JP2022055699A - 試験システム - Google Patents

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Abstract

【課題】制御対象に存在する反共振点による制約によらず上位指令信号に対する制御応答を高くできる試験システムを提供すること。【解決手段】試験システムは、供試体Wと連結されたダイナモメータと、電力をダイナモメータに供給するインバータと、ダイナモメータの回転速度に応じた速度検出信号Nを生成するエンコーダと、トルク電流指令信号DYrefを生成するダイナモメータ制御装置6と、を備える。ダイナモメータ制御装置6は、上位速度指令信号Nrを入力としモデル速度指令信号Nr´を出力する応答モデル61と、上位速度指令信号Nrを入力としフィードフォワード入力uffを出力するフィードフォワード制御器62と、モデル速度指令信号Nr´と速度検出信号Nとの偏差eに基づいて生成したフィードバック入力ufbとフィードフォワード入力uffとに基づいてトルク電流指令信号DYrefを生成する速度制御器64と、を備える。【選択図】図2

Description

本発明は、試験システムに関する。より詳しくは、供試体の出力軸にダイナモメータを接続し、供試体の各種性能を評価する試験システムに関する。
エンジンベンチシステムと呼称される試験システムは、供試体であるエンジンの出力軸と機械的に連結されたダイナモメータと、ダイナモメータトルクを操作するダイナモメータ制御装置と、を備え、ダイナモメータ制御装置による制御下のダイナモメータによって供試体に負荷を付与することにより、供試体の各種性能(出力特性、燃費特性、及び排ガス特性等)を評価する。
特許文献1には、ダイナモメータ制御装置による制御量に対する指令に相当する上位指令信号を、エンジンが搭載される車両の動特性モデルを用いた演算によって生成する試験システムが示されている。このような試験システムによれば、疑似的に実車両に搭載された状態におけるエンジンの各種性能を、実車両を用いずにエンジン単体で評価することができる。なお特許文献1に示された試験システムでは、エンジン端面にかかる負荷トルクを上位指令信号としているが、疑似的な実車両の入出力の構成により、エンジンの回転数又はこれとほぼ等しいダイナモメータの回転数を上位指令信号とすることもできる。
特開2000-39381号公報
このような試験システムにおいて試験の再現精度を向上するためには、動特性モデルを用いたコンピュータの演算精度を向上するとともに、この動特性モデルによって生成される上位指令信号に追従するようにダイナモメータ制御装置の制御応答性能も向上する必要がある。
しかしながら後に図3を参照して説明するように、ダイナモメータ回転数に対する上位指令信号からダイナモメータ回転数までのからダイナモメータ回転数までの伝達関数にはゲイン[dB]が負に落ち込む反共振点が存在する。すなわち反共振点の近傍の周波数で操作量を変化させても制御量は変化しない。この反共振点の周波数は、供試体の慣性モーメントや締結軸のばね定数等によって変化するものの概ね数十[Hz]程度である。このためダイナモメータ制御装置を従来のように単純なフィードバック制御器によって構成した場合、上位指令信号に対する応答周波数は反共振点の周波数の高々1/2程度に制限されてしまうため、それ以上、上位指令信号に対する制御応答を向上することができない。
なお供試体に回転検出器を設けることで、制御応答性能としての所望の周波数帯域で反共振周波数は存在しない系となりうるが、供試体の制約により回転検出器を取り付けられない場合がある。
本発明は、制御対象に存在する反共振点による制約によらず上位指令信号に対する制御応答を高くできる試験システムを提供することを目的とする。
