JPH112588A

JPH112588A - ダイナモメータによって慣性の力を模擬する方法

Info

Publication number: JPH112588A
Application number: JP9208159A
Authority: JP
Inventors: Gernot Freitag; ゲルノット、フライターク
Original assignee: Schenck Komeg GmbH
Current assignee: Duerr Assembly Products GmbH
Priority date: 1996-08-01
Filing date: 1997-08-01
Publication date: 1999-01-06
Also published as: DE19730851A1; DE19730851B4

Abstract

(57)【要約】【課題】慣性の力を模擬する荷重トルクを走行車の車
輪に伝達するための少なくとも一つのローラ、このロー
ラに連結された荷重トルクを発生するための荷重装置、
前記ローラと荷重装置とに連結されたトルク信号を発信
するためのトルク変換器および前記ローラと荷重装置と
に連結された速度信号を発生するための速度変換器を備
え、そのトルク信号および速度信号に関係してローラに
おける走行車のパワー出力が検出され、このパワー出力
に関係して荷重トルクが検出され、この荷重トルクに関
係して荷重トルクを制御するための荷重制御信号が検出
されるようなダイナモメータによって走行車を静止して
試験する場合あるいは匹敵した試験において慣性の力を
模擬する方法において、これを改善する。【解決手段】走行車のパワー出力を検出するために、
フォワードパスに高い信号ゲインの評価制御器が存在
し、バックワードパスにダイナモメータの制御対象の線
形動的モデルが存在している閉ループ方式の評価器が利
用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、慣性の力（慣性抵
抗）を模擬する荷重トルクを走行車の車輪に伝達するた
めの少なくとも一つのローラ、このローラに連結された
荷重トルクを発生するための荷重装置、前記ローラと荷
重装置とに連結されたトルク信号を発信するためのトル
ク変換器および前記ローラと荷重装置とに連結された速
度信号を発生するための速度変換器を備え、そのトルク
信号および速度信号に関係してローラにおける走行車の
パワー出力(Kraftabgabe)が検出され、このパワー出力
に関係して荷重トルクが検出され、この荷重トルクに関
係して荷重トルクを制御するための荷重制御信号が検出
されるようなダイナモメータによって走行車を静止して
試験する場合あるいはこれに匹敵する試験において慣性
の力を模擬する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車を静止して試験する際、特に実際
の走行運転の際に克服しなければならない走行抵抗をで
きるだけ正確に模擬（シミュレート）する必要がある。
このためにローラ形試験機の形をした特別なダイナモメ
ータ（動力計）が採用されている。走行車はこの試験機
上で動かないので、試験機の質量慣性モーメントが走行
車の質量と一致しないとき、走行車の質量の加速度から
生ずる慣性の力が、試験機によって模擬されねばならな
い。この場合、慣性の力の差を例えば直流機によって発
生される荷重トルクによって模擬するのが普通である。
荷重トルクの大きさは動的制御回路によってその都度の
加速度に関係して制御される。このような場合において
小さなあるいは大きな正の慣性質量の差がある場合、利
用される模擬方法によっては、制御安定性および制御効
果について問題が生ずる。

【０００３】ドイツ特許第３００８９０１Ａ１号明細書
には、慣性の力の模擬を制御する方法が開示されてお
り、ここに開示された方法においては、トルク測定変換
器で測定された力の値および測定された速度の値が、荷
重装置の荷重トルクを直接計算するために利用されるよ
うになっている。この場合調節器（コントローラ）は、
トルク測定変換器から発信される力の値が走行車の真の
パワー出力に相応していないことを認識し、実際の総パ
ワー出力においておよび丁度存在する速度において加速
度が有するべき値を計算し、更に理論的な加速度を発生
するために荷重装置に付属されるべきパワー出力を計算
する。同時に慣性モーメントがトルクループ(Drehmomen
tschleife)の内部で計算され、対応したループ慣性モー
メントと比較され、偏差を補正するために、ここから所
定の荷重トルクに加算される欠陥信号を生じさせる。こ
の公知の方法は存在する試験機の共振を考慮に入れてお
らず、従って複数の入力量を検出することもできず、例
えば中央エンジン形試験機において望まれるように個々
の車輪に対して別々に検出することができない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、冒頭
に述べた形式の従来における方法を改善し、以下の要件
を満足する方法を提供することにある。

