor) и крутящего момента (Torque Sensor), установленные в месте соединения валов нагружающего устройства и объекта испытаний;
блок модели движения автомобиля, входным сигналом которого является расчетная продольная реакция шины (Tire Force), а выходным сигналом является расчетная скорость автомобиля (Vehicle Speed);
блок модели шины (Tire Simulation), вход которого соединен с выходом датчика крутящего момента (Measured Torque); первым выходным сигналом блока модели шины является расчетная продольная реакция шины (Tire Force), а вторым выходным сигналом является расчетная скорость продольного проскальзывания шины (Slip Speed);
сумматор, первый вход которого соединен с выходом блока модели движения автомобиля (Wheel Speed Demand), второй вход которого соединен со вторым выходом блока модели шины, а выходным сигналом (Speed Setpoint) которого является задание скорости вращения вала нагружающего устройства;
регулятор скорости вращения вала (Speed Controller) нагружающего устройства, первый вход которого соединен с выходом датчика скорости вращения (Measured Speed), а второй вход соединен с выходом первого сумматора.
В прототипе устройство имитации колеса (Wheel # Controller) включает в себя нагружающее устройство (Dynamometer) и датчики скорости вращения (Speed Sensor) и крутящего момента (Torque Sensor), а также регулятор скорости вращения вала (Speed Controller), блок модели шины (Tire Simulation) и сумматор, которые соединены между собой описанным выше образом. При этом блок модели движения автомобиля в связи с объединением динамики колеса и его привода с динамикой автомобиля интегрирован в контур управления нагружающим устройством, что является недостатком прототипа, т.к. делает весьма затруднительной замену модели движения автомобиля или ее модификацию.
К недостаткам прототипа следует также отнести то, что воспроизведение работы испытываемой энергоустановки в условиях проскальзывания приводимых ею колес автомобиля осуществляется весьма приблизительно в связи со следующими особенностями системы:
1) в ней не воспроизводится динамика вращения колеса (и его привода), которое связано с валом испытываемой энергоустановки в реальном автомобиле. В данной системе эта динамика объединена с динамикой движения автомобиля, что является известным упрощением, выполняемым при допущении пренебрежимо малого проскальзывания колеса;
2) в связи с первой особенностью системы сигнал датчика крутящего момента воздействует не на звено системы управления, связанное с динамикой вращения привода колеса, а на модель сцепления шины и опорной поверхности, что не соответствует физике процесса, имитируемого системой управления, и может в определенной мере исказить воспроизведение режимов работы энергоустановки;
3) применяется обратное решение модели шины итерационным способом.
Задача, решаемая изобретением, направлена на реализацию устройства имитации динамики отдельного привода колес (колеса), связанных в реальном автомобиле с объектом испытаний, а также на обеспечение взаимодействия данного устройства имитации колеса с отдельной от него моделью движения автомобиля или аналогичным ей источником сигналов.
Технический результат, получаемый при реализации изобретения, заключается в повышении точности и адекватности воспроизведения нагрузочных режимов энергоустановки, которые связаны с ее работой в условиях проскальзывания приводимых ей колес автомобиля и в условиях курсового (криволинейного) движения автомобиля путем имитации динамики отдельного привода колеса.
Другой технический результат состоит в расширении диапазона воспроизводимых системой режимов движения автомобиля путем присоединения к ней практически любых моделей движения автомобиля или аналогичных источников сигналов за счет обеспечения автономности функционирования блока модели движения автомобиля.
