CN113466693A - 一种基于典型负载及其线性组合的负载模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于典型负载及其线性组合的负载模拟方法：工况中的负载特性划分为恒定转矩负载、恒定功率负载、平方律转矩负载、线性律转矩负载、一阶微分负载；用典型负载及其线性组合对给定的负载转矩进行表示
对拖实验平台搭建；驱动电机控制器输入设定参考转速，扭矩传感器测定驱动扭矩，测定驱动电机电机转速，两种参数反馈到驱动电机控制器；通过理论分析，得到待模拟负荷中的典型负载的负载系数KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka，一起代入上式得到Tref，输入负载电机控制器中，由负载电机控制器对负载电机进行控制，实现对驱动电机端施加复杂负载转矩的模拟。本发明实现通过简单调整系数来模拟工况的目的，有效降低工况模拟成本，缩短开发周期。
Description
技术领域
本发明涉及动力装置测试的负载模拟技术方向，属于动力学测试领域，更具体地说，是涉及一种基于典型负载及其线性组合的负载模拟方法。
背景技术
动力性能测试是评价机械装备性能和可靠性的一个必不可少的环节。对动力装置进行测试时，一般利用电动机模拟负载对被测装置进行加载，从而分析其响应特性。这种电动负载模拟技术不仅可以评价动力装置的动力学性能，还可以模拟装置的实际运行工况，完成动力装置的半实物仿真设计，从而实现全面系统化的测试。
在工业现场、实际道路及其它复杂环境工况中，负载的种类是复杂且多变的。为了模拟复杂工况，供测试人员和监测人员应用，提出构建数据模拟生成系统的需求，需要对复杂环境中的工况进行分类分析其生成特性，并将传统单模型拓展到多模型形式。
实际应用现场工况均可以通过电机提供的不同转矩来进行替代，但是实际工况较为复杂，需要探究电机输出转矩与控制参数之间的直接关系来达到工况模拟的要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有通用性的基于典型负载及其线性组合的负载模拟方法，通过对负载标准化的形式，将应用现场的复杂负载转矩分解为几种典型负载的线性组合，得到该设计背景下的工况函数，实现通过简单调整系数来模拟工况的目的，有效降低工况模拟成本，缩短开发周期。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明基于典型负载及其线性组合的负载模拟方法，包括以下过程：
第一步：典型负载分类
工况中的负载特性划分为如下几种典型负载：恒定转矩负载、恒定功率负载、平方律转矩负载、线性律转矩负载、一阶微分负载；
①恒定转矩负载的负载转矩与转速之间的关系为：
式中，TcT为恒定转矩负载的负载转矩；KcT为恒定转矩负载系数；nr为电机转速；
②恒定功率负载的负载转矩与转速之间的关系为：
式中，Tcp为恒定功率负载的负载转矩；Kcp为恒定功率负载系数；
③平方律转矩负载的负载转矩与转速之间的关系为：
式中，Tsq为平方律转矩负载的负载转矩；Ksq为平方律转矩负载系数；
④线性律转矩负载的负载转矩与转速之间的关系为：
Tl＝Kl×nr (4)
式中，Tl为线性律转矩负载的负载转矩；Kl为线性律转矩负载系数；
⑤一阶微分负载的负载转矩与转速之间的关系为：
式中，Ta为一阶微分负载的负载转矩；Ka为一阶微分负载系数；
第二步：典型负载的线性组合
用典型负载及其线性组合对给定的负载转矩Tref进行表示：
TrefTcT+Tcp+Tsq+Tl+Ta (6)
代入负载系数，表示为负载转矩与电机转速之间的对应关系：
第三步：对拖实验平台搭建
驱动电机、扭矩传感器和负载电机固定于平台上，扭矩传感器一端通过联轴器连接驱动电机，另一端通过联轴器连接负载电机，驱动电机和扭矩传感器均通过电缆连接驱动电机控制器，负载电机通过电缆连接负载电机控制器；
第四步：工况模拟
对驱动电机控制器输入设定参考转速，控制驱动电机转动，扭矩传感器测定驱动扭矩，光电编码器测定驱动电机的电机转速nr，将驱动扭矩和电机转速反馈到驱动电机控制器，对驱动电机的控制形成转速与扭矩的两个闭环结构；通过理论分析，得到待模拟负荷中的典型负载的负载系数KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka，将nr、KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka代入公式(7)中得到给定的负载转矩Tref，输入负载电机控制器中，由负载电机控制器对负载电机进行控制，实现对驱动电机端施加复杂负载转矩的模拟。