【０００５】模擬方法は、できるだけ多くの大きさの走
行車を試験することができるようにするために、広い範
囲の走行車質量に対して適応できるものでなければなら
ない。全範囲における模擬すべき走行車質量に対して、
高い動的制御効果(Regelguten)が得られねばならず、特
に試験機の慣性モーメントに比べて高い走行車質量の臨
界範囲に対しても、並びに試験機に存在する慣性モーメ
ントの大部分が負の荷重トルクによって補償されねばな
らない範囲に対しても、高い動的制御効果が得られねば
ならない。

【０００６】要求される制御効果を得るために、模擬方
法は試験機の高い弾性的固有形状を考慮しなければなら
ず、即ち特にこのために適した構造を有していなければ
ならない。例えばＰＩＤ形式の標準的な制御計算法は、
たいてい柔軟性が十分ではなく、制御対象の弾性固有形
状に意図して影響を及ぼすために必要な数の自由度を有
していない。

【０００７】模擬方法において調節器に用立てる動的目
標値は、試験機の測定信号から導き出される。従ってこ
の目標値は全く相互作用をしないのではなく、制御の実
際値に加えて制御部入力端への測定量のフィードバック
を発生する。これは目標値の計算方式に応じて制御効果
に多少大きな影響を与え、および又は模擬方法の安定性
を有する。このことは、努めて求められ最適に設計され
た調節器の構造およびパラメータリングにおいて表現さ
せねばならない。

【０００８】動的な目標値の計算方式は達成し得る制御
効果に大きな影響を及ぼす。求める方法で応用される計
算方式は従って、試験機の弾性固有振動で成就できるで
あろうし、それにもかかわらず走行車から試験機に伝達
されるトルクに対して最良の判別値を提供できるであろ
う。

【０００９】制御対象の各数学的モデルは多少大きな欠
陥が避けられない。制御計算法はこれらの欠陥を、意味
のある欠陥評価を編入して最良の制御効果を得ることに
よって考慮に入れられるであろう。これは適切なあるい
は部分的に適切な制御計算についても重要であり、この
制御計算は、制御対象の状態が不正確にしか認識できな
い所で十分な安全間隔を正確に維持しなければならず、
他方では、制御効果要件をそれでも満足できるようにす
るために、正確に認識された制御対象の情報を完全に利
用しなければならない。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の要求を満足するた
めに本発明に基づいて、走行車のパワー出力を検出する
ために、フォワード回路に高い信号ゲインの評価器調節
器が存在し、フィードバック回路にダイナモメータの制
御部の線形動的モデルが存在している閉ループ方式の評
価器（判別器）が利用されることを提案する。本発明に
基づく評価器は、制御対象の信号と評価値との接続が事
実上ほぼ完全に切り離されているように、すなわち、評
価値がとるに足らない制御対象信号成分しか含まないよ
うに構成されている。従ってこの評価は走行車のパワー
出力を直接測定する安定性と同じ意味を有する。制御対
象系のモデルが絶対的には正確でないことに起因して僅
かに生じる残留的な作用については、調節器を設計する
際に安定性が保証されるように考慮される。

【００１１】制御対象に、制御対象が要求する未知の入
力信号のほかに測定可能な既知の入力信号が入力される
とき、本発明に基づいて、測定された既知の入力信号例
えばトルク信号が、実際の制御対象の入力端および制御
対象のモデルの入力端に導かれ、同期して処理される。

