一種燃油噴射系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)智能化改造與設(shè)計(jì)

l 前言
    燃油噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)的重要組成部分，其性能的好壞直接決定了柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性。噴浦泵是該系統(tǒng)中最重要的部件。燃油噴射系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)是調(diào)整和測(cè)試噴油泵的主要設(shè)備。6PSDl30—1型電子控制燃油噴射系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)是80年代的產(chǎn)品．其電氣控制電路由大量分立元件構(gòu)成，不僅測(cè)試靈敏度低，設(shè)定調(diào)整不方便，故障率高，而且電路元件大多老化和損壞。為了滿足噴油次數(shù)預(yù)置、計(jì)數(shù)與計(jì)滿后自動(dòng)停止，以及各種相關(guān)系數(shù)的顯示，采用計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造，從而實(shí)現(xiàn)了主軸轉(zhuǎn)速預(yù)置、測(cè)速和調(diào)速等多種功能。

2 技術(shù)改造方案
    現(xiàn)有的6PSDl30一1型電子控制燃油噴射系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)屬于D系列電子控制無(wú)級(jí)調(diào)速型．即晶閘管轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該燃油噴射系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主電機(jī)功率為130 kW，主軸轉(zhuǎn)速范圍為120~1200 r／min，量油計(jì)數(shù)次數(shù)的基數(shù)為100次，計(jì)數(shù)次數(shù)選擇范圍為100～500次；其動(dòng)力和控制部分采用分立元件，無(wú)試驗(yàn)油溫監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)；量油部分采用傳統(tǒng)的玻璃量筒目測(cè)，測(cè)試不方便且精度低。國(guó)外的燃油噴射系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)已開始采用微機(jī)量油及數(shù)顯系統(tǒng)。因此，為提高測(cè)試精度，按國(guó)標(biāo)要求對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，要求系統(tǒng)達(dá)到：①數(shù)字顯示壓力、溫度、轉(zhuǎn)速與計(jì)數(shù)等參數(shù)；②燃油恒溫控制在40℃；③自動(dòng)控制倒油時(shí)間；④數(shù)顯油量與屏幕顯示油量。
    采用AT89C52單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。圖1示出系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖。它主要由傳感器、AT89C52單片機(jī)、PC機(jī)、存儲(chǔ)器及接口電路等組成翻。

    該系統(tǒng)利用傳感器采集主軸轉(zhuǎn)速、噴油壓力和溫度等信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路處理后送入AT89C52單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)部程序以及處理電路控制下生成相應(yīng)的噴油量，并由PC機(jī)顯示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為噴油計(jì)數(shù)模塊和主軸轉(zhuǎn)速模塊兩大部分，后者又分為測(cè)速模塊和調(diào)速模塊。
3．1 噴油計(jì)數(shù)模塊
    噴油計(jì)數(shù)模塊由AT89C52單片機(jī)、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM6264、計(jì)數(shù)傳感器、整形放大器、光電隔離電路、繼電器、電磁鐵、擋油板機(jī)構(gòu)、PC機(jī)、RS485接口構(gòu)成。圖2給出噴油計(jì)數(shù)模塊的硬件設(shè)計(jì)。

    從PC機(jī)鍵盤輸入預(yù)置的噴油次數(shù)，通過(guò)PC機(jī)與AT89C52單片機(jī)的通信傳送到單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。按下集油按鈕后，繼電器吸合，通斷油機(jī)構(gòu)中與擋油板相連的電磁鐵通電，擋油板拉出，實(shí)驗(yàn)油開始流入量筒，實(shí)驗(yàn)臺(tái)處于量油狀態(tài)。主軸轉(zhuǎn)一圈，噴油泵噴一次油，AT89C52單片機(jī)的T0利用計(jì)數(shù)傳感器輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)噴油次數(shù)與預(yù)置值相等時(shí)，繼電器斷開，使電磁鐵斷電，將擋油板推回，阻止噴油進(jìn)入量筒，實(shí)驗(yàn)臺(tái)處于斷油狀態(tài)。此時(shí)，量筒中的油量即是給定噴油次數(shù)的噴油總量。在量油的實(shí)時(shí)過(guò)程中，噴油次數(shù)從零開始顯示，一直顯示到預(yù)置的噴油次數(shù)。
3．2 主軸轉(zhuǎn)速模塊
    圖3示出主軸轉(zhuǎn)速模塊硬件設(shè)計(jì)電路。它由AT89C52單片機(jī)、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM6264、RS485串行接口、PC機(jī)、8155可編程并行I/O器件、分頻器、測(cè)速傳感器、放大整形電路、觸發(fā)隔離驅(qū)動(dòng)電路、晶閘管和電動(dòng)機(jī)組成。