第四步中通过理论分析，得到待模拟负荷中的典型负载的负载系数KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka，具体过程：根据待模拟负荷的功耗模型展开式中各项关于角速度ω的形式，结合公式(1)～(5)中关于电机转速nr的形式，将待模拟负荷的功耗模型展开式中各项提取出来，对应地分别等于与其形式相同的TcT、Tcp、Tsq、Tl、Ta，再结合电机转速nr与角速度ω的关系式，将提取后得到的关于角速度ω的各项转换为关于电机转速nr的关系式，对应地再对比公式(7)各项形式，即可得到负载系数KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka，其中，未涉及到的负载系数KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka赋值为0。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
复杂负载转矩均可以分解为几种典型负载的线性组合，于是本发明将几种典型负载分别进行分析，分别建立负载模型，得到复杂转矩负载对应的各个典型负载转矩组合关系，从而实现了复杂转矩的标准化输入，可以基于标准对所需工况进行快速模拟，有效降低复杂负载模拟的成本。
本发明实现了复杂转矩的标准化输入，能够在分析被测物体的受力模型之后建立其负载转矩与速度之间的函数关系，快速实现不同种类的工况模拟。相比于传统的工况模拟方法，缩短了不同工况模拟的开发周期，同时降低了开发成本与技术需求。
附图说明
图1是对拖实验平台示意图；
图2是负载模拟原理示意图。
附图标记：1-电缆；2-平台；3-驱动电机；4-联轴器；
5-扭矩传感器；6-负载电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明基于典型负载及其线性组合的负载模拟方法，一般工况都是驱动与时间的函数关系，可以通过一些现有的仿真软件转化为电机转矩与时间的函数关系，结合典型负载的线性组合，通过设定指定负载系数控制电机按照设定的时间阶段输出指定的转矩，从而实现工况模拟的目的。具体过程如下：
第一步：典型负载分类
工况中的负载特性根据其所需负载可以划分为如下几种典型负载：恒定转矩负载、恒定功率负载、平方律转矩负载、线性律转矩负载、一阶微分负载；任何工况都可以通过典型负载的线性组合表示。
①恒定转矩负载的负载转矩在任何转速下始终恒定或几乎恒定，其负载转矩与转速之间的关系为：
式中，TcT为恒定转矩负载的负载转矩；KcT为恒定转矩负载系数；nr为电机转速。常见的恒转矩负载设备有客梯、货梯、紧线器、传送带等，当负载载满人或物的时候运行，就是体现了其恒转矩负载特性。
②恒定功率负载所要求的负载转矩与转速成反比，以达到输出恒定功率的要求，其负载转矩与转速之间的关系为：
式中，Tcp为恒定功率负载的负载转矩；Kcp为恒定功率负载系数。负载的恒功率性质是有一个转速限制的。转速过小时，动力机械的转矩不会是无限大，此时输出转矩变为恒定值。常见的恒定功率负载几乎均与绕制卷材相关，机床主轴、开卷机等，这一类负载的特点就是其卷径与负载成正比，与转速成反比。
③平方律转矩负载的负载转矩与转速的平方成正比，其负载转矩与转速之间的关系为：
式中，Tsq为平方律转矩负载的负载转矩；Ksq为平方律转矩负载系数。。由于平方律转矩负载的输出功率是转速的三次方的倍数，若输出频率过高，功率会急剧上升，可能会导致电机过热无法运转，从而发生危险，因此在应用时要格外注意这个问题。常见的平方律负载转矩有水泵、风机、推进器等。
④线性律转矩负载的负载转矩与转速的倍数关系，其负载转矩与转速之间的关系为：
Tl＝Kl×nr (4)
式中，Tl为线性律转矩负载的负载转矩；Kl为线性律转矩负载系数。轧钢机是常见的线性律负载。线性律负载在调速时的控制方法与平方律负载类似，但是其节能效果又不如二次方律负载突出，所以相对使用的不是很多。
⑤一阶微分负载的负载转矩与转速的一阶微分成倍数关系，其负载转矩与转速之间的关系为：
