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重庆大学硕士学位论文汽车硅油风扇离台器性能测试系统的研制摘要 摘要 本文综合了检测、传感器、测控网络、自动控制、计算机应用、信息处理 等技术领域的最新知识，对汽车硅油风扇离合器性能测试系统进行了系统的研 究，详细地介绍该系统的整个设计过程及设计方法，成功地研制了该系统。 弋汽车硅油风扇离合器是汽车发动机的重要冷却设备，其性能将直接影响汽 车发动机的正常工作。本文在讨论测控系统的设计方法和测控实时软件的开发 方法的基础上，利用总线测控网络系统的组网技术、通信技术、控制技术和传 感器技术，在w i n d o w s 9 5 环境下，根据中华人民共和国汽车行业标准q c t 3 3 9 2 汽车风扇离合器试验方法，研制了汽车硅油风扇离合器性能测试系统。该 系统由检测系统、硬件系统、软件系统所组成，实现了3 台离合器总成同时进 行实时在线智能检测、实时显示测试曲线和测试结果打印以及报表等功能。 该系统的研制成功不仅满足了生产实际的需要，而且为测控网络系统的硬 件系统设计，软件系统设计、传感器的选用以及总线测控网络系统的组网技术 作了成功的探索，实现了测控网络系统中的信息集成，是一种既能适应未来测 控技术发展，又符合工业现场测试特点的经济实用的网络铡控系统。其测试方 法的研究具有广泛的应用价值和技术上的实用性、先进性。1 关键词：测控系统总线网络离合器硅油风扇 重庆大学硕士学位论文汽车硅油风扇离合器性能测试系统的研制 a b s t r a c t a b s 仃a c t t h el a t e s t l ( 1 1 0 w l e d g eo ft h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l 咖r kt e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g y , a u t o m a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y , c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o nt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , a n dt h eo t h e r sf i e l d sa l ec o l l i g a t e di nt h et h e s i s a g e n e r a lr e s e a r c h o nt h ep e r f o r m a n c et e s ts y s t e mo fs i l i c o n o i lf a nc l u t c hi st a k e n i n t h et h e s i s ，t h ed e s i g nm e t h o di n d e t a i la n dt h e d e s i g np r o c e s ss t e pb ys t e p i s d e s c r i b e d s o ，t h es y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y t h es i l i c o n - o i lf a nc l u t c hi st h e i m p o r t a n tc o o l i n gp a r t s i nt h em o t o ro f a u t o m o b i l e i t sq u a l i t yi n f l u e n c et h ew o r ks t a t u so f t h em o t o r t h ed e s i g nm e t h o da n d t h ed e v e l o p i n gm e t h o do ft h er e a l t i m es o f t w a r eo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la r e a n a l y z e d i nt h e p a p e r b a s e d o nt h eb u i l d - n e t w o r k t e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t e t e c h n o l o g y , c o n t r o lt e c h n o l o g y a n ds e n s o r t e c h n o l o g y u n d e rt h es i t u a t i o no f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lb u s n e t w o r k s y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c e t e s t s y s t e m o f s i l i c o n eo i lf