JP2008070119A - Method and device for controlling engine bench system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エンジンベンチシステムの制御方法とその装置に係り、特に直接制御ゲインを求める制御方法と装置に関するものである。 The present invention relates to an engine bench system control method and apparatus, and more particularly to a control method and apparatus for directly obtaining a control gain.
供試エンジンと動力吸収体としての動力計を結合シャフトにより連結し、動力計をインバータにより制御するよう構成されたエンジンベンチシステムにおいては、トルク設定値と検出トルク値との偏差を演算部においてPID演算を実行し、その演算結果をもとに速度やトルクの制御を行っている。PID制御されるエンジンベンチシステムでは、エンジンが発生する脈動トルクにより結合シャフトの共振破壊を起こす虞れがある。そこで、共振抑制を必要とするエンジンベンチシステムの軸トルクの制御方法として、ロバスト制御設計理論の一つであるμ設計法を用いた軸トルク制御方法が特許文献1によって公知となっている。
In an engine bench system configured to connect a test engine and a dynamometer as a power absorber by a coupling shaft and control the dynamometer by an inverter, the calculation unit calculates a deviation between the torque setting value and the detected torque value. Calculations are executed, and speed and torque are controlled based on the calculation results. In an engine bench system that is PID controlled, there is a risk that resonance of the coupling shaft may occur due to pulsating torque generated by the engine. Therefore,
特許文献1では、動力計のトルク指令値から動力計トルクへの伝達関数と、エンジントルク又は動力トルクからエンジン速度、軸トルク、又は動力計速度への伝達関数に対して、コントローラはμ設計法を基に構成し、構造化特異値μを用いて各摂動に対してロバスト安定、及びロバスト性能の条件とした伝達関数を持つ構成としている。そして、μ設計法における外乱入力は軸トルクや動力計速度検出信号にし、制御量はトルク偏差、エンジン負荷トルク指令値とし、摂動項はエンジン慣性モーメント、軸ばね定数としている。
特許文献1のものは、μ設計法を基に構成したコントローラによって軸トルク又はエンジン負荷トルク制御を行っているため、エンジンの各種特性の計測が安定して、且つ高速に得られる利点を有している。
The thing of
しかし、この文献のものは、大きく分けて(1)制御対象のモデル化、(2)重み関数の決定という2つの作業が必要となり、そのうちの重み関数の決定には試行錯誤を要し時間がかかる問題を有している。システムの制御仕様によってはμ設計法を用いなくともよい仕様があり、そのような仕様に対するPID制御的な方式で共振抑制効果を持つ軸トルク制御方法が要望されている。 However, this document requires roughly two operations: (1) modeling of the controlled object and (2) determination of the weighting function. Of these, the determination of the weighting function requires trial and error and takes time. It has such a problem. Depending on the control specifications of the system, there is a specification that does not require the μ design method, and there is a demand for a shaft torque control method having a resonance suppression effect in a PID control system for such specifications.
本発明が目的とするところは、重み関数を調整することなく直接制御ゲインの算出が可能な制御方法と装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a control method and apparatus capable of directly calculating a control gain without adjusting a weight function.
本発明の請求項1は、エンジンと動力計を結合シャフトにて連結し、この結合シャフトの軸トルク、エンジンの角速度及び動力計角速度を検出し、各検出された測定値と軸トルク指令値との演算に基づきインバータを介して動力計を制御するよう構成したエンジンベンチシステムにおいて、
前記インバータに対する動力計トルク制御信号T2を演算する制御器は、次式に基づくことを特徴としたものである。
The controller for calculating the dynamometer torque control signal T2 for the inverter is based on the following equation.
