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1 引 言 隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機電控技術(shù)的發(fā)展，對發(fā)動(dòng)機測試提出了更高的要求。發(fā)動(dòng)機試驗的自動(dòng)化成為提高發(fā)動(dòng)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準化虛擬儀器硬件結合起來(lái)，從而實(shí)現傳統儀器功能的模塊化，以達到自動(dòng)測試與分析的目的。利用虛擬儀器技術(shù)用戶(hù)可以通過(guò)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理、過(guò)程控制、數據采集、數據分析、波形顯示、數據存儲、故障診斷以及網(wǎng)絡(luò )通信等功能，大大縮短了系統開(kāi)發(fā)周期；同時(shí)由于采用了標準化的虛擬儀器軟硬件，測試系統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(hù)的測試系統規模最小化，且易于升級和維護，用戶(hù)甚至可以使用現有硬件組成另一套測試系統，從而減少不必要的重復投資，降低系統的開(kāi)發(fā)成本。 2 系統組成及工作原理 （1）系統組成 發(fā)動(dòng)機性能虛擬儀器測試系統主要由主控機模塊、cFP實(shí)時(shí)監控模塊、測功機模塊以及待測發(fā)動(dòng)機模塊四部分組成，如圖1所示。 圖1 發(fā)動(dòng)機性能虛擬儀器測試系統 主控機模塊為一臺DELL工作站，用于提供圖形化用戶(hù)界面，完成對系統硬件的配置和對用戶(hù)界面和控制參數的設置，并實(shí)時(shí)更新各指標參量對時(shí)間的波形顯示，經(jīng)過(guò)曲線(xiàn)擬合后得到發(fā)動(dòng)機特性曲線(xiàn)，最后完成測試數據的記錄工作。與此同時(shí)，主控機還通過(guò)嵌入式NI PCI數據采集卡完成對非控制參量，如壓力、油耗等的測量工作。 cFP實(shí)時(shí)監控模塊由兩部NI cFP分布式I/O系統組成，通過(guò)TCP/IP協(xié)議與主控機通信，從主控機獲得控制參數命令來(lái)控制測功機，并返回從測功機模塊采集來(lái)的數據信號，交由主控機處理。其中模塊A用于完成實(shí)時(shí)自動(dòng)加載和控制指標參量的測量，并提供過(guò)載保護、緊急停車(chē)以及非法停機后的系統重建等應急措施；模塊B用于完成對待測發(fā)動(dòng)機各溫度點(diǎn)的實(shí)時(shí)監測。 測功機模塊被用于為待測發(fā)動(dòng)機提供一定的負載，并由其內部的傳感設備將待測發(fā)動(dòng)機在該負載下的扭矩、轉速以及輸出功率等待測指標參量轉換為cFP實(shí)時(shí)監控模塊A可以接受的電壓信號。 （2）工作原理 發(fā)動(dòng)機性能虛擬儀器測試系統可在兩種工作模式運行下：自動(dòng)工作模式和手動(dòng)工作模式，主要測試項目有： 1）發(fā)動(dòng)機壓力曲線(xiàn) （油、水、氣的進(jìn)出口）。2） 發(fā)動(dòng)機溫度曲線(xiàn) （油、水、氣的進(jìn)出口及環(huán)境）。3） 發(fā)動(dòng)機轉速曲線(xiàn)。4） 發(fā)動(dòng)機扭矩曲線(xiàn)。5） 發(fā)動(dòng)機功率曲線(xiàn)。6） 發(fā)動(dòng)機油耗曲線(xiàn) 。 自動(dòng)工作模式下，主控機首先等待用戶(hù)完成軟硬件的設置和配置。然后提請用戶(hù)選擇負載測試或定參數測試，負載測試下用戶(hù)需要設置負載曲線(xiàn)、負載時(shí)間、循環(huán)時(shí)間以及測試時(shí)間等測試參數；定參數測試下，用戶(hù)可以選擇指定扭矩、轉速或是功率，并設置相應的定標參數、控制參數以及測試時(shí)間。