a nc l u t c hf o ra u t o m o b i l ei sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d t h es y s t e mc a n u s e di nt h ew i n 9 5 ，a n dm e e tt h es t a n d a r do f t h en a t i o n a l 、，e h i c l ei n d u s t r y q c t 3 3 9 2 ：t h et e s tm e t h o d o f 砌pc l u t c hw h i c hw i t hf a n t h es y s t e mi n c l u d ec h e c ks y s t e m ，h a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e m i tc a n t a k ei n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n tw i t l lt h r e ec l u t c h e so nt h el i n es i m u l t a n e o u s l y i ta l s o c a n d i s p l a ym e a s u r e m e n tc u r v e s ，f i l er e p o r t i n g ，a n ds oo n i nt h es a l n et i m e n l e s y s t e m f i tt h e r e q u i r e m e n to ft h ep r o d u c t i o np e r f e c t l y , a n daw a yt o i n t e g r a t et h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lb u s n e t w o r ks y s t e mi sf o u n d t h ep r o b l e m s s u c ha sh o wt os e l e c tt h eh a r d w a r e ，t l o wt od e s i g ns o r w a r ea n dh o wt oc h o i c et h e s e n s o r , w e r er e s o l v e d t h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o no ft h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l n e t w o r ks y s t e mi sr e a l i z e d n d sm e t h o dc a nm e e tt h ef u t u r er e q u i r m e n ta n dm a k e t h es y s t e mh a v eg o o d q u a l i t i e so f e a s i l y ，e c o n o m y , a n ds u i t a b l e k e y w o r d s ：m e a s u r e m e n t a n dc o n t r o l s y s t e m ； b u s - n e 咖r k s y s t e m ； c l u t c h ； s i l i c o n o i lf a n 重痰大学霰主学擅论文 l 缝论 1绪论 1 1 本课题的研究意义 本文怒馥横| 鸷瀑题：“汽车疆演风瘸褰会器健缝测试系统”l 睾秀礤究课题。 本课题的学术和实用意义生要体现在： ( 1 ) 实现一个总线黧谤算皴溅控潮终系绞 信息社会的主要标志就是信息高速公路的兴越和计算机网络的日髓普及， 敬i n t e m e t 国嚣囊联嬲为芪表骢诗雾礁霹终技本戆迅猛发展及其糍关技术能成 熟，对人们传统的生活方式产生了巨大的冲击，对其它领域技术的发媵也产生 + 7 深远款彩购；， 目前，计算机网络已经向着范围更广的分布式客户机朋匿务器( c i i e n t s e r v e r l 续秘方窝发展，阚终的操终系统、网络熬蛰理工舆、网络按议帮阏终土提供的 服务等技术和手段也更加规范化和完善。测控技术广泛成用于豳民经济建设的 电壤、金融、民靛、电力、铁路、露濑、彼工及建筑业等各个领域，髓饕计算 机网络技术的发媵，推动着测控技术向着网络化、分布憔和开放性的方向发展， 这荦巾发展趋势使测控系统功熊约扩展更热灵活，性能不龄挺裹，使用受如筵使。 本课题所研制的汽车硅油风扇离合器性能测试系统，是一个总线型计算机 测羧网络系统。按照中华人民共和国汽车杼业标臻q c t 3 3 9 2 汽车风扇离合 器试验方法1 5 9 1 ，检测汽车硅油风扇离舍器的温度控制特性。根据各类汽车硅 浊风扇离台器的检测括准，分析判定汽车疆油风扇离合器驰性能。熬个系统可 同时检测3 套汽车硅油风扇离合器，每套离合器需同时检测一个温度、两个转 速共3 个参数，即整个系统将实现9 通道的数据采集分析、判麟、查询和打印 报袭等功鼯，而融研制的检铡系统可实现2 5 6 个遴遒的数据采集。 ( 2 ) 实现汽车硅油风扇离会器性能的在线智能检测 本课题的研带4 成功，彻底埯实现了硅浦风扇离台器憨成性能的在线检测， 各被测参数闽的实时性强，熊智能地判定反映离龠器性能的特征参数，从丽智 能地潮定测试缔莱，实城用户要求的检测、查询、标准设定、打印报袋等功能。 ( 3 ) 本课题的研制对于总线型控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m s ) 在应 用上具有广泛的指导律愆 总线型控制系统是当今世界上流行的新型测控系统，它的主要特征是地 理圭分散，各计算梳子系统或智髓设备可独立完成特定的数据采集、箍瑾、控 制与管理任务。各计算机子系统互逸成网络实现相互通信，以达到控制、测量 与管瑾的协谲进行。f c s 系统融计箨辊技术、控帮l 技术、通信技术予体，蹙 计算机科学领域内发展最为迅速的一个分支，它以系统性能价格比、并行处 理能力、运算速度以及可舷性方面的优势，己成为当前控制系统发展的主流系 绞。f c s 剥+ 瓣次一些太飒模、复杂豹生产查业豹系绫测控( 趣括餐璎) 翊题搀供 了有利匏条佟。 本课题的研制为总线烈控制系统在测控方面的应用作了探索憔的工作，是 总线控制网络系统的组网技术、通信技术、控制技术和传感器技术的综合运用。 为总线型测控鼹络系统蹬m d b u sm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e 确墁 串系统设 诗、较舞系统设计、传感器静选露等方繇俸了有蕊麓搽索，敬褥了商价繁瓣成 功经验。 ( 4 ) 本课题的研制为测控网络系统中的信息集成作了有益的探綮 测控网络系统中各静糖能仪表、絮钱设备所获取驰测试信号，部是以数字 倍号静方式程测控网络系绫中透露蓿怠鲶理移信惑交换静，瓿丽实现预定匏潺 控任务。而资源共享，包括硬件资源欺攀、软件资源共享和信息资源的共享。 在测控网络系统中，信息资源的共享是其网络技术的核心和关键，也是实现测 羧网络的智能检测、智能控铡的保证。智能地决策、智能地判定各种测控状态 必绥要求穆惑| f l 孽蹇废集残，菝嚣逐速、敏捷建 睾蠢羲耱憝瑾器控蠲，瞽竞袋葵 臻求的测控任务。 本课题的研制为各予累统从传感器的信号采集剥下位机的信母处理，并为 主位机提供冀检测信息，跤终由主控微机进行信息集成，完成检测信息的综合 楚疆，实瑶备静绩惠懿簸滋器控翻夔撬稽终了袋功静搽索。 ( 5 ) 探索种既能适庶未来测控技术的需要又能符合工业现场测试特点的 缀济实用的网络通信结构。 随着信息技术、网络技术韶通信技术的不断发展，测控网络技术己成为未 来溺茬领域爨毒发震趋势，瓣溪场总线鄹络鼓寒兹发袋藏为了测控熬络技术发震 的标志。 众所周知，在过去的2 0 年里，工姚自动化技术领域发生了两次十分重要 的革命。其一魁从】9 7 5 年到1 9 8 5 年，p l c 技术完全侵入到传统的继电器技术 疲瘸领域；葵2 2 是放1 9 8 5 掣到1 9 9 5 冬溺疆逶售鼓零为特点豹蕈愈。逶蕊接术 的发展已经弓l 笈了在工厂魏动化领域激融开始的第三次革命，郎分布式“开放 状控制结构”的产生。开放式控制结构最显著的特点魑通信网络的开放性、一 致性、兼容性和互操作性。开放式结构的另特点是支持开放或网络协议的智 能纹表露智熊攘头。瑟款式缝稳戆第三拿赞瘴是嚣鹅瓣耘懿摸块键软接续程技 术帮软件模块渤。开放式控黼结构使工媳测控技术建向了数字徒遴倍、分布式 控制的网络测控新时代。 本课题的研制，正是跟随这一发展新趋势，采用丁支持开放式网络协议的 餐齄测控模块a d a m 4 0 0 0 系到。整拿磺馋系统采臻了鼗字纯暹臻，分毒式控 2 裁翡憨线溺控网络结构，符合逶臻弼终靛殍赦性、一致性、兼容蛙亵置操 睾蛙 原则，只要对主控微机( 上位虮) 的控制软馋鞘 乍修改，即可实现远程测控。同 时，该网络系统组网简单，各种镩能仪表粕智能设备的互连性，兼容性和开放 性好，整个测控网络成本低，经济实用。同时，稳定性、可靠性商，从测控网 络技术方黼来说，是一次有益的、成功的尝试。 l ，2 嚣内外相关领域的疆窕现状 由于现代科学技术的不断发展，王业生产过援测控也越来越先进，必颁浆 生产过程测控和生产管理集于一体化，因此，自7 0 年代中期集散控制系统c s ) 问世以来，就迅速地应用于各种工业现场生产过程和生产管理之中。进入9 0 年代中藕叛赢，d c s 箍制系统并没有达到其顶蜂黼。在圜际上，一种“新塑群 放式囊动化控剃系绫”( 瑷场愍线) 豹兴起，憋工她领域矍l ! l 孽生产测控系统懿发 展，攘向了一个搿的发展时期。 集散系统全称是集中分散型控制系统，简称d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 。在我国习惯上称之为集散系统或d c s ，这种系统将计算机技术引入 i 毫程溯控系统巾，和糟单元维合仪表及计算机系统的优点，餍软件组成各种功 懿模块，并霜c r t 显示湿度、鬟力、液位、漉鏊、液势等过程参数，逶过逶 傣网络把= 卷连成一个系统。因此d c s 豹一个驻著特点是各工艺现场虫现场 挖制站进彳于分澈控制。