(1)本発明に係る試験システム(例えば、後述の試験システム1)は、供試体(例えば、後述の供試体W)の出力軸と締結軸(例えば、後述の締結軸S)によって連結されたダイナモメータ(例えば、後述のダイナモメータ2)と、トルク電流指令信号(DYref)に応じた電力を前記ダイナモメータに供給するインバータ(例えば、後述のインバータ5)と、前記ダイナモメータの回転速度に応じた速度検出信号(N)を生成する速度センサ(例えば、後述のエンコーダ9)と、前記速度検出信号と前記回転速度に対する指令である上位速度指令信号(Nr)とに基づいて、前記トルク電流指令信号を生成し、前記インバータへ入力するダイナモメータ制御装置(例えば、後述のダイナモメータ制御装置6)と、を備え、前記ダイナモメータ制御装置は、前記上位速度指令信号を入力としモデル速度指令信号(Nr´)を出力する応答モデル(例えば、後述の応答モデル61)と、前記上位速度指令信号を入力としフィードフォワード入力(uff)を出力するフィードフォワード制御器(例えば、後述のフィードフォワード制御器62)と、前記モデル速度指令信号と前記速度検出信号との偏差(e)に基づいて生成したフィードバック入力(ufb)と、前記フィードフォワード入力と、に基づいて前記トルク電流指令信号を生成する速度制御器(例えば、後述の速度制御器64)と、を備えることを特徴とする。
(2)この場合、前記試験システムは、前記ダイナモメータと前記供試体との間の軸トルクに応じた軸トルク検出信号(Tsh)を生成する軸トルクセンサ(例えば、後述の軸トルクセンサ8)をさらに備え、前記速度制御器は、前記偏差に基づいて前記フィードバック入力を生成するフィードバック制御器(例えば、後述のフィードバック制御器65)と、前記フィードバック入力及び前記フィードフォワード入力の和である合成入力(u)と前記速度検出信号と前記軸トルク検出信号とに基づいて、前記供試体と前記ダイナモメータとの間の機械共振を抑制するように前記トルク電流指令信号を生成する共振抑制制御器(例えば、後述の共振抑制制御器67)と、を備えることが好ましい。
(3)この場合、前記フィードフォワード制御器における前記上位速度指令信号から前記フィードフォワード入力までの伝達関数(Gff)は、前記応答モデルにおける前記上位速度指令信号から前記モデル速度指令信号までの伝達関数(Gm)と、前記ダイナモメータと前記インバータと前記共振抑制制御器とを含む制御対象(例えば、後述の制御対象P)における前記合成入力から前記速度検出信号までの伝達関数(Gp)の逆伝達関数(Gp-1)との積と等しいことが好ましい。
(4)この場合、前記フィードフォワード制御器における前記上位速度指令信号から前記フィードフォワード入力までの伝達関数は、前記応答モデルにおける前記上位速度指令信号から前記モデル速度指令信号までの伝達関数と、前記ダイナモメータと前記インバータと前記共振抑制制御器とを含む制御対象における前記合成入力から前記速度検出信号までの伝達関数を正の実根のゼロ点を持たないように近似した伝達関数の逆伝達関数との積と等しいことが好ましい。
(1)上述のように供試体と締結軸によって連結されたダイナモメータを含む機械系における伝達関数には図4に示すような反共振点が存在することから、上位速度指令信号と速度検出信号とに基づいてフィードバック入力を生成するフィードバック制御器だけでは、上位速度指令信号に対する制御応答を、反共振点による制約を超えて高くすることができない。これに対し本発明に係るダイナモメータ制御装置は、上位速度指令信号を入力としモデル速度指令信号を出力する応答モデルと、上位速度指令信号を入力としフィードフォワード入力を出力するフィードフォワード制御器と、モデル速度指令信号と速度検出信号との偏差に基づいて生成したフィードバック入力及びフィードフォワード制御器によるフィードフォワード入力に基づいてトルク電流指令信号を生成する速度制御器と、を備える。すなわち本発明では、ダイナモメータ制御装置における上位速度指令信号に対する応答特性を、新たに追加した応答モデル及びフィードフォワード制御器によりフィードバック制御器と独立して設計できるので、制御安定性を損なうことなく、制御応答を反共振点による制約を超えて高くすることができる。