Заявленные технические результаты достигаются тем, что в автоматизированной системе управления нагружающим устройством для стендовых испытаний автомобильных энергетических установок как минимум с одним силовым агрегатом, имеющим вращающийся вал, содержащей блок модели движения автомобиля и устройство имитации колеса, включающее в себя нагружающее устройство, вал которого механически связан с валом силового агрегата, датчик скорости вращения и датчик крутящего момента, установленные в месте соединения валов нагружающего устройства и силового агрегата, блок модели шины, сумматор и регулятор скорости вращения вала, первый вход которого соединен с выходом датчика скорости вращения, а выход - с исполнительным механизмом нагружающего устройства, согласно изобретению устройство имитации колеса дополнительно содержит блок модели привода, который в реальном автомобиле связывает вал испытываемого силового агрегата энергоустановки с колесами, и интегрирующее звено, постоянная времени которого равна моменту инерции имитируемого колеса и коэффициент усиления равен радиусу имитируемого колеса, при этом вход интегрирующего звена соединен с выходом сумматора, а выход соединен со вторым входом блока модели привода, первый вход которого соединен с выходом датчика момента, при этом первый выход блока модели привода генерирует сигнал силы тяги на колесе, являющийся функцией первого входного сигнала, а второй выход генерирует сигнал задания угловой скорости вала нагружающего устройства и является функцией второго входного сигнала, при этом первый вход сумматора соединен с первым выходом блока модели привода, второй, инвертирующий, вход сумматора соединен с первым выходом блока модели шины, вход которого соединен с выходом блока модели движения автомобиля, первый вход блока модели движения автомобиля соединен со вторым выходом блока модели шины, второй вход блока модели движения автомобиля соединен с выходом интегрирующего звена, и при этом первым выходным сигналом блока модели шины является сумма ее продольной реакции и силы сопротивления качения, вторым выходным сигналом блока модели шины является вектор составляющих ее касательной реакции, а выходным сигналом блока модели автомобиля является вектор составляющих проскальзывания шины и ее нормальная реакция.
В частных случаях реализации изобретения:
- при испытании энергетической установки с несколькими связанными между собой силовыми агрегатами с каждым из агрегатов соединено индивидуальное устройство имитации колеса, подключенное к единому блоку модели движения автомобиля, выполненному при этом с дополнительной функцией координации нагрузочных режимов испытываемых силовых агрегатов;
- для обеспечения имитации управляемого курсового движения автомобиля к третьему входу блока модели движения автомобиля подключен источник сигнала угла поворота рулевого колеса.
На представленных чертежах: на фиг. 1 дана схема предлагаемой автоматизированной системы управления; на фиг. 2 - пример исполнения системы при испытании энергоустановки с несколькими силовыми агрегатами; на фиг. 3 и 4 - пример реализации изобретения: схема комбинированной энергетической установки грузового автомобиля и примерная схема испытаний этой установки с предлагаемой автоматизированной системой управления нагрузочными режимами; на фиг. 5 представлены показатели работы силового привода КЭУ, полученные при ее стендовых испытаниях с воспроизведением криволинейного движения, и показатели работы системы управления стендом.
к
к
к
x
f
В предлагаемой автоматизированной системе управления (фиг. 1) объектом управления является нагружающее устройство 1, вал которого механически соединен с валом объекта испытаний - силовым агрегатом 2 энергоустановки. В месте соединения валов нагружающего устройства 1 и силового агрегата 2 установлены датчик скорости вращения 3 и датчик крутящего момента 4. В нагружающее устройство 1 поступает управляющий сигнал u, который генерируется регулятором 5 скорости вращения вала нагружающего устройства 1. Первый вход регулятора скорости вращения вала 5 соединен с выходом датчика скорости вращения 3. Со вторым входом регулятора скорости вращения вала 5 соединен второй выход блока 6 модели привода, генерирующий сигнал задания ω* скорости вращения вала нагружающего устройства 1, который является функцией ƒ(ω) сигнала второго входа блока модели привода 6. Первый вход блока модели привода 6 соединен с выходом датчика крутящего момента 4. Первый выход блока модели привода 6, генерирующий сигнал силы тяги на колесе F в функции сигнала первого входа блока модели привода 6 ƒ(T), соединен с первым входом сумматора 7. С выходом сумматора 7 соединен вход интегрирующего звена 8, постоянная времени I которого равна моменту инерции имитируемого колеса (колес), а коэффициент передачи k равен радиусу имитируемого колеса. Выход интегрирующего звена 8, генерирующий сигнал скорости вращения колеса ω, соединен со вторым входом блока модели привода 6. Со вторым, инвертирующим, входом сумматора 7 соединен первый выход блока 9 модели шины, который генерирует сигнал суммы продольной реакции шины R и силы сопротивления качения F. Нагружающее устройство 1, датчик скорости вращения 3, датчик крутящего момента 4 и блоки 5-9 образуют устройство имитации колеса (УИК) 10. Введение в УИК 10 блока 6 модели привода и интегрирующего звена 8, а также способ их соединения с сумматором 7 и способ соединения сумматора 7 с блоком 9 модели шины позволяют выполнять имитацию динамики отдельного привода колеса, связанного в реальном автомобиле с объектом испытаний 2, что невозможно осуществить в приведенных аналогах.
x
y
z
Со вторым выходом блока 9 модели шины, генерирующим вектор составляющих ее касательной реакции (например, продольную реакцию R, боковую реакцию R и стабилизирующий момент T), соединен первый вход блока 11 модели движения автомобиля. Второй вход блока 11 соединен с выходом интегрирующего звена 8, при этом третий вход блока может быть соединен с источником (не показан) сигнала угла поворота рулевого колеса (р.к.).
x
y
z
Выход блока 11 модели движения автомобиля, генерирующий вектор составляющих проскальзывания шины (например, продольное проскальзывание S и боковое проскальзывание S) и ее нормальную реакцию R, соединен с входом блока 9 модели шины.