    速度由PC機(jī)鍵盤給定，AT89C52單片機(jī)的T1計(jì)數(shù)和8155定時(shí)結(jié)合對(duì)從測(cè)速傳感器來(lái)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)、運(yùn)算，測(cè)出實(shí)際轉(zhuǎn)速。預(yù)置轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差經(jīng)PID算法調(diào)節(jié)后輸出給D／A轉(zhuǎn)換器，通過(guò)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路改變晶閘管的導(dǎo)通角，從而調(diào)節(jié)主軸電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，以達(dá)到控制主軸轉(zhuǎn)速的目的。PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示主軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

4 控制算法設(shè)計(jì)及參數(shù)整定
4．1 控制算法
    由于單片機(jī)控制屬于一種采樣控制，它是根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差計(jì)算控制量，因此由PID調(diào)節(jié)的規(guī)律數(shù)值表達(dá)式為：

   

    由式(3)可見，增量算法只需保持實(shí)現(xiàn)前3個(gè)時(shí)刻的偏差值。為了提高系統(tǒng)的快速性，避免運(yùn)算溢出，算法對(duì)偏差和控制輸出限定了最大偏差量和最大輸出量。
4．2 參數(shù)整定
    調(diào)速控制過(guò)程中，對(duì)象模型常采用一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)來(lái)描述，其傳遞函數(shù)為：

   
式中：K為對(duì)象的靜態(tài)增益；T1為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)；T為對(duì)象的純滯后常數(shù)。
    采用Cohn—Coon方法進(jìn)行參數(shù)整定，根據(jù)對(duì)象的飛升實(shí)驗(yàn)曲線來(lái)提取對(duì)象的特征參數(shù)計(jì)算公式為：

   
    由式(5)得到K、T、τ整定出PID調(diào)節(jié)器參數(shù)。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包含PC機(jī)、AT89C52單片機(jī)和數(shù)據(jù)通信等模塊。其中，PC機(jī)模塊是控制中心，決定著整個(gè)系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)和流程，主要用于完成系統(tǒng)與操作人員的交互功能，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示、查詢標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試數(shù)據(jù)、打印數(shù)據(jù)報(bào)表等功能。圖4給出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示設(shè)計(jì)方案。

    AT89C52單片機(jī)模塊采用MCS一51系列單片機(jī)匯編語(yǔ)言編寫。它包括主程序設(shè)計(jì)、噴油計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)、測(cè)速程序設(shè)計(jì)、調(diào)速程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)。AT89C52單片機(jī)模塊按采樣周期定時(shí)采樣，并接收PC機(jī)發(fā)送的命令，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)控制；數(shù)據(jù)通信模塊能實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。圖5給出AT89C52單片機(jī)模塊測(cè)速程序流程圖。

　

6 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)論
    圖6給出燃油噴射系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主軸轉(zhuǎn)速曲線。研究表明，改造后的實(shí)驗(yàn)臺(tái)能自動(dòng)控制噴油計(jì)數(shù)和主軸轉(zhuǎn)速。與原實(shí)驗(yàn)臺(tái)相比較，省去了由分立元件組成的單元環(huán)節(jié)，提高了檢測(cè)的自動(dòng)化和效率，不僅工作可靠，而且使用和維修方便。