（仪器科学与技术专业论文）汽车试验用测控系统平台化设计方案与工程实例.pdf

i 迮se a r c ha n dd e v e l o p m e n to f m e a s u r e m e n t c o n t r o l p l a t f o r mf o rv e h i c l et e s t at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s t u n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i c d e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y l it i n g - t i n g s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rz h a n g w e i g o n g s c h o o lo fi n s t r u m e n ts c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 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。 研究生签名：乏蜱日 期：蛐且鲴 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 东南大学硕士学位论文摘要 摘要 2 0 0 8 年发生的金融危机对全球汽车行业产生了巨大的影响，北美与欧洲市场不断告急， 出现了通用破产等一系列事件。然而中国得益于经济的高速发展，汽车市场异常繁荣，福特、 大众等汽车巨头将亚太中心转移到中国，同时新建工厂提高产能，势图占有更高的市场份额， 可见中国将是未来全球汽车市场的主战场。相比之下，我国在汽车设计、制造能力和管理水 平方面相对落后，其中落后的试验能力是重要的一点，因此中国汽车品牌的影响力远远不及 丰田、大众等知名品牌。现在国内汽车制造商对汽车试验的重视程度不够，试验方法不够完 善和准确。虽然国内汽车试验设备价格低廉，但是试验精度、稳定性等都比较差，因此提高 汽车试验设备的水平对我国汽车技术的发展有着十分重要的意义。 本论文以汽车试验为出发点，研究了汽车试验及其设备测控系统的特点，提出了测控系 统的硬件和软件平台化方案，主要研究内容包括： 1 、汽车试验及测控系统研究。论文首先分析了汽车试验的组织、设计和实施及数据分析 方法，根据汽车的结构将试验分为整车试验、总成试验和元件试验，然后对其进行了分析， 概括了试验进行的依据和内容，对典型试验的试验指标、试验原理和试验方法进行了剖析， 最后分析了汽车测试技术，并总结了其特点及误差分析方法。 2 、测控系统平台化方案。论文在总结系统常用架构方法的基础之上，设计了一种快捷集 成系统的方案。方案包括机械箱体设计、扩展的p c i 0 4 总线、外围调理模块和处理器平台， 另外分析了嵌入式实时操作系统，并总结了移植方案。 3 、测控系统的软件设计。此部分是本文的主要部分，以需求变化的观点设计了软件框架， 然后详细设计了框架中的各个模块，包括流程、接口定义等，最后通过设计s c p i 命令解释器 提高了系统的兼容性。 4 、监控系统软件设计。方案架构设计了主机的监控软件与数据分析软件，将监控软件分 为三层，通过接口技术屏蔽硬件平台的差异，提高了软件代码的可重用性和可扩展性。 本论文针对汽车试验设备设计了测控系统的平台化方案，并设计了监控主机的软件框架， 使系统具有可重用性和兼容性。 关键字：汽车试验，测控系统，嵌入式系统，软件框架，程控仪器标准命令集，工控软件 a b s t r a c t i n2 0 0 8 f m a n c i a lc r i s i sh a dat r e m e n d o u si m p a c to nt h e g l o b a la u t o m o b i l ei n d u s t r y , e m e r g e n c i e sh a p p e n e do n ea f t e ra n o t h e ri nn o r t ha m e r i c a na n de u r o p e a n ，s u c h a sg m s b a n k r u p t c y b u tc h i n e s ea u t om a r k e ti sb r i s ko w i n g t ot h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m i c a u t o m o b i l em a g n a t e ，s u c ha sf o r d ，v o l k s w a g e n ，t r a n