JP5793104B2 - 燃焼式動力機関の動力学的試験課題用試験装置とそのような試験装置の動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、有利には、電気式の駆動・負荷機器が回転数と回転トルクの推移に関する設定値を調整、制御する制御機器と接続された燃焼式動力機関の動力学的試験課題のための試験装置と、燃焼式動力機関の少なくとも二つのパラメータ、有利には、回転数と回転トルクの推移に関する設定値を駆動・負荷ユニットによって調節する、燃焼式動力機関の動力学的試験課題のための、少なくとも一つの駆動・負荷ユニットを備えた試験装置の動作方法に関する。

動力学的なエンジン試験装置の高い動特性の最新式制御機器は、回転数と回転トルクの任意に与えられた推移にほぼ完全に追従することができる。しかし、それは、常に駆動機関、即ち、燃焼式動力機関と動力ブレーキの設定動力が十分な場合にのみ可能である。しかし、それには、それぞれ限界が有り、そのことは、実現可能な推移を制限している。試験装置には、二つの駆動機関が有るので、二つの初期パラメータを制御することができる。通常、それらは回転数と回転トルクである。回転数は、動力ブレーキの回転数又は燃焼式動力機関の回転数とすることができる。トルクは、クランク軸に加わる燃焼式動力機関のトルク、或いは軸トルク又は負荷トルクを意味する。そこで、これらのパラメータの推移が与えられて、設定動力が限界に有るために、最早それらに制御できない場合、そのような推移は、再び試験装置で実現可能なように変更しなければならない。

試験装置の設定パラメータが限界に有るために、フィードバック制御では、「ワインドアップ」効果が発生する場合が有る。その効果は、大き過ぎるオーバーシュート、さもなければ閉じた制御ループの大きな発振傾向によって認識でき、コントローラ性能を悪化させることとなる。そのような理由から、そのような「ワインドアップ」効果を阻止するアンチワインドアップ構成が採用される。そのようなコントローラの補完措置は、既に大分前から採用されている。

特開２０１１−２４５５号公報

以上のことから、本発明の課題は、回転数と回転トルクの推移によって決まる設定値のその時々の試験課題に最適な調節及び制御を実施することができ、そのため試験装置で実現可能な範囲で実施することができる試験装置及びその動作方法である。

本課題を解決するために、本発明による試験装置は、制御機器が回転数に基づく制御から回転トルクに基づく制御に重みをシフトさせるという意味において調整可能であることを特徴とする。

そのために、有利には、制御機器は、重みを設定するための操作部品と接続される。

有利な実施構成では、そのような操作部品は、グラフィック式ユーザインタフェースによって実現されるものと規定する。

本発明の別の実施構成は、制御機器が重みを無段階に設定するという意味において調整可能であるものと規定する。

前記の設定した課題を解決するために、本方法は、制御機器が、提供可能な設定動力を予め設定可能かつ変更可能な重みに応じて燃焼式動力機関と駆動・負荷ユニットに配分することを特徴とする。

この場合、有利には、制御要求量が動作機関の保有動力を上回る場合、その動力限界内で動作する動作機関の保有動力が、予め設定可能かつ変更可能な重みに応じて別の動作機関を支援するために使用されるものと規定する。

本方法の有利な変化形態では、駆動機関が動力限界に到達することを監視して、そのような動力限界を上回る前に、両方の駆動機関が動力限界内に留まるように、パラメータの中の少なくとも一つに関する設定値を変更するものと規定する。

当然のことながら、制御機器が提供可能な設定動力を予め与えられた重みに応じて配分するように、両方の設定値を変更するものと規定することもできる。

この場合、有利には、目標とする推移の調整に加えて、それと同時に、そのような変更された推移を正確に追従制御するために必要なパラメータも自動的に計算する。

更に、本発明の特に有利な変化形態では、設定動力を予め設定可能かつ変更可能な重みに応じて燃焼式動力機関と駆動・負荷ユニットに配分するために、コントローラから出力された値と許容される値の間の偏差のフィードバックするアンチワインドアップ構成を使用する。

以下において、本発明を添付図面と関連して詳しく説明する。

試験装置構成の動力限界外で変化する動作点に関する二つのグラフ コントローラの性能を特徴付けるグラフ アンチワインドアップ構成を備えた試験装置用制御構成の模式図

試験装置には、弾力的なシャフトを介して試験対象の燃焼式動力エンジンと連結された少なくとも一つの負荷機関、大抵は周波数変換器によって電力供給される非同期機関が配備されている。初期パラメータは、駆動側でのアクセルペダルと負荷側での電気機械の負荷トルクの（正又は負の）目標値である。そして、そのようにして得られた二つの回転トルクの組み合わせは、慣性と抵抗によって、有効な回転数を設定する。