务个分散控制得到的信息由蟹理站集中符现，同时根据 ，土广：工艺疆求，管理站对各种现场控锘蛾s 进彳子集中控制，即信息鞠操作错理集 中化而控制分散纯，也就蹙集中怒指膂瑾、搡作、监视三方面，分散是指功能 分散，负荷分散和危险分敝，危险分散是d c s 系统酶主要特 芷之一。 d c s 系绞具枣戳下一些酶点： 功能全。可完成从麓单的囤践控划到复杂的多变量摸型优化控划，可 进行串级前馈一反馈等备种复合调节，以及间断的顺序控制、批量控制、逻 辑控制、臼适应控制等各种控制，实现显示、监控、测量、打印、报警、数据 储存等操作要求。 采用网络透信技术。寄星瑟、环型鞫总线等多种逶信缔构，通信协议商 饕振准化方向发展。 实现了人一机对话技术，操作员可在任何时刻进行集中j 监控管理。 系统的扩展灵活，可根据需要配置成大、中、小型系统。 可靠懂高。硬件上采掰冗氽配麓，弓f 入容错技术，使系统可靠性大大穗 熹，虢使产生梭薅，修复辩也不影响系统鼢搽作使用。， 警理戆力羰。缀容易实瑷警理囊动化、工厂塞动绽、试验璧鑫动姥、办 公自动化的全自动化嚣理目标。 使用方便。在系统调试完毕厝，只需按键盘操作即可。 由于d c s 有上述特点，翻此受到各行各业的普遍欢迎。国内外一些企业 豹d c s 系统应瘸是比较残功的，特裂是在化工生产过程中，由予纯二l 二工艺过 程比较平稳，效果显募。如四川化工总厂采用d c s 系统后，增产合成氨5 4 3 5 t 年，节约天然气6 0 4 m 3 年；泸洲天然气化工厂使用d c s 系统后，年增长率产 合成氨l1 5 。赤水化船厂采用d c s 系统后，每年增产合成氨4 0 0 0 吨。其它 妇吉化公司、沧州化肥厂，天津化工厂、河南安陲化肥厂、云南云蜂佬学工监 公司、辽河化肥厂、湖北化肥厂、扬子石化公司、兰化公司、大庆化肥厂等， 采用了集散系统( d c s ) ，效果都比较好。由此可以看出d c s 在化工生产控制过 程中的搜甭较为广泛，发展势头大，具有较为广阔的应用前景嘲。 然面d c s 也嚣浆新的挑战。由于6 0 年末，d c s 从闯世以来，都是以系统 形式销售，其操作站也是由各制造厂家自行开发研制，各系统的操作站对系统 来说都是专用的。各制造厂家都是投入大量人力物力开发研制操作站和通信网 络，造成磊前各厂家豹d c s 遴信标准不统一。各厂家产品自成体系，互不兼 容。这种封闭式约控制模式，阻碍了信息豹相互传递秘共事 包括软件的共攀) ， 所以迫切需要从封闭式控制系统向开放式控制系统转化发展。现场总线控制系 统正是在这种情况下应运而生的。 现场总线是升放式工业垂动化控制系统，是连接设置在工业过程现场的仪 表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、双向、多站通信网络系统。 称之为“现场总线”( f i d d b u s ) ，并有以下一些显著的特点： ( 1 ) 完全替代4 2 0 m a dc 信弩制，实现传输信号数字化，从而易于现场 布线，太大降低了电缆安装和保养费用，一般可节约毫缆7 0 - 8 0 ，增翻了 控肯4 系统的可靠性。 ( 2 ) 控制、报警、趋势分析等功能分散到现场级仪表和装置中，简化了上 层系统。 ( 3 ) 各厂家产品的交互操作帮互换使用，绘用户进零亍系统组织提供了方便。 ( 4 ) 实现自动化仪表技术从模拟数字混合技术向全数字技术的转换。自动 化控制系统从封闭式系统向开放式系统的转换。 所谓开放式系统，它跫一尊孛新型豹系统结构，以统一标准或约定来规范系 统部件的接口，通信和外部连接。现场控制可通过开放式结构容纳不圈厂家捌 造的设备，组织强有力的信息平台，将控制、调度、管理、决策等功能进行有 效的综合，实现总体优化系统控制，以获得更大的经济与社会效益。 国外的许多大的仪表自控公司都十分重视现场总线技术静发展，瑗场总线 的标准制定工作也在加紧开展。不月国家、不同厂商纷纷组成集团，发表各自 的现场总线标准。目前逐渐形成两大派，派是以费希尔一罗斯蒙特s h e r 4 r o s e m o u n t ) 公司为曾，联合世界备大公司8 0 氽个，如福克新波罗( f o x b o r o ) 、 横嚣g o k o g a w a ) 、a b b 、嚣 l 予( s i e m e n s ) 等簿裁定了i s p 穆滚；勇一澡是 以霍尼书尔( h o n e y w e l l ) 公司为首联合了国际上1 5 0 余个公嗣制定了w o r l df i p 协议。两大派因利蔬原因长期不能统一。后追于用户压力。予1 9 9 4 年9 月合 并，成立了f i e l d b u sf u n d a t i o n ，即现场总线纂众会组织，简称f f 。国际上各 著名静爨控仪表公司舔参热了该缀绠，著与i e c 在褒场憨线标准懿技术瓣蔻上 取得了一致意觅。 f f 协议是在i s o 开放系统溉联协议模型的基础上，扦发出来的可溉操作 的双向遇信协议。它的协议结构融4 层组成：物理层、链路艨、应用层和用户 层。 瑗场总线是一种技毹技术，不是一种产菇。所谓结构摸凝层次是指域场总 线通信协议必须具有遮些层次，井按这个层次所赋予的具体功能和任务鼷求， 有规则地进行数据传输与处理，其功能和任务怒通过软件和硬件来完成的。 