s f e r r e dt h ea s i a p a c i f i cc e n t e rt oc h i n aa n d f o u n d e dn e wf a c t o r i e st oo c c u p yah i g h e rm a r k e ts h a r e i ti se v i d e n tt h a tc h i n aw i l lb e c o m eo n eo f t h ek e yc e n t e r si nt h eg l o b a la u t om a r k e t b u ti nc o n t r a s t , c h i n e s ea u t ot e c h n o l o g yf a l l sb e h i n dt h e w o r l d c l a s s ，c h i n e s ea u t ob r a n dc a l l th a v es oh i g hi n f l u e n c ea sf a m o u sa u t o i m o b i l eb r a n d s ，s u c ha s t o y o t aa n dv o l k s w a g e na n ds oo n ，n o tj u s ti n t h ed e s i g n ，m a n u f a c t u r i n gc a p a b i l i t ya n dm a n a g e m e n t l e v e l b u ta l s oi nv e h i c l et e s tc a p a b i l i t y a tp r e s e n t ，t h ea t t e n t i o nt h a td o m e s t i ca u t o m o b i l e m a n u f a c t u r e sp a yt ov e h i c l et e s ti sn o te n o u g ha n dt h et e s tm e t h o di sn o tp e r f e c ta n de x a c te n o u g h v e h i c l et e s te q u i p m e n ta r ei n e x p e n s i v e ，b u tc o m p a r e dw i t ht h ef o r e i g na d v a n c e dt e s te q u i p m e n t ， t l e ya r en o ta c c u r a c ya n ds t a b i l ee n o u g h s oi tw i l lp a yam u c hi m p o r t a n c eo nt h ed e v e l o p m e n to f c h i n e s ea u t o m o b i l et e c h n o l o g yt oi m p r o v et h et e c h n o l o g yo fc h i n e s ev e h i c l et e s te q u i p m e n t v e h i c l et e s tb e i n gas t a r t i n g p o i n t , v e h i c l et e s ta n dp r o p e r t i e so fi t se q u i p m e n ta r es t u d i e di n t h i sa r t i c l e i nv i e wo ft h ec o n t r o la n dm e a s u r e m e n ts y s t e m t h ep l a t f o r l np l a n so fh a r d w a r es y s t e m a n ds o f t w a r es y s t e ma r ep r e s e n t ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h e ma r ea sf o l l o w s ： 1 v e h i c l et e s ta n dm e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e m t e s tp r o c e s si ss u m m a r i z e da n dc l a s s e da s v e h i c l et e s t a s s e m b l yt e s t ，c o m p o n e n tt e s ta c c o r d i n gt oa u t o m o t i v es t r