專利名稱：用于發動機性能臺架的交流電機速度特性控制方法
技術領域：
本發明涉及一種用于發動機性能臺架的交流電機速度特性控制方法，應用在汽車發動機性能臺架上，用于在發動機外特性測量時實現發動機的運行工況的控制。
背景技術：
在發動機的外特性測量中，有時需要把發動機保持在設定的轉速才能開始測量(參見國標GB/T 18297)，因此恒速就是為測控提供試驗的工況依據。
通常，發動機外特性的測試是在發動機性能試驗臺架上進行的，臺架的執行器件主要就是一個交流電機，在總體機械結構上，基本上可以理解為執行器交流電機與發動機同軸。因此為了得到被測物發動機的外特性性能，就只要控制好執行器交流電機即可。而根據國標GB/T 18297，為了實現發動機的恒速，試驗臺架基本上需要電機運行在恒扭矩運行段，就靠電機的恒扭矩輸出控制以實現臺架系統的恒速運行。
現今汽車發動機經過發動機管理系統重新匹配后，存在動力輸出雙最大扭矩輸出點，甚至多最大扭矩輸出點的最終匹配結果。這樣在采用電機做加載負荷的發動機臺架控制中，就存在必須高動態的響應轉速與扭矩的情況。在電機的一般控制方法中，多半直接采用PID誤差控制方法。它的重大缺點是1、只根據轉速的誤差值來決定電機的加減載荷，對于每次誤差之間的變化斜率大小不考慮。這樣對于汽車發動機輸出扭矩變化不大但轉速變化很大的情況，就無法很好的實現轉速的穩定控制。
2、PID基本的思想是根據反饋量決定給定量的單方向的增加或是減小。舉例用PID算法控制發動機轉速，發現當前轉速增加，就要增大扭矩將轉速壓低；發現轉速減小，就要減小扭矩提高轉速。但是根據發動機的外特性曲線描述，存在轉速增加，扭矩同時也增加；轉速減小扭矩同時也減小的運行工況。這樣單純的PID控制無法實現雙最大扭矩輸出或多最大扭矩輸出的發動機轉速控制。
3、基于PID的控制算法對于每次產生的誤差值是非常關鍵的。它關系到每次調節的PID基本參數的自整定幅值及其超調幅度。那么對于發動機動力輸出外特性控制需要速度點取樣相差很大的情況，每次取樣點轉速差大于500轉/分，那么完全依賴PID根據每次調節的誤差量來整定就遠遠來不及了，會造成超調量很大，以至于振蕩失控。

發明內容本發明的目的在于，克服現有技術中存在的直接采用PID誤差控制方法所帶來的一系列的問題，提供一種用于發動機性能臺架的交流電機速度特性控制方法，在電機控制器控制交流電機在恒扭矩工況下，高速適應外界受力情況調節交流電機的扭矩輸出以達到轉速的恒定運行。
為實現上述目的，本發明提出一種用于發動機性能臺架的交流電機速度特性控制方法，其特征是包括如下步驟(A)測量電機或發動機的實時轉速；(B)計算實測轉速與設定轉速之間的誤差值e；(C)計算所述誤差值的斜率e-ei，即，誤差值的誤差值；其中ei為前次的誤差值；(D)根據誤差量e和誤差斜率e-ei進行PID算法，計算調節的給定輸出U(k)；(E)根據該給定輸出U(k)調節電機轉速。
根據本發明的優選方案，本發明還包括如下特征在所述步驟(D)中計算調節給定輸出U(k)的方法為如果誤差值e＝0，則輸出U(k)保持不變；如果誤差值e＞0且e＞ei，則執行PID算法增大輸出U(k)；如果誤差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＞length rate，則減小輸出U(k)；如果誤差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＜＝length rate，則保持輸出U(k)一段時間不變，保持一段時間后如果還滿足上述判據，則執行PID算法增大U(k)輸出將轉速壓下來；如果e＜0且e＜ei，則執行PID調節，減小輸出U(k)；如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＞length rate，則增加U(k)輸出如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＜＝length rate，則保持輸出U(k)一段時間不變，保持一段時間后如果還滿足上述判據，則執行PID算法減小U(k)輸出將轉速升上來；
其中length rate是接近設定值時根據e-ei的幅度需要提前預判的閥值。
根據本發明的優選方案，本發明進一步包括如下特征如果誤差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＞length rate，則在減小輸出U(k)時進行PID微調；如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＞length rate，則在增加U(k)輸出時進行PID微調。