【００１２】制御装置内において、評価器は、評価器調
節回路の高い帯域幅を得るために、好ましくは状態調節
器（条件制御器）および監視器として設計されており、
この場合には、評価値を十分に迅速に得ることができ
る。実際のところ、評価器のすべての成分を単一の制御
計算機の内部で計算することにより、十分に高い制御回
路の帯域幅を問題なく得ることができる。従って、評価
器調節回路が正確な方法で安定して設計されている場合
には、評価器調節回路の安定性に関する問題は全く存在
しない。しかしながら、状態調節器によればこれは常時
可能であるため、制御計算機のサンプル周波数が限定的
な場合を除いて、評価器調節回路は任意に速くセッティ
ングを行うことが可能である。

【００１３】模擬に影響を与える他の量、例えば摩擦ト
ルクを考慮に入れるために、評価器は本発明に基づいて
周知の測定可能な入力信号に対する補助的な入力端を有
している。即ち摩擦トルクは評価において他の測定可能
な入力量と同様に処理される。しかしその摩擦トルクの
検出は、試験運転中に慣性の力を模擬する際に行われ
ず、試験運転に先行する別個の学習過程において、実際
の速度に関係して摩擦トルクを提供する走行車無しの試
験機のいわゆるコースト・ダウン試験(Coarst-Down-Ver
suche)によって行われる。本発明に基づく評価器は二つ
の試験機ローラの摩擦トルクを別個に考慮することを可
能にする。これはそれぞれのローラにおいて摩擦トルク
が非常に大きく異なっている場合に有利である。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下図に示したブロック線図を参
照して本発明を詳細に説明する。

【００１５】本発明に基づく評価器は、最適な評価器が
既知の制御対象の一連の測定可能な出力量から制御対象
の求める一つあるいは複数の入力信号を推論しなければ
ならないという考えに基づいており、この実施例の場合
には走行車からダイナモメータのローラに与えられるパ
ワー（力）あるいはそれにより生ずるトルクを推論しな
ければならないという考えに基づいている。ダイナモメ
ータ形試験機の線形系の制御対象Ｆ（ｓ）には、複数の
未知の入力（入力信号）ｉｎがなされ、また制御対象Ｆ
（ｓ）からは一つの測定可能な出力量ベクトルｏｕｔが
出力される。測定可能な出力信号ｏｕｔが、逆制御部Ｆ
（ｓ）^-1によって調和されるとき、逆制御部Ｆ（ｓ）^-1
の出力端に、求める入力ベクトルｉｎに対する正確な評
価ベクトルｉｎ_-schatz が得られる。これは次式で表さ
れる。

【００１６】ｉｎ_-schatz ＝Ｆ（ｓ）^-1・ｏｕｔ＝Ｆ
（ｓ）^-1・Ｆ（ｓ）＝ｉｎ制御対象の出力端における有用な測定量から制御対象へ
のすべての入力量を正確に求めるために、制御対象の伝
達関数が逆変換可能であることが評価目的を達成する必
要条件であることは明らかである。伝達マトリックス
（伝達行列）Ｆ（ｓ）の逆行列は、Ｆ（ｓ）が正方行列
であるとき、すなわち制御対象系が出力端と同数の入力
端を有しているときだけしか存在しない。少なすぎる測
定量ｏｕｔの場合に問題はなく(uberbestimmen) 、多す
ぎる測定量ｏｕｔの場合、それでも解決策が存在するか
否かはマトリックスＦ（ｓ）の階数(Rang)に左右され
る。他の測定量の線形関係においてしか正確な解決策は
存在しない。一般に必要数の測定量で満足され、従って
評価しようとする未知の入力信号ｉｎと同数の線形関係
測定量が、出力端ｏｕｔで測定される。

