（动力机械及工程专业论文）虚拟仪器在发动机试验中的运用研究.pdf

中文摘要 在进行发动机擞产和研究中，发动机试验鼹必不可少的一个环节。隧麓科学 技术的发展，传统测试仪器的诸多缺点逐渐显示出来。计算机、电子技术的发展 推动了虚拟仪器技术斡发展，使测试仪器趋向了柔性佬，有秘予霞户根攒热邑戆 需要缀建适合自己翡测试系统，掰且在硬件不发生变纯或变化很小的情黼下，可 实现测试系统的扩充、更改和升级，整个测试系统灵活方便，成本低，效率高。 零文奔绍了虚羧仪器的概念、l a b v i e w 软传秀发平台鹣缝成及其程毽内爨 汽车和发动梳行业巾的运用情况。根据实验室溅有的试验设备和条件，利阁虚拟 技术作出了以下有关的尝试： 1 发动机试验巍动监溺秘控露系统。该系统戆实时鼗溅毒关湛度粒魅力参 数：能够遴彳亍速度特性试验、负荷特瞧试验、示功嘲采集、喷泊聪力采 集等：能够储存每次工况的数据，自动生成图形，产生报表，自动打印 最终结果。鼗终，还l 控制发动枫的转速露浊门开发。 2 酋次尝试用l a b v i e w 进行油压和示功蹋的分析。分析喷油始点，喷油 持续期等有关参数。光顺p p 图，转按戚p v 图，l n p 1 n v 图，并且计 群与发动掇鸯关我搔示性筑指标窝有效瞧能指标，劳尝试进行毅热搴耱 计算。 3 酋次尝试用l a b v i e w 组建汽车消声器计算模型，模拟计算不同结构的 瀵声器慰应不阏频率愆滚蠢蟹。 对予以上的每个系统，都进萼亍了多次的试骏验证，结栗袭明把虚拟技术运用 到发动机的有关方面是切实可行的，是非常方便的。能够大大提高发动机测控系 统秀发效率，霜露减低发动辍溅姣系统秀发载瓣瓣窝或零，辩现钱发动税溅试技 术的发滕起着极其莺臻的作用。 关键试：发动搬试验、震羧纹器、l a b v i e w 、示功蓬、浚声器 a b s t r a c t e n g i n ee x p e r i m e n t sa r ean e c e s s a r ys t e p i ne n g i n e p r o d u c i n ga n d e n g i n e r e s e a r c h i n g 。w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h e d i s a d v a n t a g e s o ft r a d it i o n a l t e s t i n g i n s t r u m e n t sh a v e a p p e a r e d t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r sa n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g yp r o m o t e d t h e a d v a n c e m e n to fv i r t u a li n s t r u m e n t s 。n o w t e s t i n gi n s t r u m e n t sh a v eb e e n t r e n d i n gt ob ef t e x i b i i e 。c u s t o m e r sc a r lb u i t dt h e i ro w nt e s t i n gs y s t e m a c c o r d i n g t ot h e i r p r a c t i c a tc o n d i t i o n s 。t h et e s t i n gs y s t e mc a nb e e x t e n d e d ，a m e n d e da n du p g r a d e dw i t h o u tc h a n g i n gt h eh a r d w a r e so ro n l y c h a n g i n gai i t t l e t h ew h o l es y s t e mi sf l e x i b l e ，l o ww a s t i n ga n dh i g h e f f i c i e n t 。 i nt h i sp a p e rt h ec o n c e p to fv i r t u a ll n s t r u m e n t s ，t h ec o m p o s i t i o n o fl a h v i b wa n dh o 弹t h e yh a v eb e e na p p l i e di nc a r sa n d e n g i n e si no u rc o u n t r y a n di nf o r e i g nc o u n t r i e sw e r es u m m a r i e d t h er e s e a r c h e sm a d eb yb et h e a u t h o ru s i n gv i r t u a li n s t r u m e n t sb a s e do nt h ee x i s t i n ge q u i p m e n t sa r ea s f o l l o w s ： 1 t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mo fe n g i n et e s t i n gw a sc r e a t e d 。 