T2=(Ki/s)*(T12r−T12)−(Kp+s*Kd)/(a2*s*s+a1*s+1)*T12
ただし、Ki:積分係数、T12r:軸トルク指令値、T12:軸トルク検出値、Kp:比例係数、Kd:微分係数、a1、a2:フィルタ係数
本発明の請求項2は、前記結合シャフトに非線形ばね特性を有するエンジンベンチシステムでは、前記軸トルク値に基づく非線形ばね特性の共振周波数に対する結合シャフト剛性を求めてから前記動力計トルク制御信号T2を演算することを特徴としたものである。
T2 = (Ki / s) * (T12r-T12)-(Kp + s * Kd) / (a2 * s * s + a1 * s + 1) * T12
However, Ki: integral coefficient, T12r: shaft torque command value, T12: shaft torque detected value, Kp: proportional coefficient, Kd: differential coefficient, a1, a2:
本発明の請求項3は、エンジンと動力計を結合シャフトにて連結し、この結合シャフトの軸トルク、エンジンの角速度及び動力計角速度を検出し、各検出された測定値と軸トルク指令値との演算に基づきインバータを介して動力計を制御するよう構成したエンジンベンチシステムにおいて、
前記インバータを制御する制御器は、検出された軸トルク値に基づき捩れトルク−共振周波数を表すテーブル作成手段と、このテーブル作成手段によって求められた共振周波数に対する結合シャフトばね剛性演算部と、算出された結合シャフトのばね剛性値を用いて積分係数、比例係数、微分係数、a2及び a1の各係数を演算する重み係数演算部と、前記軸トルク指令値と軸トルク値との差信号を、重み係数演算部で算出された積分係数を用いて演算する積分要素部と、前記軸トルク値を重み係数演算部で算出された係数を用いて比例・微分要素を演算する比例・微分要素部と、積分要素部の出力と比例・微分要素部との差信号を演算する手段を備えたことを特徴としたものである。
According to a third aspect of the present invention, the engine and the dynamometer are connected by a coupling shaft, the shaft torque of the coupling shaft, the angular velocity of the engine, and the dynamometer angular velocity are detected. In an engine bench system configured to control a dynamometer via an inverter based on the calculation of
The controller for controlling the inverter is calculated based on the detected shaft torque value and a table creating means for representing the torsion torque-resonance frequency, and a coupled shaft spring stiffness calculating section for the resonance frequency obtained by the table creating means. A weight coefficient calculating unit for calculating each of the integral coefficient, proportional coefficient, differential coefficient, a2 and a1 coefficients using the spring stiffness value of the coupled shaft, and the difference signal between the shaft torque command value and the shaft torque value. An integration element unit that calculates using an integration coefficient calculated by a coefficient calculation unit; a proportional / differentiation element unit that calculates a proportional / differential element using the coefficient calculated by the weight coefficient calculation unit for the shaft torque value; A means for calculating a difference signal between the output of the integral element part and the proportional / differential element part is provided.
以上のとおり、本発明によれば、エンジンベンチシステムの制御において、直接制御ゲインを決定することが可能となるので、従来のように重み係数の調整をすることなく、容易に共振抑制効果を持つ制御ゲインを求めることが可能となるものである。
また、共振周波数が変化する非線形のエンジンベンチシステムに対しても、各共振点が抑制される効果を有するものである
As described above, according to the present invention, it is possible to directly determine the control gain in the control of the engine bench system. Therefore, the resonance suppression effect can be easily obtained without adjusting the weighting coefficient as in the prior art. It is possible to obtain the control gain.
In addition, it has the effect of suppressing each resonance point even for a nonlinear engine bench system in which the resonance frequency changes.
本発明の具体的な説明に先立って、根拠となる技術について説明する。
一般にエンジンベンチシステムの機械系構成は2慣性系以上の多慣性系機械系モデルとして表現されるが、本発明では2慣性系と近似できるようなエンジンベンチシステムを対象としている。図1はその2慣性の機械系モデルを示したものである。
Prior to a specific description of the present invention, the underlying technology will be described.
In general, the mechanical system configuration of an engine bench system is expressed as a multi-inertia system model having two or more inertia systems, but the present invention is directed to an engine bench system that can be approximated to a two-inertia system. FIG. 1 shows the two-inertia mechanical system model.
2慣性系機械モデルの運動方程式は、J1:エンジン慣性モーメント、J2:動力計慣性モーメント、K12:結合シャフトばね剛性、T12:結合シャフト捩れトルク(軸トルク)、w1:エンジン角速度、w2:動力計角速度、T2:動力計トルクとし、ラプラス演算子をsとすると、(1)〜(3)式となる。 The equation of motion of the 2-inertia machine model is as follows: J1: Engine moment of inertia, J2: Dynamometer moment of inertia, K12: Coupling shaft spring stiffness, T12: Coupling shaft torsion torque (shaft torque), w1: Engine angular velocity, w2: Dynamometer When the angular velocity, T2: dynamometer torque, and the Laplace operator as s, equations (1) to (3) are obtained.
ここで、(1)〜(3)式をw1、w2及び T12について解くことにより、(4)
式となる。
Here, by solving equations (1) to (3) for w1, w2 and T12, (4)
It becomes an expression.
本発明では、軸トルクT12の指令値をT12rとして表して、動力計トルクT2を(5)式の演算に基づいて制御するものである。 In the present invention, the command value of the shaft torque T12 is expressed as T12r, and the dynamometer torque T2 is controlled based on the calculation of equation (5).