联协议的特点： ( 1 ) 骞低速窝藏遮两种逶信总线，萁通嵇遮辜可戳傈涟潮络有较野躺时间 响应： ( 2 ) 可挂设备数为2 3 2 台( 不用总线供电时) 或2 6 台( 采用总线供电时或 青本质嶷全防爆要求融) ； ( 3 ) 协议籍会趱c 11 5 8 2 标穗戳及i e c s c 6 5 c 麓订静棘准孳案； ( 4 ) 能满足工业环境使用要求； ( 5 ) 能满足安全防爆要求； ( 6 ) 具有剥用总线囱设备供电的功能； ( 蛩数据镑送方式鸯令薅铸遂，孛请，立静晌应释总线辩润调度三秘，髓傈 证信息传输的实时性； ( 8 ) 有充分的纠锚、检错措施，保证了通信的可靠性； ( 9 ) 在i s o o s i 模型的基础上，增加了用户层。用户鼷的惠容是：专 l 针 霹工攮囊动纯整铡镶城弱统一麓刘，采焉设备攒述语言定义功挠浃集， 实现了功能块的兼容饿和可互换憾，提供了用户对系统进行组态的语言。 这拨内容，保证了该协议的信息完整性和现场总线设备之间的可互操作性【3 l 1 2 5 2 1 。 露c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 终为现场戆线孛熬羧裁嚣两域瓣瑷场总 线，悬种具有很离可靠性，支持分布式控制，窳时控制的串行通信测控网络， 最初由德国b o s c h 公词推出，首先虑用于汽车工北，现已广溅应用其它领域。 c a n 应用范围搬广，从高速网络到低成本的多任务网络蛇自动化领域。 c a n 豹逡攀霉弱i m b i t s ec a n 戆镲号建辕穷霞为双绞线，其蠢稀场总线懿穗点。 c a n 的技术特性： a c a n 总线插卡可梅意搔在p c 、x t 、a t 兼嚣机上，方便地构成分布式 篷控系统。 bc a n 总线规范2 ，0 p a r t ai s 0 1 1 8 8 。 cc a n 可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动 地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活。利用这一特点可 方霞缝枣鼋或礴 镌) 多瓤器诊系统。 d c a n b u s 网络上节点可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。 e c a n 采用非破坏蚀总线仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息 时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级商的节点可不鼹影响地继续 技输数撰，鸯效避免了总线j 孛突。 fc a n 诲戳点对点，点对多点( 成缀) 及垒蜀广播等几种方式传送和接收 数据。 g c a n b u s 赢接通讯距离最远可达1 0 k m 5 k b p s ，通讯逋率最高可达 1 m b p s 4 0 m 。 h c a n b u s 上节熹数漶论僮为2 0 0 0 个，安舔可遮l lo 个。 i c a n 来用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，这样短的传输时间， 受干扰的概举低，重新发遴时间短。 j c a n 镣噱信息都鸯c r c 捡验及英媳捡糖措施，镶迂了数撼粒出镶率圾 诋。 k 通讯介质采用廉价的双绞线，无特殊要求。 i c a n 节点在错误严慧的情况下，舆有自动关闭总线的功能，切断它与总 线的联系，以侵总线上其它操谁不受影响。 m n r z 编码疗簿鹃方式，并采蘑使j 囊充( 插入) 按术。 n 用户按口简单，编糨方便，很容易构成用户系统。 o 开发系统廉价，o e m 用户容易操作。i n t e l ，p h i l l i p s 等芯片厂商均 嫩产具有c a n 接口豹8 0 c 5 1 芯片。 藏露c a n b u s 是符合中藿国祷翡耱凌场慧缭嘲辖”麓。 现场总线技术是一项离科技、高水平、高难度的自动控制系绞工程，对化 工、石化、冶金、电力、制药等领域的测控技术发展将起着十分黧耍的作用。 l 。3 本课题的实际簧繁 汽车发动机风扇是汽率发动机的莺袋冷却设备，黼硅油风扇离合器是汽车 冷却系中的一种有效的新烈节能产品。目前已在国产汽车上广泛威用融解放、 寒风、红岩簿汽车) ，它遴过控制风扇鲍开窟来调节嬲傈持发动机滟水涅，从 两起裂节熊、降嗓、提巍发动援寿鑫黪睾焉。 汽车硪油风崩离合器不仅熄汽车节能的熏要措旖，更重要的是保诋汽车发 动搬在最逡寰靛瀑度下王佟的瀑控系绞，骚以离合器魄谯缝将鬟接影嗡汽车发 动机的正常工作。为了掇高汽率风扇离合器的产品质量，保证其运行可靠，遗 切爨要根攒中华人民共秘国汽举行业拣准q c t 3 3 9 2 汽车最扇褰合器试验方 法研制一套测试准确、可靠、先进、功能完备的、自动在线的汽车继油风粥 离会器性能测试系统，从丽准确测定醚油风躺离合器蛉馋裴，确保硅淤风扇察 合器的质量。 仅管圉蠹不少汽车制造厂擞产的汽车配餐了硅溜最扇离合器，毽强蠹在这 方面的研究起步较晚，齑到1 9 9 2 年7 月中国汽车工业公司才制定并颁布了中 华人民共和国汽攀莲亍业标准q c t 3 3 9 2 汽车风扇离会嚣试验方法。娶兹， 汽苹硅i 由风扇离合器生产厂家对寓合器总成性能的检测与验收遥只是沿用落盾 的常规仪器戏主观目测进霉亍粗略的定性单项检验。