詳解發(fā)動機(jī)性能虛擬儀器測試系統(tǒng)

1、詳解發(fā)動機(jī)性能虛擬儀器測試系統(tǒng)來源：半導(dǎo)體器件應(yīng)用網(wǎng)摘要：隨著發(fā)動機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展，對發(fā)動機(jī)測試提出了更高的要求。發(fā)動 機(jī)試驗的自動化成為提高發(fā)動機(jī)測試效率和質(zhì)量的重要方法。虛擬儀器是用軟件 將計算機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)化虛擬儀器碩件結(jié)合起來，從向?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的模塊化，以 達(dá)到自動測試與分析的目的。關(guān)鍵字：虛擬儀器，測試系統(tǒng)，監(jiān)控1引言隨著發(fā)動機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展，對發(fā)動機(jī)測試提出了更高的要求。發(fā)動機(jī)試驗 的口動化成為提高發(fā)動機(jī)測試效率和質(zhì)量的重要方法。虛擬儀器是用軟件將計算 機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)化虛擬儀器硬件結(jié)合起來，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的模塊化，以達(dá)到口 動測試與分析的日的。輕松完成對利用虛擬儀豊技術(shù)用戶可以通過圖

2、形化的編程環(huán)境和操作界面, 待測對象的信號調(diào)理、過程控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲、 故障診斷以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期；同吋由于采用了標(biāo)準(zhǔn) 化的虛擬儀器軟硬件，測試系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性也得到了很人程度的增強(qiáng)；除 此以外，虛擬儀器技術(shù)的靈活性強(qiáng)和可垂用度高，可以使用戶的測試系統(tǒng)規(guī)模最 小化，且易于升級和維護(hù)，用戶茯至可以使用現(xiàn)有硬件組成另一套測試系統(tǒng),從 而減少不必要的重復(fù)投資，降低系統(tǒng)的開發(fā)成本。2系統(tǒng)組成及工作原理(1) 系統(tǒng)組成發(fā)動機(jī)性能虛擬儀器測試系統(tǒng)主耍由主控機(jī)模塊、cfp實時監(jiān)控模塊、測功 機(jī)模塊以及待測發(fā)動機(jī)模塊四部分組成，如圖1所示。itt據(jù)分齊控

3、別設(shè)咒丄界向設(shè)fl圖1發(fā)動機(jī)性能虛擬儀器測試系統(tǒng)主控機(jī)模塊為一臺dell工作站，用于提供圖形化用戶界面，完成對系統(tǒng)硬件 的配置和對用戶界而和控制參數(shù)的設(shè)置，并實時更新各指標(biāo)參量對時間的波形顯 示，經(jīng)過曲線擬合后得到發(fā)動機(jī)特性曲線，最后完成測試數(shù)據(jù)的記錄工作。與此 同時，主控機(jī)還通過恢入式nipci數(shù)據(jù)釆集卡完成對非控制參量，如壓力、油耗 等的測量工作。cfp實時監(jiān)控模塊由兩部nicfp分布式i/o系統(tǒng)組成，通過tcp/ip協(xié)議與主 控機(jī)通信，從主控機(jī)獲得控制參數(shù)命令來控制測功機(jī)，并返回從測功機(jī)模塊采集 來的數(shù)據(jù)信號，交由主控機(jī)處理。其中模塊a用于完成實時口動加載和控制指標(biāo) 參量的測量，并提供過

4、載保護(hù)、緊急停車以及非法停機(jī)后的系統(tǒng)重建等應(yīng)急描施; 模塊b用于完成對待測發(fā)動機(jī)各溫度點的實時監(jiān)測。測功機(jī)模塊被用于為待測發(fā)動機(jī)提供一定的負(fù)載，并山其內(nèi)部的傳感設(shè)備將 待測發(fā)動機(jī)在該負(fù)載下的扭矩、轉(zhuǎn)速以及輸出功率等待測指標(biāo)參量轉(zhuǎn)換為cfp實 時監(jiān)控模塊a可以接受的電壓信號。（2）工作原理發(fā)動機(jī)性能虛擬儀器測試系統(tǒng)可在兩種工作模式運(yùn)行下：白動工作模式和手 動工作模式，主要測試項目有：1）發(fā)動機(jī)壓力曲線（油、水、氣的進(jìn)出口）。2）發(fā)動機(jī)溫度曲線（油、水、氣的 進(jìn)出口及環(huán)境）。3）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速曲線。4）發(fā)動機(jī)扭矩曲線。5）發(fā)動機(jī)功率曲線。 6）發(fā)動機(jī)汕耗曲線?？趧庸ぷ髂Ｊ较?，主控機(jī)首先等待用戶完成軟硬