ここで、(4)式と(5)式をまとめて、T12、 T2について解くと(6)式となる。 Here, when Equations (4) and (5) are combined and solved for T12 and T2, Equation (6) is obtained.
ただし、Kiは積分係数、Kpは比例係数、Kd微分係数、a1、a2はフィルタ係数である。(6)式の分母多項式は5次式であり、定数項J1*J2*Kiで分母多項式を割り、定数項を1にした式の1次〜5次の係数は、Ki、 Kp、Kd、 a2、 a1に関して独立になっている。したがって、(6)式の分母多項式が
1+c1*s+c2*s^2+c3*s^3+c4*s^4+c5*^5になるように係数比較を行うと(7)〜(11)式となって、それぞれの係数Ki、 Kp、Kd、 a2、 a1を決定すればよい。
Here, Ki is an integral coefficient, Kp is a proportional coefficient, Kd differential coefficient, and a1 and a2 are filter coefficients. The denominator polynomial in equation (6) is a quintic equation, and the denominator polynomial is divided by the constant term J1 * J2 * Ki, and the first to fifth coefficients of the equation with the constant term set to 1 are Ki, Kp, Kd, a2 and a1 are independent. Therefore, if the coefficients are compared so that the denominator polynomial of equation (6) becomes 1 + c1 * s + c2 * s ^ 2 + c3 * s ^ 3 + c4 * s ^ 4 + c5 * ^ 5, equations (7) to (11) are obtained. The coefficients Ki, Kp, Kd, a2, and a1 may be determined.
本発明の第1の実施例は、図1のようにモデル化されて(1)〜(3)式のように表現される2慣性系近似のエンジンベンチシステムにおいて、先ず共振周波数wc(rad/s)を(1)〜(3)式より12式のようにして求める。
K12=J1*J2*wc^2/(J1+J2)……(12)
次に、適切なダンピング特性を持つ5次の多項式を選択する。例えば、全ての極がダンピング係数1となる二項係数型として、
1/(s+1)5=1/((1+(5*s)+(10*s^2)+(10*s^3)+(5*s^4)+s^5))
と振動要素のない特性を求め、sをs/wcで置き換えて、その係数をc1〜
c5とする。
The first embodiment of the present invention is a two-inertia approximation engine bench system that is modeled as shown in FIG. 1 and expressed as equations (1) to (3). First, the resonance frequency wc (rad / s) is obtained from Equations (1) to (3) as shown in Equation 12.
K12 = J1 * J2 * wc ^ 2 / (J1 + J2) (12)
Next, a fifth order polynomial having an appropriate damping characteristic is selected. For example, as a binomial coefficient type in which all poles have a damping coefficient of 1,
1 / (s + 1) 5 = 1 / ((1+ (5 * s) + (10 * s ^ 2) + (10 * s ^ 3) + (5 * s ^ 4) + s ^ 5))
And the characteristic without the vibration element, s is replaced with s / wc, and the coefficient is c1
c5.
二項計数型では、c1=5/wc、c2=10/wc、c3=10/wc^3、c4=5/wc^4、c5=1/wc^5となる。求めた係数c1〜c5に対して、(7)〜(11)式に従い(5)式で示されるPID型制御器のパラメータKi、 Kp、Kd、 a2、 a1を決定する。 In the binomial counting type, c1 = 5 / wc, c2 = 10 / wc, c3 = 10 / wc ^ 3, c4 = 5 / wc ^ 4, and c5 = 1 / wc ^ 5. For the obtained coefficients c1 to c5, parameters Ki, Kp, Kd, a2, and a1 of the PID type controller expressed by equation (5) are determined according to equations (7) to (11).
図4は、従来におけるエンジンベンチシステムの特性図を示したものである。この図は、過去の実機による設計値からJ1=0.2、K12=1500、J2=0.7の場合のT2→T12のボード線図で、この場合のエンジンベンチシステムでは約15Hzに共振周波数を持ち、また、動力計トルク指令T2から軸トルク検出T12までの定常ゲイン(低域でのゲイン)も約−13dBになっている。 FIG. 4 shows a characteristic diagram of a conventional engine bench system. This figure is a Bode diagram from T2 to T12 when J1 = 0.2, K12 = 1500, and J2 = 0.7 based on design values based on past actual machines. In this case, the engine bench system has a resonance frequency of about 15 Hz. The steady-state gain (gain in the low range) from the dynamometer torque command T2 to the shaft torque detection T12 is also about -13 dB.