完成以上步驟以后，就可以啟動(dòng)測試程序，測試系統即按照用戶(hù)制定的負載自動(dòng)加載同時(shí)完成對待測發(fā)動(dòng)機的性能測試；或是通過(guò)一定的控制算法保持定標參數的穩定并對該狀態(tài)下的待測發(fā)動(dòng)機進(jìn)行自動(dòng)測試。系統運行的同時(shí)，用戶(hù)可以在實(shí)時(shí)監測圖表中觀(guān)察各指標參量對時(shí)間的波形顯示，經(jīng)過(guò)曲線(xiàn)擬合后得到發(fā)動(dòng)機特性曲線(xiàn)，并可將感興趣的圖表導出存盤(pán)。當完成測試時(shí)間后，系統自動(dòng)終止測試。 手動(dòng)工作模式下，系統工作原理與自動(dòng)工作模式下基本類(lèi)似，只是系統不進(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(hù)的進(jìn)一步操作。 3 硬件結構 發(fā)動(dòng)機性能虛擬儀器測試系統硬件組成框圖，如圖2所示。 圖2 發(fā)動(dòng)機性能虛擬儀器測試系統硬件組成框圖 （1）主控機 主控機選用一臺DELL工作站，內嵌了Intel Pentium 4 2.6G CPU，多功能數據采集卡和實(shí)時(shí)測溫模塊和實(shí)時(shí)監控模塊。 （2）實(shí)時(shí)監控模塊 實(shí)時(shí)監控模塊選用NI cFP分布式I/O實(shí)時(shí)系統。作為工業(yè)級控制系統，cFP具備FIFO數據隊列、斷電數據緩存、看門(mén)狗狀態(tài)監測以及高抗沖擊性和抗干擾性，是用于完成系統最核心的實(shí)時(shí)采集與控制的部分。 （3）實(shí)時(shí)測溫模塊 實(shí)時(shí)測溫模塊選用NI cFP分布式I/O實(shí)時(shí)系統。采用了cFP-2020控制器，配以4塊cFP TC-120 8通道熱電偶模塊，可直接用于測量標準J、K、T、N、R、S、E和B型熱電偶，并提供相應的信號調理、雙絕緣隔離、輸入噪聲過(guò)濾、冷端補償以及各種熱電偶的溫度算法，用于發(fā)動(dòng)機各待測溫度點(diǎn)的數據采樣，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(shí)現數據的遠程共享，有利于對工業(yè)現場(chǎng)實(shí)施遠程的實(shí)時(shí)監控。 （4）測功機 測功機是根據作用力與反作用力平衡原理設計的。當發(fā)動(dòng)機測功機的定子受到的轉矩與被測發(fā)動(dòng)機的轉矩相等時(shí)，由單片機數據采集系統直接精準地讀出被測發(fā)動(dòng)機的轉矩值。當被測發(fā)動(dòng)機旋轉帶著(zhù)測功機的轉子旋轉時(shí)，若給測功機加入直流勵磁電壓，測功機中有磁場(chǎng)存在，此時(shí)測功機轉子旋轉且切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生電樞電流，電樞電流和磁通相互作用產(chǎn)生制動(dòng)轉矩，同時(shí)測功機定子受到一個(gè)相反方向的轉矩作用，便在測功機傳感器軸上產(chǎn)生壓應力，在正常工作范圍內，壓應力與傳感器軸所承受的轉矩成正比。如果在傳感器軸產(chǎn)生最大壓應力方向上粘貼電阻應變片，則應變處的電阻值就隨著(zhù)壓應力的大小而變化，再將應變片接入一定的橋式電路就能將壓應力的變化轉化為電壓信號，從而即能測量出轉矩的大小。 發(fā)動(dòng)機轉速的測量使用光電式轉速傳感器，測速分辨力高、慣性小、應用廣泛，利用單片機和光電式傳感器相配合，使待測量發(fā)動(dòng)機轉速簡(jiǎn)便、抗干擾能力強。光電式傳感器在發(fā)動(dòng)機軸上裝一個(gè)邊緣有N個(gè)均勻分布鋸齒的圓盤(pán)，通過(guò)光線(xiàn)投射到光敏管上，當發(fā)動(dòng)機轉動(dòng)一周，就得到N個(gè)脈沖信號，測量脈沖信號的頻率或周期，就可得到發(fā)動(dòng)機的轉速。 （5）控制機柜 控制機柜主要由控制開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)電源、濾波器以及連接線(xiàn)路組成，是為各路傳感模塊提供相應的多路接口，使之與待測發(fā)動(dòng)機連接，并提供安全的系統供電、信號隔離、幅度調節以及風(fēng)冷控制等輔助功能，為整個(gè)發(fā)動(dòng)機測試系統提供強電支持及系統應急措施。 4 軟件結構及算法 （1）軟件結構 發(fā)動(dòng)機性能虛擬儀器測試系統總體采用一種基于TCP/IP協(xié)議的客戶(hù)機/服務(wù)器（CS）結構。服務(wù)器架構為NI cFP分布式I/O體系，利用其內嵌的獨立式實(shí)時(shí)系統實(shí)現目標參量的信號采樣，并完成對目標參量的實(shí)時(shí)監測和控制；客戶(hù)機則采用通用的PC機結構，運行Windows 多線(xiàn)程操作系統，使用LabVIEW虛擬儀器平臺，借助TCP/IP協(xié)議實(shí)現，與服務(wù)器之間控制參量及檢測數據的通信，并提供GUI圖形化用戶(hù)界面，實(shí)現人機交互，完成控制參數的輸入，以及檢測數據的分析、運算和圖表顯示。 系統操作流程為，上電后服務(wù)器自動(dòng)啟動(dòng)存儲器中內建的LabVIEW RT實(shí)時(shí)程序，并實(shí)時(shí)偵聽(tīng)客戶(hù)機“開(kāi)始測試”的命令；客戶(hù)機開(kāi)機運行發(fā)動(dòng)機性能虛擬儀器測試主程序，完成用戶(hù)登錄、硬件配置、選擇測試項目、設置測試參數后，啟動(dòng)測試程序；服務(wù)器偵聽(tīng)到客戶(hù)端“開(kāi)始測試”命令后，按照客戶(hù)制定的硬件配置、測試項目以及測試參數開(kāi)始實(shí)時(shí)控制與數據采集，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議將實(shí)驗數據發(fā)送給客戶(hù)機；客戶(hù)機發(fā)出PID控制命令，并對服務(wù)器發(fā)送的實(shí)驗數據進(jìn)行分析處理，完成PID控制后，按照測試項目進(jìn)行測試，分析處理測試數據，并以圖表方式顯示實(shí)驗結果；完成測試后，客戶(hù)機發(fā)出結束測試的命令，經(jīng)服務(wù)器接收確認后，結束測試。 （2）PID控制算法 本系統試驗了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(diǎn)是原理簡(jiǎn)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，結構簡(jiǎn)單易于實(shí)現；缺點(diǎn)是每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計算時(shí)要對e（k）進(jìn)行累加，計算機運算工作量大；而且，因為計算機輸出的u（k）對應的是執行機構的實(shí)際位置，如計算機出現故障，u（k）的大幅度變化會(huì )引起執行機構位置的大幅度變化。 2） 增量式PID控制算法 該算法的優(yōu)點(diǎn)是，由于計算機輸出增量，誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉；手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現無(wú)擾動(dòng)切換，此外當計算機發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執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(guò)加權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 論 該發(fā)動(dòng)機性能虛擬儀器測試系統，實(shí)現了對發(fā)動(dòng)機的多路壓力、扭矩、轉速、功率以及溫度實(shí)時(shí)監測，并利用TCP/IP協(xié)議實(shí)現主控機對多路信號的遠程操控以及測試數據的網(wǎng)絡(luò )共享；該系統具有測量精度高、運行穩定性強，適用于多種類(lèi)型發(fā)動(dòng)機綜合性能測試。 |