(2)本発明に係る速度制御器は、モデル速度指令信号と速度検出信号との偏差に基づいてフィードバック入力を生成するフィードバック制御器と、フィードバック入力及びフィードフォワード入力の和である合成入力と速度検出信号と軸トルク検出信号とに基づいて、供試体とダイナモメータとの間の機械共振を抑制するようにトルク電流指令信号を生成する共振抑制制御器と、を備える。本発明では、フィードバック制御器及びフィードフォワード制御器の後段に共振抑制制御器を設けることにより、締結軸に過度な負荷がかかるのを防止することができる。
(3)本発明では、フィードフォワード制御器における上位速度指令信号からフィードフォワード入力までの伝達関数を、応答モデルにおける上位速度指令信号からモデル速度指令信号までの伝達関数と、ダイナモメータとインバータと共振抑制制御器とを含む制御対象における合成入力から速度検出信号までの伝達関数の逆伝達関数との積と等しくすることにより、制御安定性及び共振抑制制御器による共振抑制機能を損なうことなく、制御応答を反共振点による制約を超えて高くすることができる。
(4)本発明では、フィードフォワード制御器における上位速度指令信号からフィードフォワード入力までの伝達関数を、応答モデルにおける上位速度指令信号からモデル速度指令信号までの伝達関数と、ダイナモメータとインバータと共振抑制制御器とを含む制御対象における合成入力から速度検出信号までの伝達関数を正の実根のゼロ点を持たないように近似した伝達関数の逆伝達関数との積と等しくする。これにより、上記制御対象の伝達関数が非最小位相推移系であっても、制御安定性及び共振抑制制御器による共振抑制機能を損なうことなく、制御応答を反共振点による制約を超えて高くすることができる。
本発明の一実施形態に係る試験システムの構成を示す図である。 ダイナモメータ制御装置の制御回路の構成を示す図である。 上位速度指令信号から速度検出信号までの伝達関数のボード線図である。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係る試験システム1の構成を示す図である。試験システム1は、車両用のエンジンを供試体Wとし、この供試体Wの各種性能を評価する所謂エンジンベンチシステムである。以下ではエンジンを供試体Wとした場合について説明するが、本発明はこれに限らない。供試体Wは、ダイナモメータ2と接続し得る出力軸を備えるものであればどのようなものでもよい。
試験システム1は、供試体Wの出力軸と締結軸Sによって連結されたダイナモメータ2と、供試体Wを制御するスロットルアクチュエータ3及びエンジン制御装置4と、ダイナモメータ2を制御するインバータ5、ダイナモメータ制御装置6、及び車両モデル演算装置7と、供試体Wとダイナモメータ2との間の締結軸Sにおける軸トルクに応じた軸トルク検出信号を生成する軸トルクセンサ8と、ダイナモメータ2の回転速度に応じた速度検出信号を生成するエンコーダ9と、を備える。
スロットルアクチュエータ3は、エンジン制御装置4から入力される指令に応じてエンジンである供試体の吸気通路に設けられたスロットルバルブを操作することにより、吸入空気量を調整する。エンジン制御装置4は、試験項目ごとに定められた態様によって指令を生成し、スロットルアクチュエータ3へ入力する。
インバータ5は、ダイナモメータ制御装置6において後に説明する手順によって生成されるトルク電流指令信号が入力されると、このトルク電流指令信号に応じた電力をダイナモメータ2に供給する。
ダイナモメータ制御装置6は、軸トルクセンサ8の軸トルク検出信号と、エンコーダ9の速度検出信号と、ダイナモメータ2の回転速度に対する指令である上位速度指令信号と、に基づいて、速度検出信号と上位速度指令信号とが一致するようにトルク電流指令信号を生成し、インバータ5へ入力する。これにより供試体Wの出力軸には、ダイナモメータ2を介して上位速度指令信号に応じた負荷が付与される。なおダイナモメータ制御装置6の回路構成については、後に図2を参照しながら説明する。