図3は、本発明の実施例1に基づいて計測されたエンジンベンチシステムの特性図を示したものである。すなわち、(7)〜(11)式に基づいて算出したKi、 Kp、Kd、 a2、 a1の各ゲインを(5)式に従って直接制御ゲインを求めた場合の軸トルク指令値T12rから軸トルク検出T12のボード線図である。 FIG. 3 shows a characteristic diagram of the engine bench system measured based on the first embodiment of the present invention. That is, the shaft torque is detected from the shaft torque command value T12r when the gains of Ki, Kp, Kd, a2, and a1 calculated based on the equations (7) to (11) are directly calculated according to the equation (5). It is a Bode diagram of T12.
図3と図4との比較から明らかなように、図4では15Hz付近に共振周波数を持ち、且つ0Hz付近での定常(低域)ゲインにおいては略−13dBとなっている。これに対して図3で示す本発明の場合では、図4のような共振周波数はなく、また、低域でのゲインは0dBとなっている。 As apparent from the comparison between FIG. 3 and FIG. 4, in FIG. 4, the resonance frequency is near 15 Hz, and the steady (low frequency) gain near 0 Hz is about −13 dB. On the other hand, in the case of the present invention shown in FIG. 3, there is no resonance frequency as shown in FIG. 4, and the gain in the low band is 0 dB.
したがって、実施例1によれば、エンジンベンチシステムのPID型制御器では直接制御ゲインを決定することが可能となるので、従来のように重み係数の調整をすることなく、容易に共振抑制効果を持つ制御ゲインを求めることが可能となるものである。 Therefore, according to the first embodiment, the control gain can be directly determined by the PID type controller of the engine bench system. Therefore, the resonance suppression effect can be easily achieved without adjusting the weighting coefficient as in the prior art. It is possible to obtain the control gain of the control gain.
図2は、結合シャフト部にクラッチのような非線形ばねを有する場合の軸トルク制御系制御器の構成図を示したものである。1は供試機であるエンジン、2は動力計で、エンジン1と動力計2とは結合シャフト3によって直結されている。4は捩れトルク検出部、5はテーブル作成手段で、捩れトルク−共振周波数の関係を表すテーブルT12fを作成する。6は結合シャフトばね剛性演算部、7は重み係数演算部で前述した(7)〜(11)式に基づいて各係数Ki、 Kp、Kd、 a2、 a1を演算する。8,11は加算部、9は積分要素部、10は比例・微分要素部である。
FIG. 2 shows a configuration diagram of an axial torque control system controller in the case where the coupling shaft portion has a nonlinear spring such as a clutch.
ばね剛性値が捩れ角により変化するような非線形ばねの場合、予め何らかの手段によってテーブルT12fを作成する。このテーブルはテーブル作成手段5によって作成されるもので、例えば、非線形ばねの特性が判明している場合には計算により求められ、また、特性が不明の場合には捩れトルクがある値になっているときの共振周波数を実測するなどの手段によってテーブルT12fを作成する。
図5はそのような手段により作成された特性図で、(a)は捩れ角−捩れトルク特性図、(b)は捩れトルク−クラッチ剛性(ばね定数)特性図、(c)捩れトルク−共振周波数特性図の例をそれぞれ示したものである。
In the case of a non-linear spring in which the spring stiffness value changes depending on the torsion angle, the table T12f is created in advance by some means. This table is created by the table creation means 5, for example, when the characteristics of the nonlinear spring are known, it is obtained by calculation, and when the characteristics are unknown, the torsion torque has a certain value. The table T12f is created by means such as actually measuring the resonance frequency during
FIG. 5 is a characteristic diagram created by such means. (A) is a torsion angle-torsion torque characteristic diagram, (b) is a torsion torque-clutch rigidity (spring constant) characteristic diagram, and (c) torsion torque-resonance. Examples of frequency characteristic diagrams are respectively shown.
結合シャフトばね剛性演算部6は、テーブル作成手段5で求めた共振周波数 wc(rad/s)に対して(12)式により結合シャフトばね剛性K12を求める。 The coupled shaft spring stiffness calculation unit 6 obtains the coupled shaft spring stiffness K12 from the equation (12) with respect to the resonance frequency wc (rad / s) obtained by the table creation means 5.