u c t u r e ，w h i l ed a t aa n a l y s i s m e t h o d su s e dt og e tc o m p o n e n t sp e r f o r m a n c ea r es t u d i e d t h e nc o n t e n t so fa l lt h et e s t sa r e g e n e r a l i z e d ，a n ds o m et y p i c a lt e s t sa r ea n a l y z e di np e r f o r m a n c et a r g e t s ，t h e o r i e sa n dm e t h o d s f i n a l l y , t h ep r o p e r t i e so fv e h i c l et e s t i n gt e c h n o l o g ya n dt h ee r r o ra n a l y s i sm e t h o da r es t u d i e d 2 t e s tp l a t f o r m b a s e do nc o m m o ns y s t e ma r c h i t e c t u r e af a s ti n t e g r a t e ds y s t e mp r o g r a mi s p u tf o r w a r d i tc o n t a i n sm e c h a n i c a lb o x e x t e n d e dp c l0 4 ，c o n d i t i o n i n gu n i t sa n dp r o c e s s o rm o d u l e f i n a l l y , a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa m o n gd i f f e r e n tp r o c e s s o rm o d u l e sa r ec o n t r a s t e d ，w h i l e m e t h o do ft r a n s p l a n te m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi sg i v e n 3 s o f t w a r ed e s i g no fe m b e d d e ds y s t e m t h i ss e c t i o ni sam a j o ri n n o v a t i o np o i n t as e a l a b l e a n de x t e n d a b l es o f t w a r ef r a m e w o r ki sd e s i g n e di nc h a n g i n gp e r s p e c t i v e ，a n dd e s c r i b e st h ep r o c e s s a n di n t e r f a c e i no r d e rt og e th i g hc o m p a t i b i l i t y , s c p lw h i c hi sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e n d i f f e r e n ti n s t r u m e n t si ss u p p o r t e d 4 s c h e m eo fm o n i t o rs o f t w a r e ：m o n i t o r i n gs o f t w a r ea n dd a t aa n a l y s i ss o f t w a r ea r ed e s i g n e d b ym e a n so fi n t e r f a c ea n dc o m p o n e n t m o n i t o r i n gs o f t w a r e s t h r e e t i e rs t r u c t u r eh a sh i g h c o m p a t i b i l i t yi nd i f f e r e n th a r d w a r ep l a t f o r m s i nd a t aa n a l y s i ss o f t w a r e ，f u n c t i o n sc a nb ea c h i e v e d i nb a s ea n da p p l i c a t i o nl i b r a r yq u i c k l y s y s t e mp l a t f o r mu s e di nv e h