Воспроизведение устройством 10 имитации колеса динамики отдельного привода колеса, а также предлагаемый способ соединения блока 9 модели шины и блока 11 модели движения автомобиля делают последний внешним источником сигналов по отношению УИК 10, что позволяет легко модифицировать содержимое блока модели движения автомобиля или заменять его аналогичными источниками сигналов (к примеру, сигналов, полученных, например, при дорожных испытаниях автомобиля), не внося изменений в УИК 10 при необходимости усложнения или упрощения режимов испытаний.
Объект испытаний 2 может представлять собой один из следующих силовых агрегатов энергоустановки автомобиля, имеющий выходной приводной вал: двигатель (тепловой/электрический/гидравлический); двигатель, соединенный с механической или гидромеханической трансмиссией. Нагружающее устройство 1 может представлять собой электромашину или гидромашину. Знание момента инерции и внутренних потерь нагружающего устройства 1 не требуется при использовании предлагаемой системы управления. Блок 6 модели привода содержит модель силового привода, который в реальном автомобиле располагается между силовым агрегатом энергоустановки (объект испытаний 2) и связанными с ним колесами автомобиля. Модель силового привода характеризуется переменными двух типов: кинематического (скорости вращения валов привода) и силового (крутящие моменты на валах привода). Каждому из этих типов переменных соответствует пара «вход-выход» блока модели привода 6. Функциональная связь между входом и соответствующим ему выходом отражает либо кинематические преобразующие свойства привода (передаточное число/числа), либо его силовые преобразующие свойства (передаточное число/числа, КПД).
z
x
y
x
f
x
y
z
x
Блок 9 модели шины содержит одну из известных моделей, отражающих сцепные свойства шины и ее сопротивление качения. Входными сигналами блока модели шины являются: составляющие ее проскальзывания и нормальная реакция R. На фиг. 1 в качестве примера приведены продольная S и боковая S составляющие проскальзывания, которые необходимо использовать для имитации курсового движения автомобиля. При имитации прямолинейного движения автомобиля достаточно использовать составляющую S. Выходными сигналами блока модели шины являются составляющие силовых факторов в контакте шины с опорной поверхностью (касательные реакции), а также ее сопротивление качения F. Также в качестве примера на фиг. 1 приведены силовые факторы, необходимые для имитации курсового движения автомобиля: продольная реакция R, боковая реакция R и стабилизирующий момент T. Для имитации прямолинейного движения автомобиля достаточно использовать реакцию R. Модель шины может отражать несколько шин в виде одной эквивалентной, если объект испытаний 2 приводит несколько колес или осей в реальном автомобиле.
к
Блок 11 модели движения автомобиля содержит одну из известных моделей прямолинейного или курсового движения автомобиля. Его входными сигналами являются касательные реакции шин автомобиля, получаемые от соответствующих моделей шины, а также скорости вращения ωсоответствующих колес. Выходными сигналами блока 11 модели движения автомобиля являются составляющие проскальзывания шин автомобиля и их нормальные реакции.
1
2
3
Энергоустановка 12, имеющая несколько силовых агрегатов (фиг. 2), которые связаны между собой силовыми соединениями (механическими/электрическими/гидравлическими) и/или общей системой управления, рассматривается как несколько объектов испытаний 2, 13, 15 (допускается любое число объектов испытаний). Для испытаний энергоустановки 12 к каждому объекту испытаний 2, 13, 15 присоединяется отдельное устройство 10 имитации колеса (10, 10, 10).
1
2
3
При этом УПК 10, 10, 10 идентичны и соединяются с общим блоком 11 модели движения автомобиля в соответствии с фиг. 1.