5、件的設(shè)置和配置。然后提請 用戶選擇負(fù)載測試或定參數(shù)測試，負(fù)載測試下用戶需要設(shè)置負(fù)載曲線、負(fù)載時間、 循環(huán)時間以及測試時間等測試參數(shù)；定參數(shù)測試f,用戶可以選擇指定扭矩、轉(zhuǎn) 速或是功率，并設(shè)置和應(yīng)的定標(biāo)參數(shù)、控制參數(shù)以及測試時間。完成以上步驟以 后，就可以啟動測試程序，測試系統(tǒng)即按照用戶制定的負(fù)載自動加載同時完成對 待測發(fā)動機(jī)的性能測試；或是通過一定的控制算法保持定標(biāo)參數(shù)的穩(wěn)定并對該狀 態(tài)下的待測發(fā)動機(jī)進(jìn)行口動測試。系統(tǒng)運(yùn)行的同時，用戶可以在實時監(jiān)測圖表屮 觀察各指標(biāo)參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得到發(fā)動機(jī)特性曲線，并可 將感興趣的圖表導(dǎo)出存盤。當(dāng)完成測試吋間后，系統(tǒng)自動終止測試。手動工作

6、模式下，系統(tǒng)工作原理與自動工作模式下基木類似，只是系統(tǒng)不進(jìn) 行循環(huán)測試，而是提供一種交互式的測試環(huán)境，完成指定的測試項目后，等待用 戶的進(jìn)一步操作。3硬件結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)性能虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組成框圖，如圖2所示。圖2發(fā)動機(jī)性能虛擬儀器測試系統(tǒng)破件組成框圖(1)主控機(jī)主控機(jī)選川一臺dell工作站，內(nèi)嵌了 intelpentium42. 6gcpu,多功能數(shù)據(jù)采集卡和實時測溫模塊和實時監(jiān)控模塊。(2)實時監(jiān)控模塊實時監(jiān)控模塊選用nicfp分布式i/o實時系統(tǒng)。作為工業(yè)級控制系統(tǒng)，cfp 具備fifo數(shù)據(jù)隊列、斷電數(shù)據(jù)緩存、看門狗狀態(tài)監(jiān)測以及高抗沖擊性和抗干擾 性，是用于完成系統(tǒng)最核心的實時釆集與控制

7、的部分。(3) 實時測溫模塊實時測溫模塊選用nicfp分布式i/o實時系統(tǒng)。采用了 cfp-2020控制器，配 以4塊cfptc-1208通道熱電偶模塊，可直接用丁測量標(biāo)準(zhǔn)j、k、t、n、r、s、e 和b型熱電偶，并提供相應(yīng)的信號調(diào)理、雙絕緣隔離、輸入噪聲過濾、冷端補(bǔ)償 以及各種熱電偶的溫度算法，用于發(fā)動機(jī)各待測溫度點的數(shù)據(jù)采樣，并利用分布 式i/o的基于tcp/ip協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)共享功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程共享，有利于對工業(yè) 現(xiàn)場實施遠(yuǎn)程的實時監(jiān)控。(4) 測功機(jī)測功機(jī)是根據(jù)作用力與反作用力平衡原理設(shè)計的。當(dāng)發(fā)動機(jī)測功機(jī)的定子受 到的轉(zhuǎn)矩與被測發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩相等時，由單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接精準(zhǔn)地讀出被

8、測發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩值。當(dāng)被測發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)帶著測功機(jī)的轉(zhuǎn)了旋轉(zhuǎn)時，若給測功機(jī)加 入盲流勵磁電壓，測功機(jī)中有磁場存在，此時測功機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)且切割磁力線產(chǎn)生 電樞電流，電樞電流和磁通相互作用產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，同時測功機(jī)定子受到一個相 反方向的轉(zhuǎn)矩作用，便在測功機(jī)傳感器軸上產(chǎn)生壓應(yīng)力，在止常工作范圍內(nèi)，圧 應(yīng)力與傳感器軸所承受的轉(zhuǎn)矩成正比。如果在傳感器軸產(chǎn)生最人壓應(yīng)力方向上粘 貼電阻應(yīng)變片，則應(yīng)變處的電阻值就隨著壓應(yīng)力的人小而變化，再將應(yīng)變片接入 一定的橋式電路就能將壓應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號，從而即能測量出轉(zhuǎn)矩的大 小。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的測量使用光電式轉(zhuǎn)速傳感器，測速分辨力高、慣性小、應(yīng)用廣 泛，利用單片機(jī)和光電式傳

9、感器相配合，使待測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速簡便、抗干擾能力 強(qiáng)。光電式傳感器在發(fā)動機(jī)軸上裝一個邊緣有n個均勻分布鋸齒的圓盤，通過光 線投射到光敏管上，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動一周，就得到n個脈沖信號，測量脈沖信號的 頻率或周期，就可得到發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。(5) 控制機(jī)柜控制機(jī)柜主耍由控制開關(guān)、開關(guān)電源、濾波器以及連接線路組成，是為各路 傳感模塊提供相應(yīng)的多路接口，使之與待測發(fā)動機(jī)連接，并提供安全的系統(tǒng)供電、 信號隔離、幅度調(diào)節(jié)以及風(fēng)冷控制等輔助功能，為整個發(fā)動機(jī)測試系統(tǒng)提供強(qiáng)電 支持及系統(tǒng)應(yīng)急措施。4軟件結(jié)構(gòu)及算法(1) 軟件結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)性能虛擬儀器測試系統(tǒng)總體采用一種基于tcp/ip協(xié)議的客戶機(jī)/服務(wù) 器(cs)結(jié)構(gòu)。服