t h es y s t e mc a nm o n i t o rt h er e a l t i m et e m p e r a t u r e sa n dp r e s s u r e s s p e e de 舞a r a o t e 拳i s t i e ，l o a de h 赵r 鑫o t e r i s 七i c ，i n d i c a t e dd i a g r a n l a n do i lp r e s s u r ec a nb ea c q u i r e do nt h es y s t e m b e s i d e s ，t h e d a t a so fe a c hw o r kc o n d i t i o nc a nb es a v e d 。t h er e l a t i v ed i a g r a m a n dr e p o r tc a nb ec r e a t e da u t o m a t i c a l l y 。t h er e s u l tc a nb e p r i n t e d f u r t h e r m o r e ，t h es p e e da n dt h et h r o t t l eo fe n g i n ec a n b ec o n t r o ll e do nt h e s y s t e m 2 ，t h eo i lp r e s s u r ed i a g r a ma n di n d i c a t e dd i a g r a mw e r ea n a l y z e d it hl a b v i e wl o t t h ef i r s tti m e m a n yp a r a m e t e r ss u c ha st h e i n j e c t i o ns t a r t i n gt i m e ，t h ei n j e c t i o nd u r a t i o na n ds oo nw e r e a n a l y z e d ；t h ep - 够d i a g r a m 辩a ss m o o t h e d ，a l s o ，i tc a nb e t r a n s f e r r e di n t op - va n dl n p l n vd i a g r a m t h ei n d i c a t e da n d e f f e c t i r ep a r a m e t e r sc a nb ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ep 一廿 d i a g r a m f u r t h e r m o r e ，t h eh e a tr e l e a s er a t ew a sc o m p u t e du s i n g l a b v i e wf o rt h ef i r s tt i m e 。 3 t h ec a rm u f f l e rm o d u l ew i t hl a b v l e 碍w a s s e tu pf i r s t l y t h e d i f f e r e n tm u f f l e r se a nb es i m u l a t e da n dh o wm u c h t h es o u n d c o n r e s p o n d i n gt ot h er e l a t i v ef r e q u e n c yh a s b e e ne li m i n a t e dc a r l b eg o tf r o mt h em o d u l e a l lo ft h ea b e v em o d u l e sh a v eb e e nt e s t e dm a n yt i m e s 。t h er e s u l t s h o w e dt h a tc o n n e c t i n gv i r t u a i n s t r u m e n t sw i t he n g i n e si sf e a s i b l ea n d c o n v e n i e n t i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tv i r t u a li n s t r u m e n th a sp l a y e da n i m p o r t a n tr o l ei n t h ed e v e l o p m e n to fe n g i n et e s t i n gt e c h n o l o g yb yb o t h i n c r e a s i n gt h ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c ya n dr e d u c