式中，Ta为一阶微分负载的负载转矩；Ka为一阶微分负载系数。一阶微分负载的产生原因主要是系统惯性，由于惯性的存在，在运动状态发生改变时会产生一个阻碍其变化的负载转矩。常见的一阶微分负载有电动汽车的加速阻尼负载。
第二步：典型负载的线性组合
根据对典型负载的分析，可以用典型负载及其线性组合对给定的复杂负载转矩进行表示，因此模拟负载实验系统的给定负载转矩Tref的表达式可写为：
Tref＝TcT+Tcp+Tsq+Tl+Ta (6)
代入负载系数，可以表示为负载转矩与电机转速之间的对应关系：
因此，可以通过对负载系数进行设置来快速模拟不同复杂负载实现，从而实现对各类负载进行模拟。
第三步：对拖实验平台搭建
如图1和图2所示，驱动电机3、扭矩传感器5和负载电机6固定于平台2上，扭矩传感器5一端通过联轴器4连接驱动电机3，另一端通过联轴器4连接负载电机6，驱动电机3和扭矩传感器5均通过电缆1连接驱动电机控制器，负载电机6通过电缆1连接负载电机控制器。
第四步：工况模拟
对驱动电机控制器输入设定参考转速nref，控制驱动电机转动，由扭矩传感器测定驱动扭矩Te，驱动电机自身的光电编码器测定驱动电机的电机转速nr，将驱动扭矩Te和电机转速nr反馈到驱动电机控制器，对驱动电机的控制形成转速与扭矩的两个闭环结构，有效的控制驱动电机按照设定参数运转，为复杂负载工况的模拟设置基础环境。通过理论分析，得到待模拟负荷中的典型负载的负载系数KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka，将nr、KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka代入公式(7)中得到给定的负载转矩Tref，输入负载电机控制器中，由负载电机控制器对负载电机进行控制，实现对驱动电机端施加复杂负载转矩的模拟。
在实际工况模拟的过程中，根据情景的不同，公式(7)中的系数需要进行一定的调整，需要对作业需求进行简单的分析，确定该情景中被观测物体的实际受力情况，建立该情景中，被观测物体的受力分析模型，并转换为转矩与速度的关系式，即可得到该情景中的复杂转矩与电机转速的关系。模拟工况过程，即按照需求将复杂转矩按一定时间进行设定，得到转矩与时间的对应函数关系。
其中，通过理论分析，得到待模拟负荷中的典型负载的负载系数KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka，具体过程：根据待模拟负荷的功耗模型展开式中各项关于角速度ω的形式，结合公式(1)～(5)中关于电机转速nr的形式，将待模拟负荷的功耗模型展开式中各项提取出来，对应地分别等于与其形式相同的TcT、Tcp、Tsq、Tl、Ta，再结合电机转速nr与角速度ω的关系式，将提取后得到的关于角速度ω的各项转换为关于电机转速nr的关系式，对应地再对比公式(7)各项形式，即可得到负载系数KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka，其中，未涉及到的负载系数KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka赋值为0。
例如：以滚筒类的实际工况进行描述，根据滚筒类的功耗模型可以定义为发动机提供的功WE、滚筒的动能Eg、滚筒转动过程中的损耗Wg和滚筒中携带物体的动能Ew四部分之间的关系，其关系可以表示为：
WE＝Eg+Wg+Ew (8)
具体可以体现为：
式中，ω为滚筒运行时的角速度；J、R分别为滚筒的转动惯量和等效半径；N为发动机提供给滚筒的功率；A、B均为反映滚筒克服运动副摩擦力和空气阻力的系数；f为滚筒摩擦系数；γ为携带物体的质量比；τ为携带物体在出口的速度和滚筒圆周速度之比；q为单位时间进入滚筒的物质总质量。
其中，负载转矩部分由三部分因素构成：滚筒自身速度变化，运动副摩擦力和空气阻力，以及滚筒中物质的速度变化。滚筒绕轴旋转，可以表示为转动惯量与其加速度的形式(一阶微分负载)：
运动副摩擦力和空气阻力部分根据M.A.普斯狄金的实验研究，可以表示为常系数与滚筒旋转角速度之间的关系(恒定转矩负载和平方律转矩负载)：
TcT+Tsq＝A+Bω2 (11)
滚筒的物质的速度变化与其进入滚筒和从滚筒出来的速度相关，因为进入滚筒的速度为零，可以表示为转速的一次项形式(线性律转矩负载)：