【００１７】しかし制御対象を表現する伝達関数を逆変
換する（逆行列を求める）際には、二つの問題が生ず
る。伝達関数ないし伝達マトリックスＦ（ｓ）の逆変換
を行うと、実際に実現できない逆伝達関数Ｆ（ｓ）^-1を
しばしば生ずる。これは常に、制御対象Ｆ（ｓ）に、分
子の階数が(Zahlergrad)が分母の階数(Nennergrad)より
小さい伝達経路(Ubertragungsphade) が含まれていると
きに当てはまる。逆に制御対象は分子の階数が分母の階
数より大きな伝達路を有していなければならず、これは
機器技術的に実現できない一倍あるいは数倍の差異を暗
示する。更に、制御対象Ｆ（ｓ）は、求める未知の入力
信号のほかにしばしば、同様に制御対象出力ｏｕｔに影
響を及ぼす幾つかの測定可能な入力信号も有している。
従って適当な解決策は、求める未知の入力信号を計算す
る際に、制御対象への既知の測定可能な入力量を編入す
ることができるときにしか見い出せない。

【００１８】逆の伝達関係を発生させるためには、フィ
ードバックパス（バックワードパス）に逆変換すべき制
御対象が位置し、フォワードパスにおいて非常に高いゲ
インＫが形成されている閉ループ回路の構造が適してい
ることが分かった。図１はそのような構造のブロック線
図を示している。

【００１９】閉ループ回路に対して次のベクトル／マト
リックス式が成り立つ。ｙ＝（ＫＦ（ｓ）＋Ｉ）^-1 ＫｗＫＦ（ｓ）が単位マトリックスＩに対して十分に大きい
ようにＫのノルムを無限大（∞）にすると、次の近似式
が成り立つ。

【００２０】

【数１】Ｋが完全なる階数(Rang)を有している場合には、Ｋは正
方行列でありかつ可逆行列である必要があり、このこと
は制御対象Ｆ（ｓ）についての前提条件に基づいて満足
される。Ｋのゲインが十分大きい場合、Ｋの出力ｙは実
際にＦ（ｓ）^-1・ｗと一致する。ｗをＦ（ｓ）・ｉｎと
置換すると、制御対象の入力信号と逆変換器の出力信号
ｙとの間に下記の所望の関係が得られる。

【００２１】

【数２】これにより、分子の階数が分母の階数より大きな制御対
象である場合も、制御対象の逆変換の問題は、大きなプ
レゲイン(Vorverstarkung)を有する制御対象のフィード
バックパスにおいて実現可能な制御対象Ｆ（ｓ）を模擬
することにより低減される。勿論この逆変換方式の場合
も、Ｆ（ｓ）の逆変換が構造上に存在せざるを得ず、物
理的に実現できない伝達路は実現可能な近似値によって
置き換えねばならない。

【００２２】第２の問題を解決するために、即ち制御対
象に他の測定可能な既知の入力信号を編入するために、
実際の制御対象並びに逆変換回路における制御対象モデ
ルが、測定可能な入力ｉｎ２のために拡張されねばなら
ない。図２はそのようにして形成された評価器のブロッ
ク線図を示している。

【００２３】本発明に基づいて見い出された入力量評価
器は、制御対象モデルＦ（ｓ）の内部利用に基づいて状
態監視器（条件監視器）との類似性を有する。評価器は
条件監視器と同じように制御対象の出力端からの出力が
入力されるほかに、既知の測定可能な入力信号の制御部
入力端も有している。しかし主な相違点は、状態監視器
と異なって差分（偏差ｘｄ＝ｏｕｔ−ｏｕｔ_-dach ）が
制御対象モデルのすべての条件（状態）を直接補正する
ために関与しないことにある。むしろ評価器は、制御対
象Ｆ（ｓ）が未知の入力量を有しているのと同じ量の補
正・フィードバックｓしか有していない。従って、調節
器Ｋ＝Ｋ（ｓ）は、監視器の場合のように一定の係数の
純粋なゲインマトリックスでもなく、適当な方式例えば
極が付与(Polvorgave)され、正方行列形式の最良の構想
などによって設計されねばならない動的な調節器であ
る。

【００２４】出力信号ｏｕｔにおける変化は、入力信号
ｉｎ１ないしｉｎ２によりもたらされる両信号分の線形
重畳から生ずる。測定された入力信号ｉｎ２のあらゆる
変化は、実際の制御対象並びに制御対象モデルによって
同期して処理され、全く制御偏差ｘｄを生じないｏｕｔ
およびｏｕｔ_-dach に同期して変化させられる。入力信
号ｉｎ１における変化だけが、対応する偏差を生じさ
せ、かつＫ（ｓ）によってできるだけ速く制御され、そ
の結果、速くｙ＝ｉｎ１_-dach ＝ｉｎ１を得ることがで
きる。

