基于發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)設(shè)計

　1 引 言
　隨著發(fā)動機電控技術(shù)的發(fā)展，對發(fā)動機測試提出了更高的要求。發(fā)動機試驗的自動化成為提高發(fā)動機測試效率和質(zhì)量的重要方法。虛擬儀器是用軟件將計算機與標(biāo)準化虛擬儀器硬件結(jié)合起來，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的模塊化，以達到自動測試與分析的目的。利用虛擬儀器技術(shù)用戶可以通過圖形化的編程環(huán)境和操作界面，輕松完成對待測對象的信號調(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；同時由于采用了標(biāo)準化的虛擬儀器軟硬件，測試系統(tǒng)的兼容性和擴展性也得到了很大程度的增強；除此以外，虛擬儀器技術(shù)的靈活性強和可重用度高，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，用戶甚至可以使用現(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

　?。?）系統(tǒng)組成

　　發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)主要由主控機模塊、cFP實時監(jiān)控模塊、測功機模塊以及待測發(fā)動機模塊四部分組成，如圖1所示。

　　圖1 發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)

　　主控機模塊為一臺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面和控制參數(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，主控機還通過嵌入式NI PCI數(shù)據(jù)采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NI cFP分布式I/O系統(tǒng)組成，通過TCP/IP協(xié)議與主控機通信，從主控機獲得控制參數(shù)命令來控制測功機，并返回從測功機模塊采集來的數(shù)據(jù)信號，交由主控機處理。其中模塊A用于完成實時自動加載和控制指標(biāo)參量的測量，并提供過載保護、緊急停車以及非法停機后的系統(tǒng)重建等應(yīng)急措施；模塊B用于完成對待測發(fā)動機各溫度點的實時監(jiān)測。

　　測功機模塊被用于為待測發(fā)動機提供一定的負載，并由其內(nèi)部的傳感設(shè)備將待測發(fā)動機在該負載下的扭矩、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。

　?。?）工作原理

　　發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)可在兩種工作模式運行下：自動工作模式和手動工作模式，主要測試項目有：

　　1）發(fā)動機壓力曲線 （油、水、氣的進出口）。2） 發(fā)動機溫度曲線 （油、水、氣的進出口及環(huán)境）。3） 發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線。4） 發(fā)動機扭矩曲線。5） 發(fā)動機功率曲線。6） 發(fā)動機油耗曲線 。

　　自動工作模式下，主控機首先等待用戶完成軟硬件的設(shè)置和配置。然后提請用戶選擇負載測試或定參數(shù)測試，負載測試下用戶需要設(shè)置負載曲線、負載時間、循環(huán)時間以及測試時間等測試參數(shù)；定參數(shù)測試下，用戶可以選擇指定扭矩、轉(zhuǎn)速或是功率，并設(shè)置相應(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載自動加載同時完成對待測發(fā)動機的性能測試；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)動機進行自動測試。系統(tǒng)運行的同時，用戶可以在實時監(jiān)測圖表中觀察各指標(biāo)參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得到發(fā)動機特性曲線，并可將感興趣的圖表導(dǎo)出存盤。當(dāng)完成測試時間后，系統(tǒng)自動終止測試。

　　手動工作模式下，系統(tǒng)工作原理與自動工作模式下基本類似，只是系統(tǒng)不進行循環(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，等待用戶的進一步操作。

　　3 硬件結(jié)構(gòu)

　　發(fā)動機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)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組成框圖

　?。?）主控機

　　主控機選用一臺DELL工作站，內(nèi)嵌了Intel Pentium 4 2.6G CPU，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。

　?。?）實時監(jiān)控模塊

　　實時監(jiān)控模塊選用NI cFP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)最核心的實時采集與控制的部分。

　?。?）實時測溫模塊

　　實時測溫模塊選用NI cFP分布式I/O實時系統(tǒng)。采用了cFP-2020控制器，配以4塊cFP TC-120 8通道熱電偶模塊，可直接用于測量標(biāo)準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、冷端補償以及各種熱電偶的溫度算法，用于發(fā)動機各待測溫度點的數(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)的遠程共享，有利于對工業(yè)現(xiàn)場實施遠程的實時監(jiān)控。

　?。?）測功機

　　測功機是根據(jù)作用力與反作用力平衡原理設(shè)計的。當(dāng)發(fā)動機測功機的定子受到的轉(zhuǎn)矩與被測發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩相等時，由單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接精準地讀出被測發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩值。當(dāng)被測發(fā)動機旋轉(zhuǎn)帶著測功機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，若給測功機加入直流勵磁電壓，測功機中有磁場存在，此時測功機轉(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，同時測功機定子受到一個相反方向的轉(zhuǎn)矩作用，便在測功機傳感器軸上產(chǎn)生壓應(yīng)力，在正常工作范圍內(nèi)，壓應(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)生最大壓應(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)力的大小而變化，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，利用單片機和光電式傳感器相配合，使待測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速簡便、抗干擾能力強。光電式傳感器在發(fā)動機軸上裝一個邊緣有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)動機的轉(zhuǎn)速。

　?。?）控制機柜

　　控制機柜主要由控制開關(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)動機測試系統(tǒng)提供強電支持及系統(tǒng)應(yīng)急措施。

　　4 軟件結(jié)構(gòu)及算法

　?。?）軟件結(jié)構(gòu)

　　發(fā)動機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/服務(wù)器（CS）結(jié)構(gòu)。服務(wù)器架構(gòu)為NI cFP分布式I/O體系，利用其內(nèi)嵌的獨立式實時系統(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；客戶機則采用通用的PC機結(jié)構(gòu)，運行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)人機交互，完成控制參數(shù)的輸入，以及檢測數(shù)據(jù)的分析、運算和圖表顯示。

　　系統(tǒng)操作流程為，上電后服務(wù)器自動啟動存儲器中內(nèi)建的LabVIEW RT實時程序，并實時偵聽客戶機“開始測試”的命令；客戶機開機運行發(fā)動機性能虛擬儀器測試主程序，完成用戶登錄、硬件配置、選擇測試項目、設(shè)置測試參數(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，按照客戶制定的硬件配置、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；客戶機發(fā)出PID控制命令，并對服務(wù)器發(fā)送的實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，完成PID控制后，按照測試項目進行測試，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，客戶機發(fā)出結(jié)束測試的命令，經(jīng)服務(wù)器接收確認后，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PID控制算法和積分分離PID控制算法。

　　1） 位置式PID控制算法

　　該算法的優(yōu)點是原理簡單，只是將經(jīng)典的PID算法理論離散化，運用于計算機輔助測量，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）進行累加，計算機運算工作量大；而且，因為計算機輸出的u（k）對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障，u（k）的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。

　　2） 增量式PID控制算法

　　該算法的優(yōu)點是，由于計算機輸出增量，誤動作時影響小，必要時可以用邏輯判斷的方法去掉；手動/自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換，此外當(dāng)計算機發(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?？刂圃隽喀（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

　　5 結(jié) 論

　　該發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對發(fā)動機的多路壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、功率以及溫度實時監(jiān)測，并利用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)主控機對多路信號的遠程操控以及測試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享；該系統(tǒng)具有測量精度高、運行穩(wěn)定性強，適用于多種類型發(fā)動機綜合性能測試。