i c l et e s te q u i p m e n t si sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , m a i n l yi n c l u d e s s e a l a b l eh a r d w a r ep l a t f o r m e m b e d d e ds o f t w a r ea n dm o n i t o r i n g & a n a l y s i ss o f t w a r e k e yw o r d s ：v e h i c l et e s t ，m e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e m ，e m b e d d e ds y s t e m ，s o f t w a r e f r a m e w o r k ，s c p i ( s t a n d a r dc o m m a n d sf o rp r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t s ) ，i n d u s t r i a l c o n t r o l s o f t w a r e i i 东南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c r i i 目录i l l 第一章坌苦论。l 1 1 本课题的背景和意义l 1 2 发展状况1 1 2 1 国外发展状况l 1 2 2 国内发展状况。2 1 3 课题发展与内容3 1 3 1 本论文的提出3 1 3 2 主要研究内容3 1 4 论文章节安排3 第二章汽车试验5 2 1 试验概论5 2 1 1 试验的组织与实施。5 2 1 2 试验设计5 2 1 3 试验数据处理7 2 2 汽车试验分析。8 2 2 1 汽车试验分类。8 2 2 2 整车性能试验9 2 2 3 发动机性能试验l0 2 2 4 底盘性能试验1 2 2 2 5 电子电气设备试验1 3 2 2 6 安全设备试验1 5 2 2 7 元件试验l7 2 3 汽车测试技术1 7 2 3 1 传感器技术1 7 2 3 2 试验误差1 9 2 - 3 3 测控系统一般结构2 1 2 4 本章小结2 2 第三章测控平台设计2 3 3 1 系统设计架构2 3 3 1 1 单层系统2 3 3 1 2 双层系统2 5 3 1 3 多层系统2 7 3 2 硬件平台化方案2 8 3 2 1 箱体结构2 9 3 2 2 基于p c10 4 的底板设计2 9 3 2 3 外围板的设计3 0 3 3 嵌入式处理器模块31 3 3 1x 8 6 架构平台3 l 3 3 2a r m 架构平台3 2 3 3 3 平台对比3 3 东南大学硕上学位论文目录 3 4 实时软件平台3 4 3 4 1 实时系统及特点3 4 3 4 2 嵌入式实时操作系统3 4 3 4 3 性能分析3 5 3 4 4 系统移植3 6 3 5 本章小结3 8 第四章测控系统软件设计4 0 4 1 基本软件框架4 0 4 1 1 软件重用4 0 4 1 2 软件方案4 0 4 2 软件结构的详细设计4 l 4 2 1 底层模块4l 4 2 2 功能模块4 5 4 2 3 虚拟操作者4 7 4 2 4 监控接口4 7 4 3s c p i 命令解释器4 8 4 3 1s c p i 4 8 4 3 2s c p i 解释器设计方案4 9 4 4 本章小结5 0 第五章监控与分析软件设计。5 l 5 1 监控系统软件5l 5 1 1 工控软件的现状和发展5 l 5 1 2 工控软件开发流程5l 5 1 3 监控软件要求5 2 5 2 监控软件的设计5 3 5 2 1 体系结构5 3 5 2 2 业务控制层设计5 4 5 2 3 具体控制层设计5 5 5 - 3 数据分析软件的设计5 6 5 4 本章小结5 6 第六章工程实例5 7 6 1 同步器元件试验系统5 7 6 1 1 系统结构5 7 6 1 2 系统实现5 8 6 1 3 数据分析5 9 6 2 电子油门踏板试验系统6 0 6 2 1 系统结构6 0 6 2 2 系统实现6 l 6 2 3 数据分析6 2 6 3 本章小结6 3 第七章全文总结6 4 7 1 总结6 4 7 2 存在的问题及进一步解决方案“ 致谢6 6 参考文献6 7 作者简介6 8 i v 第一章绪论 1 1 本课题的背景和意义 第一章绪论帚一早殖下匕 自改革开放以来，在一系列正确经济改革方案的推动下，中国经济一直保持着持续的高 速增长，人民的生活和消费水平都有了很大的提高。上世纪7 0 年代，有啥吃啥是人民的生活 状况，而在跨入新世纪后，社会物质相对丰富，吃啥有啥的现状都已经不能满足大多数人的 目标，拥有更大的房子、更酷的汽车成为新时代年轻人在生活上的追求，因此中国将来的乘 用车市场潜力巨大。 “十五”以来，国家加大了包括公路在内的基础设施建设投资力度，高速公路建设进入了 快速发展期，年均通车里程超过4 0 0 0 公里。同时电子商务和物流系统的蓬勃发展，又将进一 步助推运交通输业，可见商用车市场也将呈现一定的增长趋势。 2 0 0 8 年发生的金融危机对全球的汽车行业产生了很大影响，北美和欧洲市场不断告急， 相继出现了通用破产，菲亚特重组等一系列事件；而在中国，福特、大众等汽车巨头不但把 亚太中心转移到中国，同时新建了厂区来提高产能，以便在中国占有更高的市场份额。可见 中国汽车市场必将是将来世界汽车市场的主战场，发展好我国的汽车产业对经济和社会的发 展有着重要的拉动和促进作用。 从整体出发，汽车是一个机械、电子、材料等多个学科相互交叉的系统，又是对安全性、 可靠性等指标要求很高的系统，在技术上有着很强的继承性。同时汽车又是一个不断推陈出 新的系统，每年都会有新的技术和产品出现。为满足可靠性和安全性等方面的要求，每项技 术和产品的产生都经过了大批试验的验证，因此试验在汽车的设计和制造过程中有着十分重 要的作用。 汽车的试验有很多种类型，从整车到总成再到元件，有验证产品指标的性能试验，也有 验证产品寿命的疲劳试验。国外的汽车企业十分重视试验，每个改进都进行大量的试验来验 证，因此汽车试验设备扮演着重要的角色，他们都经过了严格的设计和验证，在测量精度、 可靠性等方面都有着优秀的表现。中国的汽车行业发展比较晚，现在还处在一个追赶期，在 汽车试验方面一般都是遵循国外的标准，相对于国外的试验设备，国内的水平还处在一个比 较低的层次，因此有必要发展汽车试验技术。现在的汽车测试装置一般是在计算机控制下的 电子平台，而电子器件和电子设备之间存在着很多差异，因此搭建一个便于拓展的试验用电 子平台，对试验设备的开发有着十分重要的技术意义。 1 2 发展状况 1 2 1 国外发展状况 由于国外汽车工业起步较早，在综合汽车设计经验的基础之上，很好的指导了测试设备 的研发。一些发达国家测试设备供应商借助于其先进的电子与计算机技术已实现车辆整体性 能和零部件测试的自动化、智能化和精密化，同时借助于网络和虚拟仪器实现了测试信息共 享，软、硬件资源共享，从而使车辆性能测控系统硬件体积浓缩，但功能更加强大。在检测 基础技术方面已实现了“标准化”，在检测技术上向“智能化、自动化检测”方向发展。随着 电子计算机技术的发展，出现了汽车检测诊断、控制自动化、数据采集处理自动化、检测结 果直接打印等功能的综合性能检测技术和设备。随着计算机技术在汽车检测技术领域的应用 进一步向深度和广度发展，汽车检测技术将进一步提耐6 1 。 同类国； l - n 试设备的提供商一般采用双层或多层结构，在数据采集和控制方面由嵌入式 平台完成，在监控和数据分析上由通用计算机完成，更高层的服务为w e b 提供综合服务。德 国莱思浩福公司专门从事于故障早期检测和振动分析，德尔塔分析仪是其一款重要的产品， 东南大学硕士学位论文 该系统为多层结构，如图1 1 a 为系统架构图，试验台由高端的p l c 来控制，数据的采集、分析 和存储由本地计算机来完成，通过网络与中心计算机进行互联以便更好的共享数据，中心计 算机方面通过w e b 技术向公司局域网提供相关w e b 服务。图1 1 b 为本地计算机监控和分析软 件。 翻融= 舒二2 。? 盈i i 酝鍪砀i 讶妊函西曩簟嘲圈 1 ， jl j ： 小，- 曩 囡 t ，； 。引 。一l。j 。1 ( a ) 测控系统结构图监控软件示意图 图1 1 德尔塔故障早期检测分析系统 图1 2 是日本小野测器汽车道路试验数据采集装置d l 3 0 0 0 系列【5 1 。该系统是一个双层 系统，传感器等信号直接进入图1 2 a 中所示的嵌入式装置，在其内部完成数据的采集和聚合； 通过网络与笔记本进行通信，完成数据的存储、显示和分析工作。该装置同样能在测量现场 简单、迅速、高精度地进行多通道测量。 警篡：篡x ? = ：_ = “。= = 一一飞编 i “p 埔峨一o ：帅k 掣 。 bz r ：0 + ，声c-o# 胃黑孵需 国圄国国 r t - t j o 醵0 瞻，零 黝荔翰隧鹈麟蓊饕鹱蠹瀚霸黪 溅黝燃嬲麟瓣擀豁! 黝瓣嬲蕊瓣菸蕊i s 蠢堵二 貔i 辫嬲罗麓# 。鹕渤艨j 歹垂黝耖巍貔瓣粼爹 驴辫秀躲缓黔黪凝黼，乎 7 黪知新彩麓。燃j 摩 。鼍瓷 l 您。黪缴馘燃矗 同学 园未 ( a ) d l 3 0 0 0 数据采集装置( b ) d l 3 0 0 0 数据采集与分析软件 图1 2d l 3 0 0 0 数据采集与分析系统 1 2 2 国内发展状况 随着我国国民经济的发展，汽车工业不断进步，汽车的应用日趋普及，汽车的保有量直 线式上升，而我国车辆测试技术相对落后。