【００２５】既に述べたように、調節器Ｋ（ｓ）は高度
な制御技術方法で設計されねばならない。ただし、唯一
の変化する入力量ｉｎ１を求めるための非常に単純な制
御対象モデルに対してのみ、例外として手動で選択でき
る一定の係数Ｋでも済ませられる。

【００２６】ｙ＝ｉｎ１_-dach を十分に速く得る上で必
要となる評価器調節回路の高い帯域幅を得るために、調
節器Ｋ（ｓ）は、その内部を状態調節器および監視器と
して設計される。評価器のすべての成分が制御計算機の
内部で計算されるようになっている場合には、実際の使
用において全く問題はない。本発明に基づいて見い出さ
れた入力量評価器は、オンライン計算時間および有限の
ワードレングスに起因する計算精度の制限のため、唯一
の伝達マトリックス

【数３】に要約される（図３におけるブロック線図参照）。

【００２７】更に評価計算法Ｆｓ（ｓ）が場合によって
次数減少(Ordnungsreduktion) 並びに離散化(Diskretis
ierung) によって位相空間表示に変換される。ｘ_ｋ＋１＝Ａｘ_ｋ＋Ｂｕ_ｋ並びにｙ_ｋ＝Ｃｘ_ｋ＋Ｄｕ_ｋここでｕ_ｋ＝（ｏｕｔ′ ｉｎ２′）′＝評価器のすべ
ての入力信号のベクトルであり、ｋ＝連続的な離散時間
を示すインデックスである。

【００２８】これら２つの両ベクトル／マトリックス式
は、実時間で実現されねばならない。

【００２９】ローラのそばに横に直流機を備えた標準構
造のローラ形試験機において走行車のパワー出力を検出
するためにこの評価器を利用する場合、制御対象Ｆ
（ｓ）に対してその伝達マトリックス（二つの試験機ロ
ーラ、直流機および弾性軸結合部から成る３質量・振
動）を採用しなければならない。求める入力量ＭＦ即ち
走行車で発生されるトルクのほかに、第２の入力量Ｍａ
即ち直流機の電機子トルクが知られていないので、二つ
の線形の独立した測定量、即ちトルク信号Ｍｗ−ｉｓｔ
および速度信号ωｐが対応している二つの未知の入力量
が存在する。従って完全に入力量を評価するために理論
的条件が満たされる。ローラ形試験機の例における評価
用のブロック線図は図４に示されている。

【００３０】多くの場合、電機子トルクＭａの評価が省
ける場合に評価の計算経費（労力）を一層減少すること
ができる。この場合、測定されたトルク信号Ｍｗ−ｉｓ
ｔはベクトルｉｎ２の測定可能な外部入力量として検出
される。これは、制御部ＦＲ（ｓ）が、Ｆ（ｓ）とは異
なり、二つの試験機ローラから成るが直流機のない機械
的な部分制御対象を表すようにする。この場合、減少さ
れた（簡略化された）制御対象Ｆ_R（ｓ）と同様に減少
された（簡略化された）評価器Ｆｓ（ｓ）とを備えた図
５に示されている変更されたブロック線図が生ずる。

【００３１】評価器Ｆ（ｓ）の内部の調節器Ｋ（ｓ）の
具体的な設計に対して、一連の設計方法が利用できる
が、ここでは数学的経費が非常に僅かであるとの理由か
ら、極をあらかじめ設定し、完全なモデル合成をするよ
うなモデル方法が有利である。これらの方式は、安定性
を保証した状態で評価器調節回路の極を任意の速さで与
える働きをし、その場合、評価の帯域幅があらかじめ定
められた極（＝評価回路の過渡特性）によって直接決定
される。