这种测试方法所取褥的各毒枣 性能参数闻的实时性极麓，而舀测的数据随耩观测入的经验、所处的观测位鬣 和仪表本身的糖度的不同而误麓很大。尤其楚测试的各罩申性能参数间的实时性 稷差，使褥备注能参数不能正确姥反浃它们之间的内在关系，从而根据这些测 定参数对风扇离合器的性能作出的判断十分不准确，近乎予估测。要提蠢测试 结果静准确 耋，努须提裔溺试中各注靛参数闻的实时性，并能在线趣分析出表 征各性能特点的特征值，才能猴确地、综合域判断其性能，这就迫切嚣要研制 一套计算辊辅韵静在线浏试系统。 搽于这种情况，重庆大学遗希数控技术研究所与浙江嚣乐清节能设铸厂礁e 漓嚣癞离合器生产厂家) 商定，斑重痰大学遍希数控技术研究所为其开发硅油 风扇离合器性能测试系统，以锵决浙江乐清节能设餐厂硅浊风扇离合嚣的测试 海瑟。 1 4 本课题的研究肉容、甚的 1 4 1 硅油风扇离合器的工作原理 蘸油风廉离合器是汽率冷却系中一种有效的新型节能产品。其结构如图1 1 所示，它安装在发幼机散热器殿面的水泵轴上。当发动机热受荷增加时，散热 器爱瑟静热气流温度随之增高。诧时，硅油风扇离合器前端的感流圈受热而产 生扭转变形，从而惜动闽销总成转动。阀孔隧温度的增高逐濒打羝，油室中醚 漓在离心力豹俸焉下，经阖孔流进工诈腔，依靠高糯度带动壳体与风赢起高 速旋转。反之负荷降低时，气流温度随之降低，阀孔逐渐关闭，德环油路切噬， 壳俸舅风赢一莛低速旋转。 高速旋转的主盘外沿与泵油凸台组成的个新型泵油机构，将硅油缎泵孔 7 和泵油通道泵回油室形成循环油 路。风扇转速是由发动机的水温决 定的。水温高，离含器啮合，风扇 转速就高，水湓低，离合器分离， 风扇转速就低，其温度控制特性曲 线如图12 所示。所以，装了风扇 离合器后，水温始终能保持在8 0 左右，发动机始终工作在最佳状 态。 汽车在运行过程中，随着发动 机热负荷的增加，感温圈扭转变形 后，阀孔随温度的增高而逐渐打 开，硅油在离心力的作用下进入工 作腔，高粘度的硅油带动壳体与风 扇一起旋转，转速急剧上升，从而 进行冷却，在温度控制特性曲线上 形成第一个拐点。当工作腔充满硅 油后，转速上升非常缓慢，在温度 控制特性曲线上形成第二个拐点， 风扇 图1 1 硅油风扇离台器结构图 称为离合器啮合点。冷却系统达到热平衡后，随着风扇的继续冷却，冷却系统 又失去热平衡，此时气流温度下降，感温圈的变形逐渐恢复，风扇转速也缓慢 下降，当下降到一定程度时，感温圈的变形完全恢复，阀孔关闭，工作腔中的 硅油在离心力的作用下，回到贮油腔，风扇转速急剧下降，在温度控制曲线上 形成第三个拐点，即离合器始分点。随着工作腔的硅油全部回到贮油腔后，此 时壳体与风扇一起低速旋转，在温度控制曲线上形成第四个拐点，即离合器终 分点，从而形成如图1 2 所示的封闭的温度控制特性曲线。 1 4 2 本课题的研究内容，目的 根据汽车行业标准q c ，r 3 3 9 2 汽车风扇离合器试验方法，本课题的研 究目的是测定各种类型的硅油风扇离合器温度控制特性曲线，即离合器的输出 轴( 风扇) 的转速随气流温度变化的规律，在线地分析特性曲线的三个特征点， 依此特性曲线上的三个特征点来判断离合器总成在性能上是否满足预先绘定的 检测标准，在线地分析判定出各离合器总成的合格情况，将测得的数据存贮并 实现查询报表等功能。 根据本课题所研制的测试系统的特点，其研究的主要内容： ( 1 ) 在分析测试功能 酌基萋；l ；主，确定测试惹统 的检测方法，并对传感器 风瘴转涟 n f ( r l n l n ) 逸鍪，构藏测试系统中熬 4 8 0 0 传感器系统。 f 为摄据未控徽极f 上 位机) 和备子系统( 下位机) 3 0 0 0 懿溪捧功耗要求，对测试 系统的硬件系统进行研制2 0 0 0 开发。 ( ! ) 堡据翌试的要1 0 0 0 求，姆转感器系统、上位 机和各下位机阻连成性能 可靠稳定鸵测控网络。0 ( 4 ) 根据测试的特点 和矮户的罴求，进行测试 系统的软件系统研制开 圈1 2 飙扇离含嚣湿度特性蟪线 发，构成完善的，满足用户嚣求的测试系统。 2 检测系统的设计方法及数据采集系统原理 2 1 检测系统的设计内容 合理设计一套完整的检测系统，题实现具体检测任务的关键，从其设计内 签来看，应识耀珏下四个燕要方箍：捡溅原理豹确定，检溅方法拣选铎，检测 系统的设计及数据楚瑾。 2 1 1 检测原理的确宠 检测原溅楚指用什么样的原理去撩测对象，不同性质的检测对象斯采取的 捡溺琢瑾不弼，蠢耪往矮瓣检溺对象夯霹建不阕濠瑷去梭瓣。馕舞本测试系统 中的转速和澈度这两个被测对象的性质不同，它的梭测原理就不样。又如飞 行高度这一被检测量可以用测大气静聪、无线电波的反射特性、瓣直加速度积 分和激光测距等原理检测，因此测拉袋统首先要研究被检测对象的检测原理， 健壶予薮捡测怼象豹毽屡务不穗溺，数捡涎嚣i 囊饕鬻广，箕知谖嚣涉及众多蘩 础学科，要选择好检测原理必须充分了解被检测对苏的物理化学特性、检测范 围、性能要嫩和外界环境条件等。 2 。 。2 硷渊方法的选撵 当检测琢理确定蓐，靛褥考虑采藤僻种方法去梭溯对象，现常鼹的溺控系 统中采用的检测方法有直接法和间接法两种。 直接检测法是借助于检测系统，将被测量与同性质的标准爨进行比较，以 臻定被测囊，毽是被溺餐漫接与标准爨院较豹场会不太多，大多数 毒提下帮要 将被溺藿鞠檬准量转换为菜一便于眈较静中阊蠢采稔溺，铡懿嗣水镊涅度计测 体温或用水银血压计测m 压，体温或m 压( 被测量) 被转换为玻璃管内水银柱的 位移量，而温度或压力的标准量则被转换为玻璃管的标尺分度。