車両モデル演算部7は、軸トルクセンサ8の軸トルク検出信号及びエンコーダ9の速度検出信号に基づいて、供試体Wが走行駆動力発生源として搭載される車両の動特性モデルを用いた演算を行うことによって上位速度指令信号を生成し、ダイナモメータ制御装置6へ入力する。試験システム1では、このような車両の動特性モデルを用いた演算を行うことによって上位速度指令信号を生成することにより、走行中の実車両に近い負荷を供試体Wに付与できるので、疑似的に実車両に搭載された状態における供試体Wの各種性能を、実車両を用いずに供試体W単体で評価することができる。
図2は、ダイナモメータ制御装置6の制御回路の構成を示す図である。
ダイナモメータ制御装置6は、車両モデル演算部7から送信される上位速度指令信号Nrを入力としモデル速度指令信号Nr´を出力する応答モデル61と、上位速度指令信号Nrを入力としフィードフォワード入力uffを出力するフィードフォワード制御器62と、モデル速度指令信号Nr´から速度検出信号Nを減算することにより速度偏差信号eを出力する減算器63と、速度偏差信号e、フィードフォワード入力uff、速度検出信号N、及び軸トルク検出信号Tshに基づいてトルク電流指令信号DYrefを生成し、インバータ5へ入力する速度制御器64と、を備える。
速度制御器64は、速度偏差信号eを入力とし、この速度偏差信号eを0にするようなフィードバック入力ufbを既知のフィードバック制御則に従って出力するフィードバック制御器65と、フィードフォワード入力uffとフィードバック入力ufbとを合算することによって合成入力uを生成する合算器66と、合成入力u、速度検出信号N、及び軸トルク検出信号Tshに基づいてトルク電流指令信号DYrefを生成する共振抑制制御器67と、を備える。
フィードバック制御器65は、速度偏差信号eを積分することによってフィードバック入力ufbを生成する。本実施形態では、フィードバック制御器65を積分器とした場合について説明するが、本発明はこれに限らない。
共振抑制制御器67は、合成入力uと、速度検出信号Nと、軸トルク検出信号Tshと、に基づいて、供試体Wとダイナモメータ2とを連結する締結軸Sにおいて発生し得る機械共振を抑制するようにトルク電流指令信号DYrefを生成し、インバータ5へ入力する。
応答モデル61における上位速度指令信号Nrからモデル速度指令信号Nr´までの伝達関数Gm及びフィードフォワード制御器62における上位速度指令信号Nrからフィードフォワード入力uffまでの伝達関数Gffは、以下のように設計される。
先ずフィードフォワード制御器62の伝達関数Gffは、応答モデル61の伝達関数Gmと、図2において一点鎖線で示す制御対象Pにおける合成入力uから速度検出信号Nまでの伝達関数Gpの逆伝達関数Gp-1との積と等しくなるように設計される(Gff=Gm/Gp)。ここで伝達関数Gffを設計する際に用いる制御対象Pは、供試体Wに連結されたダイナモメータ2とインバータ5とエンコーダ9とを含む機械系P´だけでなく、速度制御器64の一部である共振抑制制御器67と、を含んで定義される。
なお制御対象Pの伝達関数Gpが、ゼロ点で正の実根が存在する非最小位相推移系である場合、この逆伝達関数Gp-1をそのまま用いて伝達関数Gffを定義すると、フィードフォワード制御器62は不安定となってしまう。このため伝達関数Gpが非最小位相推移系である場合、正の実根のゼロ点を持たないように既知の方法で近似して得られる伝達関数Gp_aを用いてフィードフォワード制御器62の伝達関数Gffを設計することが好ましい。すなわちこの場合、フィードフォワード制御器62の伝達関数Gffは、応答モデル61の伝達関数Gmと、制御対象Pにおける合成入力uから速度検出信号Nまでの伝達関数Gpを正の実根のゼロ点を持たないように近似した伝達関数Gp_aの逆伝達関数Gp_a-1との積と等しくなるように設計することが好ましい。