ここで、試験装置では、エンジンを所望の動作点で動作させており、そのような動作点は、殆どの場合、回転数とエンジントルクの組み合わせで表される。この場合、動作点の設定に関する動特性と精度が特に重要である。そのような動特性と精度に関する尺度は、関連するパラメータの基準信号と実際に設定された値の間の標準偏差の逆数を更に定格性能に対して正規化した性能として定義される。この場合、定格性能とは、使用する試験装置構成によって達成可能な関連するパラメータの基準信号と実際に設定された値の間の標準偏差の逆数である。

測定性能に関して、特に、追求している回転数及び回転トルク基準の周波数分布、燃焼式動力機関の動特性の限界、試験装置のハードウェア、即ち、特に、ブレーキ機器及び変速機軸の限界、並びにこれらの限界の活用が重要であり、それは、特に、試験装置の制御が担っている。回転数と回転トルクの推移に関する設定は、自由に選定できるので、それらを所望の精度で具体的な試験課題と置き換えることもできるかは、常に直ちに明らかになることではない。しかし、試験の間性能限界内で機関を動作させることが重要であり、そうしない場合、試験が誤解を招く可能性が有るか、或いは試験装置のコントローラが正しく機能していないとの印象を与える可能性が有る。

動作点を出来る限り短い時間で、即ち、二つの機関の性能限界を用いて変化させる場合、基本的に二つの極端なケースが存在する。回転数の推移は、正確にシミュレーションすることができ、そのためには、二つの機関を同じ方向に最大トルク（即ち、性能限界）で駆動させなければならず、そのため、回転トルクは、最早制御できなくなる。さもなければ、回転トルクの推移を正確にシミュレーションすることができ、その時々の回転トルクをシャフトの旋回によって非常に速く設定することができ、それは、回転数の偏差の生成によって決まる。そのため、それを正しいままに留めるためには、二つの機関の回転数を歩調を合わせて上昇させなければならず、その場合、緩慢なエンジンは、限界の範囲で動作する。

図１には、そのような動作点の変化と二つの極端なケースが図示されている。実線は、所望の推移ではあるが、主に、エンジンが遅すぎるために、実現可能ではない。エンジンが限界に有ることによって、自由度の数が減少する。ここで、より速い動力ブレーキは、両方のパラメータを同時に制御できない。

しかし、ここで、回転数に基づく制御から回転トルクに基づく制御に重みをシフトさせるという意味において調整可能な制御機器を用いて、両方のパラメータの間で重みを変更することができる。回転数に基づく制御に関して、所定の回転数を出来る限り良好に実現するために、動力ブレーキの保有動力を使用する。そして、それは、図１の一点鎖線で図示された実際の回転トルクの推移に沿って進行する。しかし、同様に、回転トルクを出来る限り良好に制御するために、動力ブレーキの保有動力を使用することもでき、それは、点線で示された推移で図示された通りの回転数の制御を進行する。しかし、有利には、重みは、無段階に設定できるが、固定的に設定された段階で行うこともでき、そのために、制御機器は、重みを設定するための操作部品を備えている。当然のことながら、この操作部品は、グラフィック式ユーザインタフェースによって実現することもでき、例えば、回転数に基づく制御から回転トルクに基づく制御に重みを無段階でシフトすることが可能なスライド式コントローラとすることもできる。有利には、目標とする推移の調整に加えて、それと同時に、そのような変更された推移を正確に追従制御するために必要な設定パラメータも自動的に計算される。

図２に図示された線は、図１に図示された動作点の変化に対して最良の形態で達成可能なコントローラ性能を図示している。重みを設定するための操作部品の位置に応じて、灰色の線上の点に到達することができる、即ち、小さい回転トルク誤差、小さい回転数誤差又はそれらの混合値が得られる。有利には、試験装置の性能限界は、オフライン調査の実施に基づき自動的に計算される。