根據本發明的優選方案，本發明進一步包括如下特征先將油門執行器開到一定比例的節氣門開度，再由電機控制整體速度達到恒定轉速，進行該開氣門開度條件下的發動機外特性測量；然后再將油門執行器開到另一比例的節氣門開度，再由電機控制整體速度達到恒定轉速，進行該開氣門開度條件下的發動機外特性測量；依此類推，進行不同比例節氣門開度下外特性的測控。
根據本發明的優選方案，本發明進一步包括步驟(F)——誤差值細分根據誤差量e和誤差斜率e-ei的情況，將每次的設定值與原始設定值的差值情況分步給出。
由于本發明采用了上述方案，在PID調節算法的基礎上增加誤差變化斜率的判斷以及誤差值的細分的情況下動態的響應電機外部受力的變化情況。該方法控制能夠滿足汽車發動機性能臺架速度特性控制要求。

圖1是本發明的應用對象——汽車發動機臺架測試系統電路方框示意圖。
圖2是本發明總體流程示意圖。
圖3是本發明PID算法流程示意圖。
具體實施方式圖1所示為本發明的應用對象——汽車發動機臺架測試系統方框圖，虛線框內是與本發明相關的硬件系統。具體的信號流程如下首先，模塊6在模塊4的控制情況下調節被測發動機的節氣門恒定；由模塊1檢測并輸出實時轉速測量信號，模塊2將其調理為標準信號后，被模塊3采集轉換為數字信號，最后由模塊4處理，得出實時轉速測量數值；由模塊4根據實時測量的轉速情況通過算法調節模塊5的扭矩輸出情況以實現交流電機的轉速恒定輸出。其中，模塊3采用了National Instrument的6025采集卡，它具有12位精度，200k的采樣速率，16路模擬輸入通道，2路模擬輸出通道和8路數字輸入/輸出通道。模塊4的編程語言是National Instrument開發的LabVIEW。
模塊2的角色就是實現外圍模擬電量處理成NI卡能夠接口的形式，進入NI的數據采集卡。“調理”的意思就是處理，將外圍眾多模擬電量經過轉換，使得NI系統能夠直接使用。
模塊4將轉速傳感器的信號經過模塊2的電信號調理進入數據采集卡。然后通過脈沖計數的方式進行實時測量。這里談到的實時轉速就是指依賴于計算機的高性能運算速度，進行小于10mS的高速測速以實現實時轉速的連續輸出。
由于電機在加載控制柜的裝機情況下處于恒扭矩運行狀態，由數據采集卡控制其扭矩的輸出狀態就可以實現控制電機的扭矩輸出。具體的算法就是下面所介紹的PID算法實現轉速閉環控制。
如圖2、3所示，本發明控制方法由7個基本組成實時轉速取樣、轉速取樣間隔、轉速誤差值的誤差值(變化斜率)、誤差值細分幅度、PID基本值、PID調節速度、PID微調。實時轉速取樣是決定每次轉速取樣的累計時間，為了實現動態的響應，這是一個毫秒級的時間。轉速取樣間距是調節每次轉速的取樣間隔的取樣次數，這是由于轉速對于控制器的扭矩輸出響應存在延遲而必要產生的調節指標。誤差值細分是根據每次基本誤差值的情況進行細分，降低每次超調幅度。PID基本值、PID調節速度與PID微調是一起配合使用的。每次控制循環都有PID的基本值從前一次控制循環產生的PID基本值，再跟據當前轉速的誤差與轉速的變化斜率共同決定PID的調節速度，產生新的PID輸出參數，經過最后微調的處理，輸出給電機控制器實現速度特性的精準控制。該控制方法動態響應好，完全能夠滿足汽車發動機速度特性測量的需要。
在一個具體實施例中，其控制思路如下一、e＝0，U(k)保持不變輸出二、e＞0；表示當前速度大于設定速度1、e＞ei；e是最新的誤差量，表示在持續升速U(k)需要執行PID算法增大輸出2、e＜＝ei(1)ei-e＞length rate表示在向設定值靠近，但是靠的太快了。此時需要讓它不要那么快，需要減小一點U(k)輸出，或是讓它調節的慢一點U(k)-微調值0.00025×(e-ei)/0.6這種處理可稱為PID微調。其中系數0.00025需要每更換一款發動機進行初步試驗，根據接近設定值時e-ei的值的幅度進行設定。也就是每換一款發動機需要簡單的建模。微調是為了在接近設定值的情況下防止調節過沖。
(2)ei-e＜＝length rate向設定值靠的很慢，并且還有可能是保持在一個與設定值比較接近的速度上。此時保持U(k)輸出2s，如果還這樣，執行PID算法增大U(k)輸出將轉速壓下來。