10、務(wù)器架構(gòu)為nicfp分布式i/o體系，利用其內(nèi)嵌的獨(dú)立式實時系 統(tǒng)實現(xiàn)目標(biāo)參量的信號采樣，并完成對目標(biāo)參量的實時監(jiān)測和控制；客戶機(jī)則采 用通用的pc機(jī)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行windows多線程操作系統(tǒng)，使用labview虛擬儀器平 臺，借助tcp/ip協(xié)議實現(xiàn)，與服務(wù)器之間控制參量及檢測數(shù)據(jù)的通信，并提供 gui圖形化用戶界面，實現(xiàn)人機(jī)交互，完成控制參數(shù)的輸入，以及檢測數(shù)據(jù)的分 析、運(yùn)算和圖表顯示。系統(tǒng)操作流程為，上電后服務(wù)器口動啟動存儲器中內(nèi)建的labviewrt實時程 序，并實時偵聽客戶機(jī)“開始測試”的命令；客戶機(jī)開機(jī)運(yùn)行發(fā)動機(jī)性能虛擬儀 器測試主程序，完成用戶登錄、碩件配置、選擇測試項目、設(shè)置測試參

11、數(shù)后，啟 動測試程序；服務(wù)器偵聽到客戶端“開始測試”命令后，按照客戶制定的碩件配 置、測試項目以及測試參數(shù)開始實時控制與數(shù)據(jù)采集，并通過tcp/ip協(xié)議將實 驗數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶機(jī)；客戶機(jī)發(fā)出pid控制命令，并對服務(wù)器發(fā)送的實驗數(shù)據(jù)進(jìn) 行分析處理，完成pid控制后，按照測試項目進(jìn)行測試，分析處理測試數(shù)據(jù)，并 以圖表方式顯示實驗結(jié)果；完成測試后，客戶機(jī)發(fā)出結(jié)束測試的命令，經(jīng)服務(wù)器 接收確認(rèn)后，結(jié)束測試。(2) pid控制算法本系統(tǒng)試驗了3種pid控制算法：位置式pid控制算法、增量式pii)控制算法 和積分分離ptd控制算法。1)位置式pid控制算法位苴式pid控制算法描述為心)=尺涉(幻+

12、63;>(" +心0伙)-亦一1),其中，穴。，1，2為采樣序號；u (k)為第次采樣時刻的計算機(jī)輸出值；e (k)為第次采樣時刻輸入的偏差 值；e(kl)為第(k1)次采樣時刻輸入的偏差值；叫為積分系數(shù)，叫二嶺丁/丁工；陶為徴分系數(shù)， =kptd/t;呂為比例系數(shù)；r為積分時間常數(shù)；t。為徽分時間常數(shù)；t為采樣周期.該算法的優(yōu)點是原理簡單，只是將經(jīng)典的pii)算法理論離散化，運(yùn)用于計算 機(jī)輔助測量，結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)；缺點是每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時 要對e(k)進(jìn)行累加，計算機(jī)運(yùn)算工作量大；而且，因為計算機(jī)輸出的u(k)對應(yīng)的 是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置，如計算機(jī)出現(xiàn)故障，

13、u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu) 位置的大幅度變化。2) 增量式pid控制算法増壘式pid控制算法描述為：血仗)=k誇仗)+ k4仗)+ ©心)7心-1).,其中 、啲=與一期一1)。該算法的優(yōu)點是，由于計算機(jī)輸出增量，誤動作時影響小，必要時可以用邏 輯判斷的方法去掉；手動/白動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換，此外當(dāng)計算 機(jī)發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故仍能保持原值； 算式中不需要累加?？刂圃隽縰(k)的確定，僅與最近k次的采樣值有關(guān)，所 以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。增量式控制也有不足之處：積 分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。3) 積分分離pid控制算法k積分分離pid控制算法描述為以幻=心仗)+昭工</) +心2伙)-鍬-1),其中：q = 0心)| y當(dāng)|怒)|當(dāng)| * (| >w時，即偏差值| e (k) i比較大時，采用pd控制，可薩免過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。當(dāng)i e (k)丨we,即偏差值i e (k) i比較小時，采用pid控制，可保證系統(tǒng)的控制楕度.5結(jié)論該發(fā)動機(jī)性能虛擬儀器測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對發(fā)動機(jī)的多路壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、 功率以及溫度實時監(jiān)測，并利用tc