以上のようにフィードフォワード制御器62の伝達関数Gffを設計することにより、ダイナモメータ制御装置6における上位速度指令信号Nrから速度検出信号Nまでの目標値応答は、制御対象に外乱が無い場合、応答モデル61の伝達関数Gmと等しくなる。
応答モデル61の伝達関数Gmの次数は、フィードフォワード制御器62の伝達関数Gffがプロパーで安定となるように、すなわち制御対象Pの伝達関数Gp又はその近似Gp_aの分母の次数以上となるように設定される。また以上のように次数を設定した上で、伝達関数Gmの具体的な関数形は、上記目標値応答が要求周波数と等しくなるように設計される。
図3は、上位速度指令信号Nrから速度検出信号Nまでの伝達関数のボード線図である。図3において、破線は従来のダイナモメータ制御装置による結果を示し、実線は本実施形態に係るダイナモメータ制御装置6による結果を示す。ここで従来のダイナモメータ制御装置とは、フィードバック制御器のみによってトルク電流指令信号を生成するものをいう。
図3において破線で示すように、ダイナモメータ制御装置を単純なフィードバック制御器によって構成した場合、上位速度指令信号Nrから速度検出信号Nまでの伝達関数には、ゲイン[dB]が負に落ち込む反共振点が存在する。このため従来のダイナモメータ制御装置では、上位速度指令信号に対する応答周波数は反共振点の周波数の高々1/2程度に制限されてしまうため、それ以上、上位速度指令信号に対する制御応答を向上することができない。
これに対し図3において実線で示すように、本実施形態に係るダイナモメータ制御装置6によれば、フィードバック制御器65に加えて、応答モデル61及びフィードフォワード制御器62によってトルク電流指令信号DYrefを生成することにより、反共振点の周波数の近傍までゲインの落ち込みを抑制することができる。すなわち本実施形態に係るダイナモメータ制御装置6によれば、制御応答を反共振点による制約を超えて高くすることができる。
本実施形態に係る試験システム1によれば、以下の効果を奏する。
(1)ダイナモメータ制御装置6は、上位速度指令信号Nrを入力としモデル速度指令信号Nr´を出力する応答モデル61と、上位速度指令信号Nrを入力としフィードフォワード入力uffを出力するフィードフォワード制御器62と、モデル速度指令信号Nr´と速度検出信号Nとの偏差eに基づいて生成したフィードバック入力ufb及びフィードフォワード制御器62によるフィードフォワード入力uffに基づいてトルク電流指令信号DYrefを生成する速度制御器64と、を備える。すなわち試験システム1では、ダイナモメータ制御装置6における上位速度指令信号Nrに対する応答特性を、新たに追加した応答モデル61及びフィードフォワード制御器62によりフィードバック制御器65と独立して設計できるので、制御安定性を損なうことなく、制御応答を反共振点による制約を超えて高くすることができる。
(2)速度制御器64は、モデル速度指令信号Nr´と速度検出信号Nとの偏差eに基づいてフィードバック入力ufbを生成するフィードバック制御器65と、フィードバック入力ufb及びフィードフォワード入力uffの和である合成入力uと速度検出信号Nと軸トルク検出信号Tshとに基づいて、供試体Wとダイナモメータ2との間の機械共振を抑制するようにトルク電流指令信号DYrefを生成する共振抑制制御器67と、を備える。試験システム1では、フィードバック制御器65及びフィードフォワード制御器62の後段に共振抑制制御器67を設けることにより、締結軸Sに過度な負荷がかかるのを防止することができる。
(3)試験システム1では、フィードフォワード制御器62における上位速度指令信号Nrからフィードフォワード入力uffまでの伝達関数Gffを、応答モデル61における上位速度指令信号Nrからモデル速度指令信号Nr´までの伝達関数Gmと、ダイナモメータ2とインバータ5と共振抑制制御器67とを含む制御対象Pにおける合成入力uから速度検出信号Nまでの伝達関数Gpの逆伝達関数Gp-1との積と等しくすることにより、制御安定性及び共振抑制制御器67による共振抑制機能を損なうことなく、制御応答を反共振点による制約を超えて高くすることができる。