重み係数演算部7は、(7)〜(11)式に基づいて各係数Ki、 Kp、Kd、 a2、 a1を演算し、算出値は積分要素部9及び比例・微分要素部10の演算時の重み係数として出力される。すなわち、積分要素部9には、加算部8において求められた軸トルク指令値T12rと捩れトルク検出値T12との偏差値が入力され、重み係数演算部7で算出された係数Kiを用いて積分演算が実行される。
The weight coefficient calculation unit 7 calculates the coefficients Ki, Kp, Kd, a2, and a1 based on the equations (7) to (11), and the calculated values are calculated when the integral element unit 9 and the proportional /
また、比例・微分要素部10には、捩れトルク検出値T12が入力され、重み係数演算部7で算出された各係数を用いて比例・微分演算が実行される。積分要素部9の出力と比例・微分要素部10の出力はそれぞれ加算部11に出力され、この加算部11において両者の偏差が求められる。この偏差値が(5)式による動力計2のトルク指令T2となる。
Further, the torsional torque detection value T12 is input to the proportional /
第2の実施例によれば、図4で示すボード線図の共振周波数が軸トルクの大きさにより変化するシステムにおいても、図2のようにして絶えず共振周波数に適応した(5)式のゲインパラメータKi、 Kp、Kd、 a2、 a1が選択されるため、共振周波数が変化する非線形のエンジンベンチシステムに対しても、各共振点が図3のように抑制される効果を有するものである。 According to the second embodiment, even in a system in which the resonance frequency of the Bode diagram shown in FIG. 4 varies depending on the magnitude of the axial torque, the gain of the equation (5) constantly adapted to the resonance frequency as shown in FIG. Since the parameters Ki, Kp, Kd, a2, and a1 are selected, each resonance point is effectively suppressed as shown in FIG. 3 even for a nonlinear engine bench system in which the resonance frequency changes.
1… エンジン
2… 動力計
3… 結合シャフト
4… 捩れトルク検出部
5… テーブル作成手段
6… 結合シャフトばね剛性演算部
7… 重み係数演算部
8、11… 加算部
9… 積分要素部
10… 比例・微分要素部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記インバータに対する動力計トルク制御信号T2を演算する制御器は、次式に基づくことを特徴としたエンジンベンチシステムの制御方法。
T2=(Ki/s)*(T12r−T12)−(Kp+s*Kd)/(a2*s*s+a1*s+1)*T12
ただし、Ki:積分係数、T12r:軸トルク指令値、T12:軸トルク検出値、Kp:比例係数、Kd:微分係数、a1、a2:フィルタ係数 The engine and dynamometer are connected by a coupling shaft, and the shaft torque of the coupling shaft, the angular velocity of the engine and the dynamometer angular velocity are detected, and an inverter is connected based on the calculation of each detected measurement value and shaft torque command value. In an engine bench system configured to control a dynamometer,
The controller for calculating the dynamometer torque control signal T2 for the inverter is based on the following equation, and is a control method for an engine bench system.
T2 = (Ki / s) * (T12r-T12)-(Kp + s * Kd) / (a2 * s * s + a1 * s + 1) * T12
However, Ki: integral coefficient, T12r: shaft torque command value, T12: shaft torque detection value, Kp: proportional coefficient, Kd: differential coefficient, a1, a2: filter coefficient
前記インバータを制御する制御器は、検出された軸トルク値に基づき捩れトルク−共振周波数を表すテーブル作成手段と、このテーブル作成手段によって求められた共振周波数に対する結合シャフトばね剛性演算部と、算出された結合シャフトのばね剛性値を用いて積分係数、比例係数、微分係数、a2及び a1の各係数を演算する重み係数演算部と、前記軸トルク指令値と軸トルク値との差信号を、重み係数演算部で算出された積分係数を用いて演算する積分要素部と、前記軸トルク値を重み係数演算部で算出された係数を用いて比例・微分要素を演算する比例・微分要素部と、積分要素部の出力と比例・微分要素部との差信号を演算する手段を備えたことを特徴としたエンジンベンチシステムの制御装置。 The engine and dynamometer are connected by a coupling shaft, and the shaft torque of the coupling shaft, the angular velocity of the engine and the dynamometer angular velocity are detected, and an inverter is connected based on the calculation of each detected measurement value and shaft torque command value. In an engine bench system configured to control a dynamometer,
The controller for controlling the inverter is calculated based on the detected shaft torque value and a table creating means for representing the torsion torque-resonance frequency, and a coupled shaft spring stiffness calculating section for the resonance frequency obtained by the table creating means. A weight coefficient calculating unit for calculating each of the integral coefficient, proportional coefficient, differential coefficient, a2 and a1 coefficients using the spring stiffness value of the coupled shaft, and the difference signal between the shaft torque command value and the shaft torque value. An integration element unit that calculates using an integration coefficient calculated by a coefficient calculation unit; a proportional / differentiation element unit that calculates a proportional / differential element using the coefficient calculated by the weight coefficient calculation unit for the shaft torque value; An engine bench system control device comprising means for calculating a difference signal between an output of an integral element and a proportional / differential element.
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