Описание работы системы
к
к
x
f
к
к
x
y
x
y
z
к
Крутящий момент Т на валу объекта испытаний 2 измеряется датчиком 4 крутящего момента и в виде сигнала отправляется в блок 6 модели привода, в котором действие крутящего момента Т пересчитывается в силу тяги F на колесе (колесах), которое объект испытаний 2 приводит в реальном автомобиле. Сигнал силы тяги F передается в первый вход сумматора 7, на второй, инвертирующий, вход которого от блока 9 модели шины передается расчетная сумма продольной реакции R шины и ее силы сопротивления качения F. Результат операции, производящейся сумматором 7, поступает на вход интегрирующего звена 8, которое вычисляет угловую скорость ω имитируемого колеса, связанного с объектом испытаний 2, в реальном автомобиле. Результат операции, производящейся интегрирующим звеном 8, поступает на второй вход блока 6 модели привода, который пересчитывает угловую скорость ω имитируемого колеса в сигнал задания скорости вращения ω* вала нагружающего устройства 1, передающийся затем во второй вход регулятора 5 скорости вращения вала. В качестве сигнала обратной связи в первый вход регулятора 5 передается выходной сигнал ω датчика 3 скорости вращения. В результате операций, производящихся регулятором 5 скорости вращения вала над сигналами ω* и ω, на выходе регулятора 5 генерируется управляющий сигнал u, поступающий на вход нагружающего устройства 1. Нагружающее устройство 1 создает момент нагрузки, компенсирующий расхождение значений ω и ω*, синхронизируя таким образом работу объекта испытания 2 и блока 11 модели движения автомобиля, с помощью которого воспроизводятся исследуемые режимы работы объекта испытания 2. Блок 11 модели движения автомобиля рассчитывает проскальзывание (например, компоненты проскальзывания S, S) шины автомобиля с использованием значений касательных реакций (например, R, R, T), получаемых от блока 9 модели шины, и значения скорости вращения колеса ω. Рассчитанное проскальзывание определяет степень независимости динамики блока 11 модели движения автомобиля и УИК 10.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
При испытаниях энергоустановки 12 с несколькими силовыми агрегатами 2, 13, 14 (фиг. 2) блок 11 модели движения автомобиля автоматически координирует работу УИК 10, 10, 10 с помощью расчета проскальзываний каждой из шин, имитируемых блоком модели шины 9 каждого УИК 10, 10, 10, относительно опорной поверхности, с которой контактирует общая для всех УИК 10, 10, 10 модель автомобиля, находящаяся в блоке 11 модели движения автомобиля.
Пример
Комбинированные энергоустановки представляют собой системы, комбинирующие двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с компонентами электрического или гидравлического привода, накопителем энергии (например, батареей электрохимических аккумуляторов или гидропневматическим аккумулятором) и узлами механической трансмиссии, поэтому технология КЭУ дает большие возможности для создания силовых установок с индивидуальными приводами колес. Функциональность предлагаемой системы управления нагружающими устройствами может быть наиболее полно задействована при испытаниях таких силовых установок.
Предлагаемая система была разработана для стендовых испытаний для исследования КЭУ грузового автомобиля (фиг. 3), который создавался в рамках опытно-конструкторских работ. КЭУ осуществляет привод задних колес автомобиля расположенными последовательно и механически соединенными ДВС 15, электромашиной 16 и автоматической коробкой передач 11, которые конструктивно объединены в один силовой агрегат 2. Привод каждого из передних колес автомобиля осуществляется электромашинами 13, 14. Аккумуляторная батарея (не показана) соединена силовой электрической сетью с электромашинами 13, 14 и 16.
Нагружающие устройства 1, имитирующие режимы нагрузки агрегатов КЭУ при движении автомобиля, соединены с валами объектов испытаний 2, 13 и 14 соответственно. Обратные связи обеспечиваются датчиками, измеряющими одновременно крутящий момент Т и скорость вращения ω вала (пары датчиков (3, 4)). Программная часть системы управления нагружающими устройствами находится в электронном блоке 18.
На фиг. 5 сверху вниз на графиках показаны следующие переменные, полученные при воспроизведении движения автомобиля в повороте:
- сигнал поворота рулевого колеса автомобиля (р.к.), который подается в блок модели автомобиля 11, находящемся в электронном блоке 18;
i
i
- сигналы задания скоростей вращения валов ω* приводов и соответствующие сигналы скоростей валов ω, измеренные датчиками скоростей вращения 3 на валах объектов испытаний 2, 13, 14;
i
- крутящие моменты T на валах объектов испытаний 2, 13, 14, измеренные датчиками 4 крутящих моментов.