試験装置の制御では、フィードバック部分は、必要な堅牢性と安定性を提供し、そのフィードバック部分は、有利には、自動的に計算されて、スライド式コントローラの重みによって設定される。フィードバック制御では、前述した試験装置の設定パラメータの限界による大き過ぎるオーバーシュート又は閉じた制御ループの大きな発振傾向のために起こる、コントローラの性能を悪化させる「ワインドアップ」効果を発生させる場合が有る。従って、コントローラの補完措置として、所謂アンチワインドアップ構成が存在する。入力、例えば、燃焼式動力機関でのアクセルペダルと動力ブレーキでの設定トルクの内部結合項は、一つの入力がシステムの二つの出力、即ち、例えば、燃焼式動力機関又は動力ブレーキの回転数と燃焼式動力機関のクランク軸での回転トルク又は軸トルク（負荷トルク）に影響を与えるように作用する。

しかし、そのような結合は、「アンチワインドアップ」制御でも賢く利用することができる。図３には、実現可能な「アンチワインドアップ」構成が模式的に図示されており、符号

によって、限界に有る設定パラメータを表している。その構成の主要な特徴は、コントローラから出力された値と許容される値の間の偏差をフィードバックしていることである。ここで、点線の枠内の部分の正確な実施形態は、設定パラメータが限界に有る場合の制御ループの挙動に関して重要である。

そのような部分は、一方の入力が限界に有る場合に、そのような限界に有る場合でも他方の入力を使用して性能を相応に保証するように構成されている。即ち、それは、未だ限界にない一方の入力を用いて、他方の入力を支援する手段で構成される。即ち、限界にない設定パラメータは、コントローラの性能を維持するために使用される。そのようなプロセスも、調整つまみ又はソフトウェアによりＧＵＩによって無段階に調整することができる。一方の入力の限界によって、一方の制御パラメータの性能を他方の制御パラメータに移動するとの作用を奏することができ、それは、当初の限界のない制御ループでは望ましいことではない。そこで、アンチワインドアップ構成によって、確かに限界に有る場合に低下する性能を重みにより当初の制御パラメータに移動して戻すことが可能となる。有利には、そのために規定されるアルゴリズムは、短い調査により自動的に計算、調整される。

試験装置の構成によって変換できない、そのため場合によっては現実的ではない推移が与えられた場合に、試験装置のオペレータに対して自動的に発出される警報信号は、特に有利である。この場合、警報信号に追加して、どの駆動機関の動作が限界に有るのかという情報も表示することができる。

Claims (9)

1. 電気式の駆動・負荷機器が回転数と回転トルクの推移に関する設定値を調整、制御する制御機器と接続された、燃焼式動力機関の動力学的な試験課題のための試験装置において、
   この制御機器が、回転数に基づく制御から回転トルクに基づく制御に重みを無段階にシフトさせるための操作部品と接続されていることを特徴とする試験装置。
2. 当該の操作部品が、グラフィック式ユーザインタフェースを備えていることを特徴とする請求項１に記載の試験装置。
3. 燃焼式動力機関の動力学的な試験課題のための、少なくとも一つの駆動・負荷ユニットを備えた試験装置の動作方法であって、燃焼式動力機関の少なくとも二つのパラメータの推移に関する設定値を駆動・負荷ユニットによって制御する方法において、
   提供可能な設定動力を変更可能な重みに応じて燃焼式動力機関と駆動・負荷ユニットに無段階に配分する制御機器を用いる工程を有することを特徴とする方法。
4. 制御要求量が燃焼式動力機関の保有動力を上回る場合、その動力限界内で動作する駆動・負荷ユニットの保有動力が、変更可能な重みにより燃焼式動力機関を支援するために使用されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 燃焼式動力機関が動力限界を監視して、その動力限界を上回る前に、燃焼式動力機関と駆動・負荷ユニットが動力限界内に留まるように、当該のパラメータの中の少なくとも一つに関する設定値を変更することを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 当該の制御機器が提供可能な設定動力を予め与えられた重みに応じて配分するように、両方の設定値を変更することを特徴とする請求項３に記載の方法。
7. 目標とする値の調整に加えて、それと同時に、その変更された値に正確に追従制御するために必要な制御値も自動的に計算することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 設定動力を予め設定可能かつ変更可能な重みに応じて燃焼式動力機関と駆動・負荷ユニットに配分するために、コントローラによる制御点と燃焼式動力機関の許容される値の間の偏差のフィードバックを使用するアンチワインドアップ構成を使用することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 当該の少なくとも二つのパラメータが回転数と回転トルクであることを特徴とする請求項３に記載の方法。

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