i n g t h et i m ea n dc o s t k e yv 铲o r d s ；e n g i n ee x p e r i m e n t s ，v i r m a li n s t r u m e n t s ，l a b v i e w , i n d i c a t e d d i a g r a m ，m u f f l e r s 独创性声明 零久声饔爱呈交豹擎经论文是本人在跫爨援导下送毒亍豹臻突王终秘致褥懿 研究成果，除了文中特剐加戳标注和致谢之她辨，论文中不包含其他人已经发表 或撰筒过的研究成果，也不包含为获得墨凌态堂或其他教育机构的学位或证 书耐使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：胡平 签字日期： 2 铲 1 月i z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文终考完全了瓣墨鎏叁堂。蠢关臻聱、使鼹擎绽论文戆蔑定。 特授毅盘盎盘茎可戳将学位论文熬全部躐郝分内容编入寄荧数蠢库进行检 索，辩采用影印、缩印躐捆描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构邀交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文程解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：古田举 导师签名： 张走暇 签字疆期：抛班 f 砖，z 蜀 熊字目裁：略y 零，是，匿 天津大学硕士学位论文 第一章纛羧役释夯绍 1 。1 廉拟仪器的概念 第一耄虚揪仪器会缨 潮试搜嚣俸为麓擎技零发袋争必不蜀多翁缀蔽部分，对辩攀零平静褥麓鞫发 震起割了很大的推动佟瘸。人们溉怒通过测试获褥了客观事物躺概念，掌握了其 远动鼷律。随着科学按零豹发鼹，特剐是电予鼓零水平的不躜掇凑，毅太媳接动 了溯试鼓零静遂多，瓣壤号采集、数攥箍理、攘臻l 操佟等技本瓣骚求逛越来麓耩， 传缆的测试仪器己越来越不诃能满足时代鹩鬻求，特别是在较为复杂、测试参数 较多靛场所，其多方蕊敕躅酲瞧擞麟熨为突燃。出于擞电子技零、计算巍鼓零、 较搏羧零、瓣终技零鹣窥速发麓放溪在毫子溅蘩按寒与纹嚣上瓣瘦矮，灏瓣溺试 理论、新的测试方法、新的测试颁域以及新的仪器结构不断出现，在许多方丽已 经冲戳了传统仪器的概念，电子测辍仪器的功髓和作用发生了质的变化，猩这种 背景下，八十年代未荑阑研制成功艘拟仪器( v i s l l a li n s t r u m e n t s ，撼称v i ) 。艘拟仪 嚣鹣滋凝楚搜器发震受上戆一璐攀愈，我表羲仪器发展懿最裁方藏； 娶 朝浚，是绩 息披术的一个重要领域，对科学技术的发袋和工邂生产将产象不可话爨懿影桷。 虚拟技沭、计算机技术与网络技术被称必2 l 世纪科学技术中的三大核心搜零。 赢羧按零捧尧三大穰，鑫技术之蓄，怒羹窀褒广义上基经苓霞楚一粒鼓寒，掰莛 个霄鬻彩璃人类社会发溪、改燮入黉釜滔静舆离深层含意的领域。虚拟投术的出 现且乎w 融肯定地说宅将大大改变人类现有媳思维模式、工律模式和生滤横武。 霪按羧零骞着无穷静惑大潜力，缝带动人类遴入蕊患对我，蠢溅王选辩钱逡遮撵 予脑麓。 所谓虚拟仪器就悬利用现脊的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软 件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的具有特殊功能的高档 低终黪赫型议器。2 0 懿缒8 0 颦代。美嚣黧窳仪器公司( n a t i o a li n s t r u m e n t s c o r p o r a t i o n ) 首先掇爨了建援仅秣鹣裰念，牟a 瘸p e 诗粪撬独舆瓣运算、褥储、 圈放、调用、显示、文件管理以投在娥帮助辞错能佬功能，建立中英文界灏盼盛 摇仪器藤援，构成一套执般蕊秘渤黢都完金譬镥凌硬健仪器耀麓，秘避又态分攀 篾了诗簿梳智戆资源鹣会鬻麴枝灏系统。搽稼入爨逯遥搡箨与蠛蜜仅嚣瑟叛相似 韵廉拟按键、旋钮等实现信号的采燕、处理秘掇锘等整个铡试过程。虚拟仪器代 天津大学硕士学位论文第一章虚拟仪器介绍 替了传统仪器，改变了传统仪器的使用方式，提高了仪器的功能和使用效率，大 幅度地降低了仪器的价格。用户可使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程就 可以充分发挥自己的才能、想象力，按自己的意愿随心所欲地设计自己的仪器系 统，实现功能完全不同的各种测量。可见，软件系统是虚拟仪器的核心，软件可 以定义各种仪器，因此可以说“软件就是仪器”。在整个虚拟仪器中，计算机，也 就是我们常说的p c 机，是虚拟仪器的灵魂。现在的p c 机速度越来越快，功能 越来越强大，而价钱却越来越低。我们平时大多数情况并没有最大可能地利用 p c 机的资源，而虚拟仪器就是要充分利用现在p c 机的强大功能来实现我们的 需要。 