结合电机转速与滚筒角速度之间的关系：
式中，r为滚筒半径，io为电机滚筒电机传动比。结合上式，可以将滚筒类负载转矩表示为：
B′为角速度转换为转速后对应表示滚筒克服空气阻力的系数。根据上式可以看出，滚筒负载模拟所需的负载转矩即可分解为转速的零次项KcT、平方项Ksq、转速的一次项Kl和转速的微分项Ka分别为A、B′、
和
在实际对这一系统进行负载实验的时候即可将负载转矩给定值分为这三部分分别进行计算，最后再进行相加得到复合计算值作为系统的给定转矩值。
在共同式模拟过程中，根据滚筒的实际参数进行代入，式(7)中未涉及到的参数项系数赋值为0，就可以按照所需设定负载转矩与时间的函数关系，实现滚筒的工况模拟。
其他工况的模拟方法与之类似，都可以通过对其系统进行分析，计算得到对应参数项系数，以简单赋值的形式进行调整，实现对应工况的模拟。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (2)
1.一种基于典型负载及其线性组合的负载模拟方法，其特征在于，包括以下过程：
第一步：典型负载分类
工况中的负载特性划分为如下几种典型负载：恒定转矩负载、恒定功率负载、平方律转矩负载、线性律转矩负载、一阶微分负载；
①恒定转矩负载的负载转矩与转速之间的关系为：
式中，TcT为恒定转矩负载的负载转矩；KcT为恒定转矩负载系数；nr为电机转速；
②恒定功率负载的负载转矩与转速之间的关系为：
式中，Tcp为恒定功率负载的负载转矩；Kcp为恒定功率负载系数；
③平方律转矩负载的负载转矩与转速之间的关系为：
式中，Tsq为平方律转矩负载的负载转矩；Ksq为平方律转矩负载系数；
④线性律转矩负载的负载转矩与转速之间的关系为：
Tl＝Kl×nr (4)
式中，Tl为线性律转矩负载的负载转矩；Kl为线性律转矩负载系数；
⑤一阶微分负载的负载转矩与转速之间的关系为：
式中，Ta为一阶微分负载的负载转矩；Ka为一阶微分负载系数；
第二步：典型负载的线性组合
用典型负载及其线性组合对给定的负载转矩Tref进行表示：
Tref＝TcT+Tcp+Tsq+Tl+Ta (6)
代入负载系数，表示为负载转矩与电机转速之间的对应关系：
第三步：对拖实验平台搭建
驱动电机、扭矩传感器和负载电机固定于平台上，扭矩传感器一端通过联轴器连接驱动电机，另一端通过联轴器连接负载电机，驱动电机和扭矩传感器均通过电缆连接驱动电机控制器，负载电机通过电缆连接负载电机控制器；
第四步：工况模拟
对驱动电机控制器输入设定参考转速，控制驱动电机转动，扭矩传感器测定驱动扭矩，光电编码器测定驱动电机的电机转速nr，将驱动扭矩和电机转速反馈到驱动电机控制器，对驱动电机的控制形成转速与扭矩的两个闭环结构；通过理论分析，得到待模拟负荷中的典型负载的负载系数KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka，将nr、KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka代入公式(7)中得到给定的负载转矩Tref，输入负载电机控制器中，由负载电机控制器对负载电机进行控制，实现对驱动电机端施加复杂负载转矩的模拟。
2.根据权利要求1所述的基于典型负载及其线性组合的负载模拟方法，其特征在于，第四步中通过理论分析，得到待模拟负荷中的典型负载的负载系数KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka，具体过程：根据待模拟负荷的功耗模型展开式中各项关于角速度ω的形式，结合公式(1)～(5)中关于电机转速nr的形式，将待模拟负荷的功耗模型展开式中各项提取出来，对应地分别等于与其形式相同的TcT、Tcp、Tsq、Tl、Ta，再结合电机转速nr与角速度ω的关系式，将提取后得到的关于角速度ω的各项转换为关于电机转速nr的关系式，对应地再对比公式(7)各项形式，即可得到负载系数KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka，其中，未涉及到的负载系数KcT、Kcp、Ksq、Kl、Ka赋值为0。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211001 |