国内的设备普遍采用工控机平台，通过扩展采集 和控制板卡的方式组成整个测控系统；此类系统的优点是结构紧凑，软件上开发起来也相对 容易，缺点是该平台运行在非实时操作系统( w i n d o w s ) 之上，数据采集和处理频率不好保 证，容易受到网络病毒的侵害，系统的可替换性也比较差。 面对我国汽车保有量的迅速增加、车种繁多，以及现代汽车结构和使用条件日趋复杂， 需要检测的项目增多的现状，用传统检测手段检测车辆性能已难以满足需要。为提高测试效 率、降低测试成本并适应在速度、准确度、数据分析以及现场实用性等方面日益提高的测试 2 第一苹绪论 要求，我国的汽车检测技术向以下方向发展。 l 、汽车检测技术基础规范化。制定和完善汽车检测项目的检测方法；统一规范检测要求 及操作技术；制定用于综合性能检测站的大型检测设备的形式认证。 2 、汽车检测设备智能化。目前国外的汽车检测设备已大量应用光、机、电一体化技术， 并采用计算机测控，有些检测设备具有专家系统和智能化功能，能对汽车技术状况进行检测。 3 、汽车检测管理网络化。随着网络技术和管理的进步，汽车和零部件的检测将实现网络 化( 局域网) ，从而做到信息资源共享、硬件资源共享、软件资源共享。 1 3 课题发展与内容 1 3 1 本论文的提出 论文总结了常用系统的设计方案，同时借鉴国外先进的测试技术，对国内汽车测控系统 的优缺点进行了总结。 l 、原有系统普遍采用工控机平台，在性能试验方面可以满足试验要求，在疲劳试验方面， 由于时间长的特点，时常出现一些w i n d o w s 系统死机、中毒等不稳定现象，可能导致系统无 法正常运行。 2 、在系统集成方面，系统可扩展性差一些，比如各模拟量通道信号输入类型在设计时便 定型，日后更换传感器时往往会造成信号不兼容的问题。 3 、软件的设计不够灵活，虽然基本结构一致，但是一台设备一个软件的方法，使系统没 有可继承性，不利于软件性能提高。 1 3 2 主要研究内容 论文总结了以上系统所存在的不足，结合国外先进技术的特点，对系统的硬件和软件分 别进行了改进和设计： l 、对测控系统的结构进行了改进，包括机械部分和电气部分，新的方案将更加的紧凑和 实用。 2 、对旧系统中容易造成信号不兼容的问题进行了改进，对信号调理模块的接口进行了设 计，使模块与载板分离，便于进行更换 3 、对测控系统的软件进行了架构设计，并支持s c p i 命令以便于更好的兼容其他厂商的设 备，同时尽可能的提高了代码的可重用性。 4 、使监控软件有更广的适应性，为不同的应用设计了不同的库，便于软件的扩展。数据 分析软件方面，由于不同的试验其数据类型和分析方法相差较大，因此提炼出常用的数据算 法并形成基础库，针对不同的试验数据在做相应的应用库。 1 4 论文章节安排 本论文共七章，内容安排如下： 第一章“绪论”。论文主要介绍了国内汽车行业的发展现状，及汽车试验的重要性，分析 了国外汽车测控系统的架构方式，软件系统的特点和提供的服务类型，说明了国内的现有水 平，最后对相关项目进行了总结，并对系统进行了改进和设计。 第二章“汽车试验”。本章首先介绍了汽车试验，对其目标、方法、过程进行了总结， 依据汽车的结构，对试验进行了分类，并在每个分类中介绍了典型的试验，分析了进行该类 试验对电子系统的要求，最后在总结各类试验的基础上，对相关的测试技术进行了研究。 第三章“试验平台设计”。本章从整体上介绍了测试平台的结构，对双层平台的结构进行 了详细的说明。首先设计了测控系统的箱体方案，该方案结构紧凑便于增加和删除模块，增 加了系统的灵活性，对信号调理等外围电路的接口进行了设计，以便增加其兼容性。 第四章“测控系统的软件设计”。本章讨论了嵌入式测控系统软件方案，首先搭建了软件 系统的框架，对其基本功能做出了详细的说明，接下来对底层模块的适配到上层结构的层次 逻辑作了阐述。 3 东南大学硕士学位论文 第五章“监控与分析软件设计”。针对不同的硬件和应用平台，本章对软件系统进行了架 构设计。在外壳程序不变的情况下，对不同的应用设计了不同的库，便于系统的拓展。数据 分析是试验过程中很重要的一个环节，通过它可以获取试验对象的信息，从而作出相关评价。 第六章“工程实例”。本章针对以上的分析和阐述，介绍了相应的工程实例。同步器元件 试验系统用于测试同步环单位摩擦功，然后从系统方案等方面对项目进行了详细的说明。电 子油门踏板试验系统用于测试其输出信号的同步度和线性度等方面的参数，通过数据分析来 验证产品的指标。 第七章“全文总结”。本章介绍了课题的研究趋势和相应的展望，对本论文的主要研究工 作进行了归纳总结，并对存在的问题进行分析，提出了日后的改进措施。 4 第二章汽车试验 2 1 试验概论 第二章汽车试验 汽车试验是通过人为设计的方法，模拟试验对象的工作环境，经过一定操作流程将待测 参数激发出来，然后通过通用或专用的仪器进行数据采集和处理工作的过程【1 0 1 。 在工程技术中，任何一款成功的产品都经过了精心设计和严格试验。设计过程同时也是 试验过程，试验始终贯穿在整个设计流程中。