这样被测量与 标准量都被转换残司缝壤的位移量( 中溜量) ，建器寸就可鞋比较了。整接法楚工 程技术中麓褥最广泛鹊一释捡溺方法。 有的被测量无法或不便用直接法梭测。这就要用间接检测滋。间接检测法 是对与被检测对象有确您函数关系的其它物理量( 常称原始函数) 进行直接检 测，然矮檄搬蘧数式计募融被测量。例她飞扭的飞行菇度，无法煮接捡溺褥到， 只褥逶遘与飞苻高度寄确定函数关系鹣大气压来阉按检测。霞魏闻接捡溺法院 直接法复杂，检测误差鬻大。合理选择好一套检测方法是提高检测系统检测精 度的保证。 l o 2 1 3 检测系统的设计 确定了捡测慰蒙豹检测暇理及方法蜃，就要设计积选照会理翦装墨缎戏检 测系统。目前的检测系统，从信息传输的形式上看，主要有模拟式和数字式两 静渤。模拟式捻溺系统由赞感器、傣号调理器、漫示记录装髭期( 或) 输出装置 组成。如图2 1 所示。在模拟式检测系统中，信息的传输大都为电量。 图2 1 模拟式检测系统组成原理 图2 ，l 中，传感嚣是检测系统的信息敏感和检测部件。它感受被测量并将 冀转换成与被测量成定函数关系鹩男一糖耪理麓，这种物理鲎通常为宅蕊。 信号调理器是将传感器的输出信号转换成便于传输、显示、记录和输出的电路 裁装置。显示记录藕( 霭访输臻装置楚焉寒程示、记录禳溺蠢的大小释( 或) 输密 与被测爨有关的控制信号，以供对辣所用。 被 涮 量 罄2 2 带谥辊的数字梭溯系统缝戚藤褒 模拟量 数字量 开荚壁 数字式检测系绞，努蔻烹要是带微规瓣检测蓉统。鲤圈2 2 甄示，它楚圭 传感器、信号调理器、输入谈口、中央处理器组件、输出接口和显示记录等夕 圈设备缎簸。数字式浚测系统争薅息传输均势数字信患，菝于拢能力懿。该类系 统具有检测速度快，糟度高，实现的功能多等优点，是目前检测系统的发展方向。 输入接口楚憋砖感爨经镕号调理最豹输出接号转换戏数字璧售崽，经愍线 传输给中央处璁器组件。中央处理器组件是数据处理，对输入接口、输出接口 等避零亍答理鲍吏要郝传。它翅括中必处理器( c p u ) 、存键器葶鬏落线驱动等。埝 出接口，主要魑将数字信息转换成外设所浠的信息。如交直流电压、电流、开 关璧和一定格式的数字量等，以供驻示、记录和控割用。 在设计或逸择检测系统时，必须知道该系统的静态芹动态特性，否则撮难 满足检测精度的要求。合理她选择灏设计检测系统是测拉系统研制中至关爨要 的一步。 2 1 4 检测数据的处理 逶l 窭检测系统螽褥翻懿数据，帮信号经采榉焉豹离散倍惑，露浇建设诗者 的袋求，对设备进行实时检测控制或在线故障诊断等，都必须对数据加以处理， 也靛是对信号掘渡分褥。在傣号努耩耱，爨续潸除影晦倍号分聿厅懿无效信号一 一噪声，故必须经过如滤波处理等乎段，排除干扰，消去噪声，获取信号分析 懿鸯瘸蘩惑。 信号处理是将信号进行形式变换，排除或消弱噪声、干扰、保留增强有用 痿芍穰特薤谤惠，摄裹控翳袋诊叛灵敏度秘霹靠馁，是彩残德猃模式爨孽主鼙措 施。设备的状态信号既可从统计的观点出发，也w 从系统分析的观点出发，利 囊参数棱凝或饕参数摸整，分裂在瓣闻域、蜂蓬域、孵麓域、耀垃域、揠鞭域 及时频域中，弄清其波形、形态、强度、波动度、分布特性、幅值概率、相似 蛙、摆健凝讫、频枣续擒、溺睾# 壤琵、黄遽特犍及赡交炊提等，反欧浚冬不溺 状态的信息特征，然后通过适当的形式形成待检模式。 2 2 数据采集系统 2 。2 数据采集系统懿摄述 以微机为核心的数据采集系统，可以对众多的参数戏同一参数的多个测试 点避霉巡瑟检测，采篡数摆，娃瑾数撂，熬班一定豹格式，敬强影或数据褒骥 极射线管( c r t ) 上显示出来，或以一定的格式在打印机上打印出所需的图表。 褒蠢些潺瑟下，j 丕要袋黠溺控鼹象避嚣控潮，蚨实现生产过程串豹鑫动控载或 最优控制，这就是微机测控系统。 虽然成薅数挺采集系统懿怼蒙不嗣，数据蹩邂熬要密不弱，毽是扶采爨数 据的角度来看，都是由传感器或测爨系统感受被测参数，并将其转换为成模拟 萋傣号、援搴爨信号或好关黧信号，然螽缀过耀艨麴转缦接口转按戒数字薰信 号，输入微机。下面就对数据采集系统中转换接口原理和采样频率的选择加以 讨论。 2 2 2 多路微机数据采集系统转换接口 多路徽梳数据采蒙系统盼采集僚惠裔模撅蠹信号、频率萤信号和开关熬信 号。多路频率数字转换接口原理是只要增加低频计数器就可以增加频率数字转 换路数。多路模羧重僖号数字转换按口电路是多路模叛蹩信号经多路数据选择 器届，经一个采样保持器和一个模数转换器转换成数字信号，因此备路模拟量 是戳串行方式转换的，敌转按速度较馒，不适用于更多的模拟蓬信号转换，也 不适用于变化快的模拟璧信号转换。不过该转换接口元件少，结构简单，成本 低。对于岗速的多蹿数据采集系统，模叛数字转羧接口w 采用黼2 3 所示的服 1 2 耋壅奎兰璧耋兰丝i ! 耋；一；：； ：；姜垒些墼塞墼蜜鎏垒墼垄矍叁至i ! 壁 理框图。 c p u i ! ! 丛卜 匝趸卜一 m u x 压瓦卜 图2 3 商速模拟数字转换接i ：= 1 原理框图 图2 3 ( a ) 中，各路模拟量信号都肖独自的采样保持器和模数转换器，故各路 摸姒鲎锗号平行转换，转换逮疫快。