1 2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器系统的构成主要分为：数据采集系统、通用接口总线( g e n e r a l p u r p o s ei n s t r u m e n tb u s ，简称g p i b ) 仪器控制系统、基于计算机总线在虚拟仪 器中扩展技术( v m ee x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ，简称v x i ) 的仪器系统以及 它们之间的任意组合。数据采集系统的基本构成如图1 1 所示； 1 图中各种功能软件：都是具有测试分析功能的软件，典型的如美国国家仪器 公司( 简称n i ) 的l a b v l e w 和美国h p 公司的h p v e e 和中国c o i n v 的 d a s p 。这些软件都像人的大脑一样在整个系统中处于主宰地位。 2 计算机及附件：包括各种高性能的计算机，高分辨率的显示器和外挂内置光 盘硬盘驱动器。它们是v i 系统的心脏和动力。 3 a d 采集卡和d a 卡：它们是高性能模数转换器和数模转换器，是v i 的左 右手。它们必须有高级的定时功能，a d 精度能达到1 2 位、1 6 位、1 8 位甚 至2 4 位的水平。采样频率能达到0 1 0 0 k i - i z 、2 0 0 k h z 、3 3 0 k h z 、1 0 0 0 k h z 、 2 0 0 0 0 k h z ( 2 0 m h z ) 甚至更高。多路 采集时必须能同步进行，实现无时差、 无相移。测试通道最少可为达2 路、4 路、1 6 路、3 2 路，最多可达1 0 2 4 路。 4 传感器和一些信号调理模块：它们 是v i 系统的左右腿，是测试系统的基 础。没有高质量的传感器和各种高质 量的调理模块，测试系统就没有了基 础。 5 接口和总线方式。虚拟仪器有多种接图1 - 1 采集系统的基本构成 天津大学硕士学位论文 第一避虚拟仪器奔绍 口和总线方式，比如p c 总线方式，u s b 总线方式，并行总线方式，g p i b 总线方式，v x i 总线方式，p x i 总线方式等。用户可激根据翻己的实际情况 进行选择。 1 3l a b v i e w 简介嘲。“ 1 3 1 l a b v i e w 软件简介 正如上面所述，虚拟仪器系统的核心是软件，目前常用的有n i 公司的 l 如v l e w 羁m w i n d o w s ，h p 公司豹v e ，台湾凌华公司( a p l 戳k ) 豹b e n c h 婢。我们选用的感n i 公糊的l a b v i e w 软件。l a b v i e w 垒称是l a b o r a t o r y v i r t u a l i n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，。和黪鼹鲍b a s i c ，c 竣c + + 襻，它是一个 功能比较完整的编程语眷，除了编程方式与我们熟知的传统语言不同外，它具 餐t 五言的魇有特性，被称必g 谗畜。g 谗言是一秘适合瘫弱于任凭编程任务， 飙有扩展函数库的通用编程语言。g 语商定义了数据模溅、结构类型和模块调 用语法娥则等编稷语言的基本要索，在功能完熬性和应翅灵活性上不逊予任键 高级语言，同时g 语言丰富的扩展函数阵还为用户编程提供了极大的方便，这 热扩展蕊数库主要面向数据采集、g p i b 和串行仪器控制，以及数据分柝处理、 数据显示和数据存储。g 语言还德括常用的程痔调试工其，比如允许设鬣断点， 单步调试、数据探针和动态显示执行程侉流程等功能。g 语言与传统高级编程 语言最大的差别在于编秘方式，一般高级语言采绢文本编程，而g 语害采用图 形化编程方式。 l a b v i e w 是专门为z 程烯并发静一种语言，邵使起编程经验很少的入员经 过短时间的学习就能掌握l a b v i e w 的一然基本知识，编籍简单实用的程序。因 灸l a b v i e w 矮懿楚技米王入、科学家帮工程筛都狠熬悉的术语、圈标和想法， 采用了基于图形符号而不足文本语言来描述编程的过程。同时，l a b v i e w 提供 了大量缭稳晓翔动态连接痒( d l l ) ，a c t i v e ? ( 等泉与努部代码帮软件连接，魄茹 c ，m a t l a b ，h i q 等，同时也能和m i c r o s o f tw o r d ，m i c r o s o f te x c e l 等通信。 l 酶v e w 獾供了一释获捷戆方式，爱戒秘编翎测试敌嚣粒数撼采集系绞。把 l a b v i e w 运用到原形、设计、测试、实现仪器系统上能够减少祭统开发时间， 提供4 鹫1 0 倍豹受产率。 l a b v i e w 有大量经过压缩了的用户熬本知识，多年的产品信息反馈，强有 力魏工吴瞧，这壁都会给霞瘸者缓夫懿帮麓。最瓣，公司煞蔫产弱络移菝本 支持能保诚使用者方案的成功开发j 现在l a b v i e w 在包括航空、航天、通信、 天浮大学颈学位论文第一章虚熬搜器奔绥 汽端、半导体和生物医学镰世界范围内众多领域得到了广泛的威用。从简单的仪 器掇制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到正厂，从科学研 究列技术集成，都可以发现应用l a b v i e w 的成果和开发产黼。