在许多复杂的工程问题中，试验往往又是解决 工程问题的仅有办法，因此试验在汽车的设计和制造过程中有着十分重要的作用。 2 1 1 试验的组织与实施 我们一般将试验分成试验准备、试验实施和试验总结三个阶段【1 0 】。 l 、试验准备阶段 试验的准备阶段的主要内容是制定试验大纲、准备测控系统、安全设置准备、人员配置 和记录方案、后勤准备等。 ( 1 ) 制定试验大纲。大纲是试验进行的规范，首先要指出试验设计依据的相关标准；要 对试验对象和实验内容进行说明，给出试验的原理图，避免试验人员操作错误；指定仪器及 实验条件；最后对试验的进度、人员、值班制度进行规范。 ( 2 ) 准备测控系统。检查设备的各个单元，比如接线、传感器、执行机构等，注意在试 验之前必须对各种传感器、测试装置和仪表进行预热、校正、调试和定度等。 ( 3 ) 安全设施准备。应对试验人员进行相关的安全教育，如果试验涉及到高速、高温、 高压等，在正确地安装试验对象之后，要配置防护罩；同时针对相应试验要配置灭火器、安 全帽、绝缘手套等配套设施。 ( 4 ) 人员配置和记录方案。协调好人员的作息时间等相关工作，及时记录相关试验信息。 ( 5 ) 后勤准备。准备好足量的资金和原材料，比如燃料等。 2 、试验实施阶段 实施阶段一般经历起动预热、工况监测、采样数据和校验数据四个过程。起动预热是为 了使设备达到试验大纲规定的试验条件。在试验过程中，必须随时监测设备的工作状况。稳 态试验过程中，要记录一定时间段内的稳态值：在动态试验中，要保证动作和记录同步。试 验结束之后，应立即汇总主要的测试数据，检查、校核个参数的测量值，及时判断试验是否 有效。 其中数据采集是试验过程中的关键，若发现数据的出现异常或错误要及时的更正，以便 保证接下来数据分析的正确性。 3 、试验总结阶段 试验完成后要及时地进行总结，包括对试验中观察到的现象和发现的问题进行定性的研 究和分析，获取必要的信息和参数，以确定实测所得的性能指标和参数间的关系。在强度、 疲劳和磨损试验完成后，对试验数据和资料进一步归纳，得出规律，作出结论，并写出试验 报告。 试验报告要规范，并且尽可能的包含相关的试验信息，一般包括试验任务来源、试验目 的、试验条件、测试工况等；试验方案设计与试验方法；传感器的定度；数据处理方法、处 理结果与误差范围；试验结果分析和结论，并附上相关的记录曲线、数据处理表、试验规律 等信息。 2 1 2 试验设计 试验设计是以概率论和数理统计为理论基础，其主要内容是讨论如何合理安排试验和正 确地分析数据，以便达到用最少的时间获取最优化的方案的目的。试验设计实际上是试验优 化的技术。通过广义试验运用各种不同的数学方法，达到试验目标和试验流程的最优化【l o l 。 5 东南大学硕士学位论文 1 、试验设计方法 试验的设计也是一门很重要的科学，合理的设计能够更加准确的检测出试验对象的相关 的指标，接下来详细说明试验的设计方法： ( 1 ) 单因素试验设计 当影响试验的因素数目只有一个时，可以运用常用的一维寻查方法( 如斐波纳齐发、黄 金分割法、三点两次插值法等) 逼近或获取最优化值。 ( 2 ) 多因素试验设计 当影响因素较多时，常采用正交试验设计。也可以在进行了一轮或两轮多因素试验并找 出其中的主要影响因素后进行细致的单因素试验，用一维寻查法求取最优化结果。正交试验 设计法是安排和分析多冈素试验的一种科学试验方法，他是以人们的生产实践经验、专业知 识和概率论与数理统计为基础，利用一套根据数学上的“正交性”原理而编制并已经标准化了 的表格正交表，来科学地安排试验方案和对试验结果进行计算、分析，找出最优或较优 的生产条件或工艺条件的数学方法。他可以成倍地减少试验次数，提高试验效率，缩短试验 周期，并可对多因素试验项目作比较全面的考核。这种方法使用正交表来安排和分析试验结 果，比较简单、实用。 ( 3 ) 模型试验设计 由于条件限制或机械设备尚未建造出来，无法用实物进行试验，可采用以相似理论为依 据的模型试验研究方法。 ( 4 ) 疲劳试验设计 模拟零部件使用载荷，对其直接进行疲劳试验以确定疲劳强度和寿命。 2 、相似理论 相似理论是进行试验设计的理论基础，具有某种相似性质的两个现象称为相似，比如空 间相似、时间相似、运动相似、力相似等。机器设备的相似现象系统是指：在对应瞬时，各 个对应点上表征现象的所有参量其大小各有确定不变的比值，如果是向量则其方向必须一致 【l 们。在这里有三个理论理论，分别是： ( 1 ) 相似第一定理 彼此相似的现象必定具有数值相同的相似准则，对应模型试验时应测量的那些量，比如 相似准则包含的一切量。 ( 2 ) 相似第二定理 同一类现象中( 即可以被同一关系方程式所描述的现象) ，当单值条件相似，而且由单值 条件所包含的物理量所组成的相似准则相等，则这些现象就是必定相似。所以必须保证模型 和原型的单值条件相似，且诸定性则对应相等。 ( 3 ) 相似第三定理 描述现