(4)試験システム1では、フィードフォワード制御器62における上位速度指令信号Nrからフィードフォワード入力uffまでの伝達関数Gffを、応答モデル61における上位速度指令信号Nrからモデル速度指令信号Nr´までの伝達関数Gmと、ダイナモメータ2とインバータ5と共振抑制制御器67とを含む制御対象Pにおける合成入力uから速度検出信号Nまでの伝達関数Gpを正の実根のゼロ点を持たないように近似した伝達関数Gp_aの逆伝達関数Gp_a-1との積と等しくする。これにより、上記制御対象Pの伝達関数Gpが非最小位相推移系であっても、制御安定性及び共振抑制制御器67による共振抑制機能を損なうことなく、制御応答を反共振点による制約を超えて高くすることができる。
1…試験システム
W…供試体
2…ダイナモメータ
5…インバータ
6…ダイナモメータ制御装置
61…応答モデル
62…フィードフォワード制御器
63…減算器
64…速度制御器
65…フィードバック制御器
66…合算器
67…共振抑制制御器
7…車両モデル演算装置
8…軸トルクセンサ
9…エンコーダ(速度センサ)

Claims (4)

  1. 供試体の出力軸と締結軸によって連結されたダイナモメータと、
    トルク電流指令信号に応じた電力を前記ダイナモメータに供給するインバータと、
    前記ダイナモメータの回転速度に応じた速度検出信号を生成する速度センサと、
    前記速度検出信号と前記回転速度に対する指令である上位速度指令信号とに基づいて、前記トルク電流指令信号を生成し、前記インバータへ入力するダイナモメータ制御装置と、を備える試験システムであって、
    前記ダイナモメータ制御装置は、
    前記上位速度指令信号を入力としモデル速度指令信号を出力する応答モデルと、
    前記上位速度指令信号を入力としフィードフォワード入力を出力するフィードフォワード制御器と、
    前記モデル速度指令信号と前記速度検出信号との偏差に基づいて生成したフィードバック入力と、前記フィードフォワード入力と、に基づいて前記トルク電流指令信号を生成する速度制御器と、を備えることを特徴とする試験システム。
  2. 前記ダイナモメータと前記供試体との間の軸トルクに応じた軸トルク検出信号を生成する軸トルクセンサをさらに備え、
    前記速度制御器は、
    前記偏差に基づいて前記フィードバック入力を生成するフィードバック制御器と、
    前記フィードバック入力及び前記フィードフォワード入力の和である合成入力と前記速度検出信号と前記軸トルク検出信号とに基づいて、前記供試体と前記ダイナモメータとの間の機械共振を抑制するように前記トルク電流指令信号を生成する共振抑制制御器と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の試験システム。
  3. 前記フィードフォワード制御器における前記上位速度指令信号から前記フィードフォワード入力までの伝達関数は、前記応答モデルにおける前記上位速度指令信号から前記モデル速度指令信号までの伝達関数と、前記ダイナモメータと前記インバータと前記共振抑制制御器とを含む制御対象における前記合成入力から前記速度検出信号までの伝達関数の逆伝達関数との積と等しいことを特徴とする請求項2に記載の試験システム。
  4. 前記フィードフォワード制御器における前記上位速度指令信号から前記フィードフォワード入力までの伝達関数は、前記応答モデルにおける前記上位速度指令信号から前記モデル速度指令信号までの伝達関数と、前記ダイナモメータと前記インバータと前記共振抑制制御器とを含む制御対象における前記合成入力から前記速度検出信号までの伝達関数を正の実根のゼロ点を持たないように近似した伝達関数の逆伝達関数との積と等しいことを特徴とする請求項2に記載の試験システム。
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