最薪推出的 l a b r l e w7 0 秘魄戳 蔓又骞了疆大夔飞获，溅经在实对控裁系绞，远程茬鬟系绫， 嵌入斌操挥系统( 如f p g a ) 等诸多方瑟淑褥了成功。 1 3 2 l a b v l e w 软件组成 以l a b v i e w 为开发平台研制的用户程序被称为虚拟仪器稷廖，简称v i ，它 楚l a b v i e w 豹基本稳黟纂位。对予篱零瓣测试经务，可爨由一个狻立约v l 完 成，两复杂豹溺试斑雳怒通过v l 之闻的蒜次调用结构梅残，麓瓣功能的v i 调用 一个或多个底层特殊功能的v i ，如图1 2 所示。 餮1 2l a b v i e w v i 络稳 一个基本的v i 由三部分组成：前蕊板( p a n e l ) ，框图程序( d i a g r a m p r o g r a m m e ) 和图标连接端口( i c o n t e r m i n a l ) 1 + 靛磊板。前面板就怒图形讫用户爨箍，邋过c o n t r o l s 菜单用予设嚣输入数傻 帮瓣察辕密量。在懿甏投孛，震户虿鞋侵热务耱圈标，舞藤镪、较键、嚣关、实 时趋舞图和事后记录图等，就像真实的仪器灏板一样。同时，备个v i 的建立、 存取、关闭等管理操作也均由面板上的命令浆单完成。 2 枢网程序。每一个前厮板都有一个框图程序与之对应。框图程序用图形化编 程谬宙编写，可以把它避鳃为传统编程语嵩巾的源代码，这囊怒l a b v i e w 的最 大黪惫。框踅程痔枣苓杰( n o d e ) 积数据蘧线( w i r e ) 缝藏。蕊熹是v l 程事孛 的执行元素，类似于文本编程语言中豹语匍、函数或者子程序。节点之间由数据 连线按照一定的逻辑关舔相互连接，可定义概圈程序内的数据流动方向。节点之 间、带点与前面板对象之间是通过数据端口和数据连线来传递数据的。数据流是 l a b v i e w 的一个特有概念也是一个重要的概念，在程序执行过程中，要遵循 4 天渗大学颈士擎整论支 第一牵盘羧经器奔绥 数据流模式。框图中的节点通过连线连接狂一起，连线确定了数据在程序中的流 动方向。当一个节点的所有输入参数齐备时，程序才会执行这个节点。当一个节 点执行完毕后，这个节点将沿着数据流路经输出所有的输出数搬。 3 。强瓣连接臻日。辫辍壤接端叠恕v l 交簸一个v l 予程廖( s u b v i ) ，然嚣哥苏 豫予程序一样在其德v 中调霜。 l a b v i e w 编程环境有两种运行状态：编辑状态( e d i t ) 和执行状态( r u n ) 。 在编辑状态下，编程人员建立自己的v i ，对前面板和框图程序谶行编辑修改， 使芝满足工程的需要。在执行状态下，编糕人员可以动态调试獠序，观察数据流 程，遴行各秘必要静调试。 瑶l 一3 是一个缀麓攀豹铡子，求a + b 瀚毽c 。兹面板上静a ，b 是输入量，c 趋输出量。框图程序里的a ，b ，c 和前面板上的一一对应。在前面板中输入相应 a ，b 值，点击左上角的向右箭头程序就自幼执行，输出相应的c 值。 匿1 1 3l a b v i e w 例子 1 。4 纛掇饺器在国爨多卜发动视及汽率盼韭中酶应用 在国外，虚拟技术融经广泛运用于各个行业，当然在汽车和发动机行业，也 得到了蓬勃发展。国外的很多大学特别是一拨企业已经开发出了很多相关产品， 嚣s a nd i e g os t a t eu n i v e r s i t y ( 美鏊圣逸亚甏大学) t s l 嚣发塞了筠予混会葫力汽车燃 潼潲耗帮捧放豹模叛静铳纯系统。痘掾技术主要应用在汽车芨浅燃视行监酌以下 几个方面： 1 发动机运行参数的检测和对测劝机的控制。如a d v a n c e de n g i n e t e c h n o l o g i e s 公司的内燃机运行状况连续监测系统【6 j ，v ie n g i n e e r i n gi n c 天津大学琰士学位论文 第一章纛拟仪器介绍 的测功机控制系统 7 l 。 2 发动机缸压和振动的测量。如c r e a t i v e t e c h n i c a ls o l m i o n si n c 的缸压采集 系统【8 1 ，r a e b u mt e c h n o l o g yi n c 的发动机敲缸现象检测和分析系统f 9 。 3 。喷油系统的检测。如a e as r 1 公司的聚集和描述燃油喷射鬻像系统【l 训。 4 e c u 懿检溺移摸羧。鳃a l f a u t o m a z i o n ei n c 戆e c u 戆模数和狻溅系统”， m o t o r o l a 汽车电子的e c u 也是用n l 静耦荚产品进行编程检测酶。 5 道路模拟器。如h o n d a 公司就研制出了套完整的道路模拟器，用于摩 托车运行状况的检测。 此外，它还在其他的发动机试验研究方面获得应用，比如发动机摊气检测系 统，增压器稳定指搽秘籁凌豹检测系绫等等诸多方覆。 在鬣凌，和其继一些软讳楣眈，虚毅技寒对缀多久来说还晓较舔囊，还没有 得到大颟积的普及，但现在邂渐有很多公司和高校开始把虚拟技术运用到生产和 科研中，比如北京中科泛华公司、国防科技大学、上海交通大学、激庆大学，还 有一些军工念业等。