【００３２】従来において評価は摩擦無しの条件のもと
で考慮されていた。実際にはすべてのダイナモメータ形
試験機において、走行装置を正確に模擬するために考慮
しなければならない摩擦損失が存在している。その摩擦
トルクは、それを別の周知の入力量として検出されるよ
うにすれば非常に簡単に考慮される。評価器あるいは減
少された評価器はこの補助的な入力量だけ図６に示され
ているブロック線図に相応して補完されねばならない。
この場合、評価器の摩擦トルクＭ_rも他の測定可能な入
力量と同様に処理される。ただその検出はオンラインで
はなく、所定の学習過程でオフラインで行われる。必要
な場合に、本発明に基づく評価器は二つの試験機ローラ
のそれぞれに対して摩擦トルクを別個に考慮することも
許す。

【００３３】評価器あるいは減少された評価器で評価さ
れた走行車の発生トルクＭｆ_-dachから、その都度の荷
重トルクＭｐが制御目標値として次式において計算され
る。Ｍ_p ＝Ｍ_F-dach（θ_F−θ_p）／θ_F ここで、θ_Fは模擬すべき走行車慣性モーメント、θ_p
はダイナモメータ慣性モーメントである。

【図面の簡単な説明】

【図１】フィードバックパスに逆変換すべき制御対象が
位置し、フォワードパスにおいて非常に高いゲインＫが
形成されている閉ループ回路のブロック線図。

【図２】制御部に他の周知の測定可能な入力信号を編入
するために測定可能な入力ｉｎ２のために拡張されてい
る評価器のブロック線図。

【図３】１つの伝達マトリックスに要約されたブロック
線図。

【図４】ローラ形試験機の例における評価用のブロック
線図。

【図５】減少された制御部Ｆ_R（ｓ）と減少された評価
器Ｆｓ（ｓ）とを備えた回路のブロック線図。

【図６】補助的な入力量だけ補完された図５における評
価器のブロック線図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】慣性の力を模擬する荷重トルクを走行車の
車輪に伝達するための少なくとも一つのローラと、この
ローラに連結された荷重トルクを発生するための荷重装
置と、前記ローラおよび荷重装置に連結されたトルク信
号を発信するためのトルク変換器と、前記ローラおよび
荷重装置に連結された速度信号を発生するための速度変
換器とを備え、前記トルク信号および速度信号に関係し
てローラにおける走行車のパワー出力が検出され、この
パワー出力に関係して荷重トルクが検出され、この荷重
トルクに関係して荷重トルクを制御するための荷重制御
信号が検出されるようなダイナモメータによって走行車
を静止して試験する場合あるいはこれに匹敵する試験に
おいて慣性の力を模擬する方法において、走行車のパワー出力の検出は、フォワードパスに設けら
れた高い信号ゲインの評価器調節器を有する閉回路を有
する評価器により行われ、この評価器はバックワードパ
スに設けられたダイナモメータの制御対象の線形動的モ
デルを有していることを特徴とする、ダイナモメータに
よって慣性の力を模擬する方法。
【請求項２】測定された既知の入力信号例えばトルク信
号が、実際の制御対象の入力端および制御対象のモデル
の入力端に導かれ、同期して処理されることを特徴とす
る請求項１に記載の方法。
【請求項３】前記評価器は、内部が状態調節器および監
視器として機能するようになっていることを特徴とする
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】前記評価器のすべての成分が制御計算機の
内部で計算されることを特徴とする請求項１ないし３の
いずれか１つに記載の方法。
【請求項５】前記評価器は、既知の測定可能な入力信
号、例えば摩擦トルク信号を入力するための追加入力端
を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいず
れか１つに記載の方法。
【請求項６】摩擦トルクの検出が、試験運転中に慣性の力を模擬する際ではなく、実際の速度に関係して摩擦トルクを提供する走行車無し
で実施される試験機のいわゆるコースト・ダウン試験に
よる試験運転に先行する別個の学習過程において行われ
ることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに
記載の方法。