三、e＜0；表示當前速度小于設定速度1、e＜ei；表示持續減速U(k)執行PID調節，減小輸出2、e＞＝ei(1)e-ei＞length rate；向設定值靠近，但是太快，需要增加一點U(k)，不要讓它升的那么快，需要增大一點U(k)輸出，或是讓它調節的慢一點U(k)+微調值0.00025×(e-ei)/0.5(2)e-ei＜＝length rate；不向設定值靠近，并且可能保持在一個與設定值比較接近的速度上。此時保持U(k)輸出2s，如果還這樣，執行PID算法減小U(k)輸出將轉速升上來。
其中，在執行PID算法增大或減小U(K)輸出時，如果誤差斜率較大，需要進行誤差值細分，即把預定的總調節量細分成多個，一步一步調節到位，而不是一次調節到位。這是一個為了防止變化量太大進行的細分。比如設定值從2000轉設定到5000轉，就會有這樣的處理，會100轉的遞增而不是一下從2000轉沖到5000轉。主要用于保護被測發動機。
上述實施例只是為了說明問題，不能理解為對本發明的保護范圍的限制。例如，實施例中提到的數值的公式，對于不同的發動機就需要不同的取舍。
權利要求
1.一種用于發動機性能臺架的交流電機速度特性控制方法，其特征是包括如下步驟(A)測量電機或發動機的實時轉速；(B)計算實測轉速與設定轉速之間的誤差值e；(C)計算所述誤差值的斜率e-ei，即，誤差值的誤差值；其中ei為前次的誤差值；(D)根據誤差量e和誤差斜率e-ei進行PID算法，計算調節的給定輸出U(k)；(E)根據該給定輸出U(k)調節電機轉速。
2.如權利要求1所述的用于發動機性能臺架的交流電機速度特性控制方法，其特征是所述步驟(D)中計算調節給定輸出U(k)的方法為如果誤差值e＝0，則輸出U(k)保持不變；如果誤差值e＞0且e＞ei，則執行PID算法增大輸出U(k)；如果誤差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＞length rate，則減小輸出U(k)；如果誤差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＜＝length rate，則保持輸出U(k)一段時間不變，保持一段時間后如果還滿足上述判據，則執行PID算法增大U(k)輸出將轉速壓下來；如果e＜0且e＜ei，則執行PID調節，減小輸出U(k)；如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＞length rate，則增加U(k)輸出如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＜＝length rate，則保持輸出U(k)一段時間不變，保持一段時間后如果還滿足上述判據，則執行PID算法減小U(k)輸出將轉速升上來；其中length rate是接近設定值時根據e-ei的幅度需要提前預判的閥值。
3.如權利要求2所述的用于發動機性能臺架的交流電機速度特性控制方法，其特征是如果誤差值e＞0且e＜＝ei且ei-e＞length rate，則在減小輸出U(k)時進行PID微調；如果e＜0且e＞＝ei且e-ei＞length rate，則在增加U(k)輸出時進行PID微調。
4.如權利要求1或2或3所述的用于發動機性能臺架的交流電機速度特性控制方法，其特征是先將油門執行器開到一定比例的節氣門開度，再由電機控制整體速度達到恒定轉速，進行該開氣門開度條件下的發動機外特性測量；然后再將油門執行器開到另一比例的節氣門開度，再由電機控制整體速度達到恒定轉速，進行該開氣門開度條件下的發動機外特性測量；依此類推，進行不同比例節氣門開度下外特性的測控。
5.如權利要求1或2或3所述的用于發動機性能臺架的交流電機速度特性控制方法，其特征是還包括步驟(F)——誤差值細分根據誤差量e和誤差斜率e-ei的情況，將每次的設定值與原始設定值的差值情況分步給出。
全文摘要
本發明公開一種用于發動機性能臺架的交流電機速度特性控制方法，在PID調節算法的基礎上增加誤差變化斜率的判斷以及誤差值的細分的情況下動態的響應電機外部受力的變化情況。該方法控制在電機控制器控制交流電機在恒扭矩工況下，高速適應外界受力情況調節交流電機的扭矩輸出以達到轉速的恒定運行，能夠滿足汽車發動機性能臺架速度特性控制要求。
文檔編號H02P6/06GK1937392SQ20051002173
公開日2007年3月28日 申請日期2005年9月20日 優先權日2005年9月20日
發明者葉強, 龍光展 申請人:比亞迪股份有限公司