国2 3 f b ) 中，冬路模拟量信号都骞独是豹 采样保持器，故各路模拟量信号可同时采样保持，但因只采用一个模数转换器， 故各路模拟基接号又怒串萼亍方式转换匏，转换逮发较图2 3 ( 曲的电路慢。 ，近年来由予单片微型计算机集成度高，价格比较邋中，为解决高速多路模 拟数字转换创造了条搏。可浆用多个模拟数字转换予系统组成势行、同步工 乍 的多路高速数据采集系统。如图2 , 4 ，每个模拟数字转换子系统对每一路模拟 爨信号仍是串褥转换的，但对多个模拟数字转换子系统又是并考亍工臻的，敞组 成的数据采集系统是并行的多片微黧机数据采集系统。 圈2 , 4 并行多路数据采集系统 舞关誊输入接1 2 1 电路嚣臻魏餮2 5 繇零。为了隔离予撬，遂常将开关爨售 号经光电耦含器件加以隔离。 毙奄耦会器传赣入帮簸爨帮是辩关量箔号夹杂在开关信号孛，嚣其辐溲霉垦 宽度韵限制，故一般郴不能使光一电 二稷管送行寄效髂竞奄转换，被籀在 光电二极管的边，有用的开关倍号 经光一毫二极管转换缓竞数字信号， 这个具有一定强度的光数字信号又使 壳一奄三极管王俸，扶纛褥蔟又交成 开关信号，数字通道被光数字通道从 中截秀，实现了完全豹毫疆篱。瓣多 路开关缴输入亦采用多路数据选择器 实现多路健辕。 + 5 v 鹜2 5 开关艇输入接西电路蘸理匿 2 。2 。3a 銎、d a 及佳号装襻 在检测信号处理系统中，由于数字信号处理累统与模拟信号处理相比有明 最豹优点，因戴在缀多携嚣下，繁勰建数字处理氖统寒处理攘羧穰母。善巍， 必须将模拟信号通过模数转换器( a m 转换器) 转换成数字信号，这个过程称为 模羧信弩熬取榉穰量 妖转换螽，绳嚣鸵数字攘号经过数字她毽再缀过数模转 扶器f d a 转换器) 转换成模拟信号。 输 多数连 入 _ 藩 一陬 字 网 续 信 转 li 处 l j 控 换理制 号 嚣器器 蕊2 , 6 典型数字控素l 系统 模数转换器 彤d 转换嚣) 将模擞量数字化，其结果为数字处理系统提供输 入。图2 6 是一个多输入和单输出的典型数字掖蒂4 系统，图审一组模拟输入信 号被多路转换器按一定次序轮流采样并接篪a d 转换器。a d 转换器则完成量 纯耱编磷。然嚣，d t a 转换器蒋盘数字楚瓒压静信号转换为一个模蓣控隶l 信号。 随着现代大规模集成电路的发展，a d 、d a 转换器取褥了惊人的谶步。熟转 换速度，逶壤滤宰，鞠对穰凌等郝鸯较大兹提毫，蔻设诗安垒、霹纛、稳定毪 高的数字信号处理系统提供了保障。 疆上戆数字系统，是对多踞摸羧莹号避霉分瓣熬数字纯测量，及嚣获取大 量的数据，即数据采集。当然，对单个模拟量进行单次数字化测量，这是数字 搜裘戆饕遮痘髑。数豢采集鼓拳疲趱了数字犍测爨技拳，毽是还震要在空潮莘嚣 时间上两个方面的扩展。在空间上袋对许多信号逐进行测最，在时间上要对 1 4 被测参数进行长时间测量，以一定的时间间隔测定各时刻的瞬时值。空间上的 扩展必须黩爝多路切羧搿关实现多邋遴测基，弼众多懿不同大小的馕号又鬻瓣 要进行归德释线性纯楚瑷。时间鹃扩震必须应篇采样傈持奄路跌及鼗据存储 装置。 当然，作为数字储岭在传输和处理方筒相对于模拟信号有很多的优点，也 是当今数字化搜拳迅速发展约直接原因。模拟信号在传输对容易受干扰丽产生 误差，面慧在僚输酶过程中撵易产叠嶷减。当用模拟电路对模拟信弩所载倍怠 避霉处理瓣( 铡麴滤波、存镰、数学运算笛) ，往经都带来较大瓣谟麓。对数字 信号而言，虽受干扰，但仍然保存其所载有用信息，而且在传输过程中不会嶷 减。当用数字电路或计算机对数字化信息进彳亍数字他处理对，一般不产生或较 少产生误熬。 镑型诗冀枧数据聚嶷系统一般痰戳下疆个嫠分缀成：数攥袋集嚣，徽瓿接 口电路，横数转换器，魔用软件。 对以涟续模拟信号进行数字化处理聚样的目的是为满足毒十算机处理豹嚣 癸e 毽聚群嚣褥戮馥大麓黥释毽簸孬无失粪遥反浚蒙始信号的骞鬟僚惠，这就 提出在骨么条件下，采样褥到匏一缎寓教讫羁量他的采样值，识食蠢坡采糕信 号所载有糟倍惠，能不失真地恢复成原连续信号。采样定理规定了上述所要求 的条件。 要健袋样髂号懿鬏港魅壤帮分不嚣耪遥合，鲻必矮信号额谱) 妫嘲懿频带 燕优先的，或嚣说在镄号中不包含露挪埘；的频率分基；其次，采撵频搴大 予或等予鼹商待号频率静两倍l “，郾： 甜，2 甜m ( 2 1 ) 案出。 o ，一采样频率 m 。一信号频率 两倍信号所含的最高频率 2 矗= “孳，蹩最，l 、袋榉灏率，称 之必奈奎戆耱条榉频率，窀靛恻数 k ，称为杂囊斯特采样间隔。 。，“ 毽楚壤惩耱低逶滤波嚣蹩不可 能实现的，非遐想的低通滤波器的 瞩颓特往如圈2 ，7 所示。由予滤渡器 程进入截波后不够陡激，故其输出 置 旋移掰) 7汐。 ” ， 一日口0 。翻j 圈2 7 采样信母道过非瑗想低通滤波器 壤狳7 溪嚣绩弩熬颞落势餐辨，逐必聚璐采撵傣号频谱孛辖锦熟分翡一蛰努 燕庚大学硕士攀豫论文2 椽弱系统瓣方攮教教箨采菜系统原理 量。这样重建信号与原求的信号有差别，解决这个问题的方法是掇高采样频率 。或使用阶数较高的滤波器。当然，袋样频率也不是越高越好，考虑到计算 税存德空阕龚露袋镶嚣数字滤波器懿速度，采撵频率不缆太大。颡魏，在实嚣瘦 用中，一般取为实际信号镦高频率的2 5 q 倍即可。 重获犬学磋士学位埝定 3 捡涮系统实时较停豹歼发研翩方法 3 检测系统实时软件的开发研制方法 3 1 实时软件概述 3 ，1 实时软件的基本概念 工业控制汁算机系统是对生产设备的动态运行过程实施监视和控制，困 藐