在汽车和内燃机行业中，威拟技术也逐步地被大家所运用， 翔天津大学、瀵华大学、上海7 】1 磅究所蚓、大逡瑗工大学1 1 胡、华南农渡大学、 上海交逶大学等等都已经怒纛攘毅零，将疑是l a b v i e w 羁萃萼臻试骏按合起来， 在发动梳试验监控、发动机擞动的分析、汽油发渤机综合钡4 试等方面取得了一定 的成果。 1 5 虚拟仪器的发展趋势 目前，美国国家仪器公司，美国惠普( h p ) 公司、t e k t r o n i c 公司等相继推 出了多钟总线系统的虚拟仪器，比如示波器，万用装，信号发生器蒋。在短短的 十余年时间里，便占有了世界仪器、仪表市场1 0 左右的份额，使从事仪器研 究和研制的辩学家和工程爆嚣 看到了虚拟仪器的艇大潜力，认识至8 纛羧仪器不仅 无霹争 瑟邃成兔奉鳘缀纹器瀚发震方窝，瑟盈必褥逐步鼗霞簧统壤予役器，凌畿 千上万种传统仪器都演变成计算机软件，将一系列蠢序的文档融入计算机中，那 时电子仪器在广义上已不是一个独立的分支，而烧已演变成为信息技术的本体。 在我园，虚拟仪器也将缝历前所未有的发展。预计在未来两三年国内将有 一批企她从攀寝拟仪器生产。据专家们分析，在最近几年国内即使肖5 0 家企业 生产寝羧纹器，枣缓毽不会稳秘，昃会燕动盛裂纹器受浃逢发震。 6 天津大学硕士学位论文第一章虚拟仪器介绍 1 6 本课题的研究内容及其意义 天津大学内燃机燃烧学国家震点实验定很早就从n i 公司引入了l a b v i e w 凝箕相关的产晶并把它运用至g 辩饼试验审。弓l 入鹰拟仪器有以下几个好处： ( 1 ) 硬件设备有所减少，集成度商。可以把很多不同的检测仪器都集中在计算机 平台上，不仅管理方便，丽藏使用简攀，靛大大降低成本。 ( 2 ) 可以在现有仪器上改嫩，充分利用有限的资源，根据实际需要来扩展和完善 现有仪器静功能。 ( 3 ) 易于维护。因为整个系统的关键是软件，所以操作时的注意攀项比较少，因 操髂失误瑟零| 起懿纹器损坏壤率魄较小。 ( 4 ) 节省努力，降低试验强度，撮高试验的自动化程度。 摄擐我褒实验室的实嚣壤嚣，本文鬟覆虚掇技术在翔下方瑟散了丈鬣酶工 作： ( 1 ) 发动毒毽工终状孺毒关参数敦实瓣蓝溅与控铡。 ( 2 ) 发动机的些常用性黼试验，主要是速度特性试验和负荷特性试验。 ( 3 发动毒琏缸内压力戆采嶷，鼗撼处理露分糖。从忝功霆霹以诗算盘豢示瞧藐指 标和脊效性能指标，并计算燃烧放热举。 ( 碡) 发动机油管压力的采煞和分掇。 ( 5 ) 汽车消声器计算模型的建立。 通过以上静王佟秀望戆魏虚拟仪器鑫我国黪发震，特期是在内燃瓿方覆戆发 展做出一姥实际的探索，做出自醴微薄的贡献。 1 7 本耄，j 、结 本章比较了传统仪器和虚拟仪器，比较详细介绍了威拟仪器的概念，特点， 优势，组成和发展趋势。对其中常霜的一种g 语蠢l a b v i e w 开发平台秘图形健 的程序设计进行了较为详细的介绍。介绍了国内外虚拟仪器在汽车和发动机方面 熬运曩蠖况，最菇赍缀了本瀑题戆磅究内容亵蠢义。 7 天蟮大学硬士学位论文第二章攮于虚拟仪器的发动机试验系统设计思想和结鞫组成 箔二章基予虚拟仪器的发动机试验系统设计思想和结构组成 2 。1 摄述 现在我国的汽车工业正在迅獯斡发展，内燃机行业也正处在一个毫遥发展的 阶段。内燃机性自试验是内燃机科研生产单位都必须经常耍进行的试验，并将试 黢数据绘蒂4 成表格和曲线，以便分板和处理，这楚谬价内燃极性髓蛇一摹孛篱单露 又不可少的方法之一。因此，我们内燃机行业做的最多的试验就怒常用的一些特 设试验，比如速度特性和负荷特性试验等。 在评价浅燃概的动力性方面，示功圈是一个必不可少的工具。通过它我们可 以计算出该发动机很多指示参数，以供参考。因此如何准确、快速的采集出示功 豳是菲常霪要静。本文翮厢虚j 彗l 仪器技术采集示功图，分析有关的结果。此外， 遥对油管压力进行了采集朔分析，从中可以寻找出一些喷油规律。 发动祝试验螽絮是瘸子桨漓税、汽酒辊性能测试静专门装置。通常溯的参数 有转速、扭矩、油耗、一魑常用凰力及其温度等。传统的旧式台架试验往往由几 令人分工操作，读数与记录。溪l 试入员不髓离开现场，工作紧张疲劳，盈灏量误 豢大，效率很低。而且前先进的试验台架，虽然均已实现自动测试，使发动机性 g 试验熬糖确度及工孛笨效率太大撬毫，餐覆藏本太离，难戳酱逮推广。鬻诧，在 对旧式发动机台架试验的改造方砸，虚拟仪器的优势就可以充分发挥出来。我们 蜀激稷舞爨己懿簧求，嚣蓊实验塞瓣获瀑，在嚣有传统试验台豹基懿上葫淡改造， 使之成为一个高效率的试验台。 2 2 发动机台架试验测量控制系统的设计要求 2 2 1 基本要求 发动机台架试验测量控制系绕是用于发动机稳态试骏的系统，基本功自是按 照用户指迮静工浇诵整发韵梳静漓门开发和潮功杌静转速献丙控潮发动机的转 遴和扭矩，使发动机在指定的工况下稳定的工作，然后测凝和记录发动机在此工 滋下静工 # 捩嚣翻备释繇凌参数，保存数攒文俘，笄逡徭数箨处疆。涌薰参数琶 括发动机的转速、扭矩、燃油消耗量、烟度、进水温度、出水温度、机油温度、 天津大学硕士学位论文第二章基于虚拟仪器的发动机试验系统设计思想和结构组成 进气温度、排气温度、中冷器冷却进水温度、中冷器冷却出水温度、大气压力、 发动机机油压力、增压压力、机油压力、排气压力等，各项测量参数的精度必须 满足内燃机台架性能试验方法g b l l 0 5 的要求，对于不同型号的发动机和不 同类型的试验，所要求的测量参数是不同的。控制参数包括发动机的油门、测功 机的转速。试验项目按照g b l l 0 5 内燃机台架性能试验方法组织，除包括负 荷特性试验、速度特性试验、还应该能完成用户自定义的研究性试验。试验完成 后，保存数据文件；对于不同的试验和不同类型的发动机，参数修正和表格、曲 线的要求不同。根据以上要求，所研制的发动机台架试验测量控制系统必须具备 以下特点：测量的参数多；精度要求高；可扩展性强，用户可以定义和扩展参数； 功能灵活，除了能完成法规规定的试验项目，还能完成用户自定义的试验流程。 这就远远超出了传统试验台架的功能，而用虚拟技术能够达到以上的要求。 2 2 2 精度问题 保证量值的准确一致是计量工作的根本任务。长期以来，量值的传递都是通 过标准器以逐级检定的方式实现的。这种传统的作法，着眼点在于标准器本身， 往往忽略了量值传递全过程中其他因索的影响，如测量环境条件，所用测量系统 中其他配套设备的状态，采用的测量方法以及操作者的测量水平和认真程度等。 因此，仅仅依赖于检测结果，并不一定能真正掌握所传递量值准确程度的完整和 真实的信息。 随着科学技术和生产的发展，对测量值传递过程中所获得准确度的可靠性和 可信性不断提高，加之许多被测物理量由常规量程向高、低两端延 申，被测参数 由单一参数发展为综合多参数检验，参数特性由静态发展到动态检验。这种情况 下，传统的量值传递方式的局限性就更加突出，作为计量工作者不得不正视一个 新的重大课题：怎样才能确保量值传递的准确可靠，并能在传递过程中始终掌握 其准确程度的真实信息，适应新的形势对计量测试工作的新要求。虚拟仪器便可 以解决上面所说的问题，它减少了大量的二次仪表，节约了成本，并大大的提高 了测量的精度。 2 2 3 发动机台架试验测控制系统的设计思想 软件的设计目标是用户可以通过人机界面方便地操作和监视所要控制的 设备，进行相应的试验，并具有通用性。根据系统功能的要求，该监控软件要完 成的任务很多。它要完成对发动机多个参数的采集，同时对转速和油门开度两个 9 天津大学骥士学位论文第二章基于虚拟仪器的发动机试验系统设计思想和结趣组成 参数进行控制，发动机运转过程中还要实时显示特定参数的趋势曲线、控制画藤、 潞时竣炎发动飘豹运转工况，显示报警信息，记慕每个工况的各个参数德。试验 毙毕后述要存盘，生成试验记录液以及打印绘制自动生成的曲线。 为了缀菇遗满足溅鏊参数多、可扩震淫强、秘麓灵滔笛特煮，并且能快速 地完成开发任务，按照虚拟仪器系统的结构开发设计了发动机台架试验测量控 铡系统。该监控较箨系统蹩一个实靖多程务系统。在餮确蕴控软佟的功畿帮任 务划分后。可以设计出主骚的程序结构和系统的工作流程、依此避行程序模块 熬划分，在共同定义魏公惩数据按翻主，露簿逡符各模莰( 予疆窿) 赘编程实 现将各个模块集会在一起。这样使程序更容易修改，维护，使程序调理清晰。 在零敬终熬缀铡孛采惩了结梅毒| 二设诗及模块德壤程妻冬基本愚漆。褒谬缮梅纯 设计，即自顶而下地把软件从整体到局部再到细节层层细分，再分析各任务的细 节，分援层次闻，圈层次阙各缨节麴关系。模块健绽程楚实巍较传结搀缘设诗戆 镦耍手段。为了体现结构化设计思想，在具体编稷时，按照设计的层次结构，将 撼个鳃节竣 壬务缀割成一个结构党整、攘对独立浆程序段，帮一个霹独立诬曩熬 獠序模块。 2 ，2 4 发动机试验测羧系统的组成 本次所开发的发动机试验控制系统主器用于常见的速度特性试验、负荷特 憾试验等。该套系统通过传感器越发动机特定部艇欺信号遴行采集，采集蕊售 号通过信号条理模块进行一些必簧的放大，滤波，隔离，a d d a 转换等处理， 然后输入至4 计算机。在主爨嚣上以数字显示、图形摄表等方式输出结果，供鼹 户参考。备传感器的信号经信号调理电路变换后以模拟量溅数字暾输出，然后 输入光电隔离的数据采集卡。根据我们实骏室的实际情况，我们测低温( = 2 0 0 ) 是用热电阻传感器( r t d ) ，它需要避行电流激励，增益放大和线性化等； 测高温( = 1 0 0 0 ) 是用热电偶传感器( l m e r m o c o u p l e ) ，它需要进行冷端李b 偿， 增益放大和线性优等。所以，我们不能用接线端予c b 一5 0 l p ，只熊用信号调理 模块s c x l l l 2 2 。臌力是用石英压呶传感器测量，缀过电荷放大器转换成了电压 僖号，可跌直接按鼙融馘端子c b - - 5 0 l p 。由于我们需要采用的邋道较多，所 以，我把所有的测温度的信号都按信号调理模块s c x i l l 2 2 ，大部分压力信号接 接线端子c b 一5 0 l p 。这样虢可醵遮捌我们所需要酌多通道骚求。该发动机台架 试验系统的结构樱图如图2 - 1 所糸。 1 0 天津大学硕士学位论文第二章基于虚拟仪器的发动机试验系统设计思想和结构组成 数 l 温度传感器b 。 信 号 据 卜 采 l 压力传感器p 调 集计算机 打 理 y 卡 l a b v i w 印 i 测功机p 模 块 平台 机 油 耗 仪 图2 - 1 数据采集系统硬件组成图 ( 1 ) 装有l a b v i e w 软件的计算机：装有l a b v i e w 软件的计算机是这个系统的核心， 其版本为l a b v i e w 6 1 ，p c 的c p u 主频为1 g h z 硬盘大小为3 4 g ，内存1 2 8 m ， 采用1 5 寸彩显。 ( 2 ) 数据采集卡：a t - m i o 一1 6 e _ 2 ，是n l 公司的1 2 位1 6 通道n d 数据采集卡， 1 即分辨率为看r = 2 4 4 1 0 。其最大采样速率为5 0 0 k s s ，相对精度为o 。5 厶 l s b 。 ( 3 ) 信号条理模块：信号调理模块包括ni 公司的s c x i 系列调理箱10 0 0 ，s c x i 系列模块1 1 2 2 和s c x i 一1 3 2 2 接口端子。s c x i 模块即d a q 板卡前端的信号 调理模块，起放大、滤波、隔离、滤波、提供激励、冷端补偿、线性化等功能， 另外s c x i 可以起到通道扩展的作用，最多可扩展到3 0 7 2 个通道。 ( 4 ) 接线端子：c b 一5 0 l p 。仅仅起到一个传输信号的作用，只能接收电压信号。 ( 5 ) 油耗仪：油耗仪采用杭州奕科公司生产的f c m 系列油耗仪。 因为f c m 系列油耗仪的串行接口采用r s 4 2 2 标准，而计算机的串行接口 标准为r s 2 3 2 ，所以要通过一个r s 4 2 2 和r s 2 3 2 的转换器才能将该油耗仪的 测量值传送到主控计算机中。 ( 6 ) n 功机：测功机是洛阳南峰生产的c w 系列电涡流测功机。 这套系统完全能满足发动机测试试验及运行控制的要求，在数据采集精度及 速度方面均能达到要求。 天津大学硕士学位谂文第二章基于虚拟仪器的发动机试验系统设圣 思想和缝擒组成 2 3 本章小结 本潦介绍了发动机念架试骏测量控制系统的开发髫熬，设计要求和基本设 计思想。对发动机台架实验系统的组成进行了较为仔细的讨论。这套系统完全能 满足发动机测试试验及运行控制的要求，在数据采集精度，速度，计算凇确性方 舔淘能选到要求。该系统简单实粥，自动位程度较高。 天津大学硕士学位论文 第三章发动机测控系统的程序设计及功用 第三章发动机测控系统的程序设计及功用 3 1 发动机测控系统的界面( 前面板) 的组成和编写 正如我们前面所说的一样，该系统由两部分组成：前面板和框图程序，对用 户来说前面板才是他们比较关心的。 用户是通过操作前面板上的各种控件，实现对仪器的操作以及对程序流程的 控制。本系统是根据实验室的实际需要而开发出的用于发动机台架试验的软件， 所有程序都是使用美国国家仪器的l a b v l e w 编制的，在面板设计上力求方便， 实用，易于操作。本文所述的发动机测控系统主界面即其主前面板如图3 1 所示。 b ! 发动机试验控嗣开发系筑 - - - _ n * 牡 品) ( i 嚣) _ uh - - _ - - t + 月_ & t - 2 盆芷怒，褊i p 01 5 0 9 1 | b 9 6 粉0i o 0 | 2 0 5d 0 0 1 0 0 1 | 5 1 4 $ 3 7l 陋一一，“磊嚣器益颦立温盈謦盘监巍竺竺盔1 恰0i o 0i o 0 | 0 0 0 | 0 0 | | 0 0 | 1 1 1 9 班2 2 】| 9 8 【1 。5 器到 一 i 毪l 妇逍 十一 ：“1 ；淄 1 mp i i 一l n ” l l m = i l 一一：隋意景嗣 争 i 尹 i i 嚣1 警i 翻， f | j 。；o 一 n 枷m 枷* m 舯晰胁， 图3 - 发动机测控系统主界面 该前面板由试验数据显示区域，图形恩示区域，发动机运行控制区域和操作 者选择区域四部分组成。 3 1 1 数据显示区域 这块区域在主界面上部，显示了与发动机运行有关的各种数据。在试验中可 以对所需要的数据进行实时监泓，其中处于激活数据即在用户设置中赋予了通道 的数据呈亮蓝色，而处于非激活状态的数据呈黑色，且显示值为0 o 。同时该程 序可以对温度、压力等参数设定上下限，一旦这些数据超过设定的上下限系统便 会报警，报警时数值将会由亮蓝色变成红色并闪烁，由于试验间的电脑没有音箱， 所以并没有加入声音报警。 天津大学硕士学位论文第兰章发动机测控系统的程序设计及功用 3 1 2 图形显示区域 该系统可以根据不同需求实时显示速度特性图或者负荷特性图。测爨转换可 以通过右边控制区域的选择按钮米实现。负荷特性图中显永油耗、比油耗、烟度 等稠功率的关系。速发特性图则鼹示转矩、功搴、跑油耗、羲 气温等与转速的关 系。嘏撂不同羽选择，图表中的搬标种类会发艇相应麴改变，同时图表右上角的 曲线名称也会发生相应的变化。 翻彤的横坐标必须采用多坐标，以同时曼承受荷特性粒遮度特性所骚求的多 条莛线靛篷，瑟l a b v i e w 强澎控 争豹鳜黛标只麓取一个，掰瑷必须爨毯开发 多坐标图形控件，这是这套系统猩界面开发上的难点之一。作者是采用编辑多个 图形控件使之成为纵坐标轴，然麟再把这多个纵坐标轴放在一个图形控件上，在 编程豹瓣蒺嚣要透露辍关浆坐弦转换。这样，簸霹釜宠藏对多坐标麴要求。这是 对l a b v i e w 图形控件的一个剁新。 3 1 3 发动机运行控制区域 发动杌运行控潮主要是对转涟和油门的控制。转速控制的范盈为o 至5 0 0 0 转，油门开度的范围为0 至1 0 0 度。对这两个按钮有三种控制方式：利用鼠标 拖动、滑条进行调节；利用滑条旁边的微调按镪i 款幸亍调节；以及利用滑条努边的输 入框塞按输入数誊游野溪苓。 3 1 4 操作者选撵区域 搽豫毒选择区域由婆按键缀藏，爨律毒霹浚在透遘遨黧按锰逶牙