（机械设计及理论专业论文）车用空压机性能试验装置的研制.pdf

摘要 车用空压机是汽车制动系统的核心部件，其质量直接影响着汽车的安全性能。 本文根据东风泵业有限公司提出的车用空压机性能试验装置的技术要求，对车用空 压机性能试验装置进行了设计与研制。该试验装置的成功研制，解决了康明斯及雷 诺二种车型的车用空压机性能试验自动化检测的难题。 针对车用空压机性能试验装置的要求，对车用空压机性能试验装置进行了总体 设计，根据压缩空气的特性及车用空压机的特点，对该装置关键部件进行了选型和 研制。 根据该性能试验装置控制系统的要求，对该装置进行了总体控制系统的设计， 针对被控量的特性和实际运行情况，利用飞升曲线法得出各个控制子系统的模型算 式，及模型参数。 本文在获得了各控制对象的特性参数和p i d 参数后，从控制理论上对排气压力、 吸气压力、冷却水温度和润滑油温度控制系统的性能进行了分析。分析中综合运用 了时域分析法。在整定后的p i d 参数并不能得到满意的自动控制性能的情况下，利用 m a t l a h 仿真软件的功能，对p i d 参数进一步整定进行了充分的研究。 经过测试及数据分析，本文所研制的试验装置达到国内同类产品的先进水平， 通过与国家中心的试验数据比对，数据的偏差远小于该试验方法所允许的理论偏差： 并且该装置在国内汽车零部件生产行业已经推广应用。 关键词：车用空压机计算机控制系统性能测试p i d 控制 a b s t r a c t m o t o rv e h i c l ea i rc o m p r e s s o ri st h ec o r eo fb r a k es y s t e mc o m p o n e n t s ，t h eq u a l i t y d i r e c ti m p a c to nt h es a f e t yp e r f o r m a n c o fm o t o rv e h i c l e s ，a i rc o m p r e s s o rp e r f o r m a n c e t e s t i n gd e v i c ep l a y sav i t a lr o l eo f t h et e s tr e s u l t si np r e c i s i o n 。 f o rv e h i c l ea i rc o m p r e s s o rp e r f o r m a n c et e s te q m p m e mr e q u i r e m e n t s ，t h ev e h i c l ea i r c o m p r e s s o rp e r f o r m a n c et e s t i n s t a l l a t i o n so ft h e o v e r a l l d e s i g n , a c c o r d i n gt o t h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o m p r e s s e da i ra n dv e h i c l ea i rc o m p r e s s o rt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e k e yc o m p o n e n t so fa d e v i c es e l e c t i o n a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c et e s td e v i c ec o n t r o ls y s t e mr e q u i r e m e n t s ，t h ed e v i c eh a s o v e r a l lc o n t r o ls y s t e md e s i g n , i nv i e wo ft h ec h a r a c t e ra n dc h a r g e dw i t ht h ea c t u a l o p e r a t i o n , t h es o a r i n g 璐eo fc u r v e st h a tc o n t r o lt h ev a r i o u ss u b s y s t e m so ft h em o d e l f o r m u l a , a n dt h em o d e lp a r a m e t e r s t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h ep e r f o r m a n c eo fe a c hc o n t r o ls y s t e mw i t hc o n t r o lt h e o r y t h em e t h o do ft i m ef i e l da n a l y s i sa n df r e q u e n c yf i e l da n a l y s i si su s e dw ef u r t h e ra n a l y z e t h em e t h o d st oi m p r o v et h ep i dp a r a m e t e r sw h e nw ec a nn o ta c h i e v et h es a t i s f a c t o r yp i d p a r a m e t e r sb ye n g i n e e r i n gt u r n i n g t h em a t l a bs o f t w a r ea r eu s e di nt h es y s t e ma n a l y s i s t h er e s u l to ft h i sd i s s e r t a t i o ni su s e di nt h ep e r f o r m a n c et e s t i n ge q m p m e n tf o rm o t o r c o m p r e s m rt h a tw em a d ef o rd f a c t h i st y p eo ft e s te q m p m e mt ot h ea d v a n c e dl e v e lo f s i m i l a rp r o d u c t s , a n di nt h ed o m e s t i ca u t o m o t i v ec o m p o n e n t sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yh a s b e e np r o m o t i n g k 呵w o r d s ：v e h i c l ea i rc o m p r e s s o r , c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，p e r f o r m a n c et e s t ，p i d c o n t r o l 图1 - 1 图1 - 2 图2 - 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 - 4 图2 - 5 图2 - 6 图2 - 7 图2 8 图2 9 图2 - 1 0 图2 - 11 图2 1 2 图2 1 3 图2 - 1 4 图2 1 5 图2 一1 6 图2 一1 7 图2 - 1 8 图2 - 1 9 图2 - 2 0 图2 - 2 1 图2 - 2 2 图2 - 2 3 图2 - 2 4 图2 - 2 5 图3 - 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 插图清单 在线检测装1 耐久性试验装置1 康明斯车用空压机4 雷诺车用空压机4 压缩机性能试验简易图5 主操作台架6 集中测量控制室”：6 辅助台架7 低压箱7 系统流程图”7 拖动控制原理图8 润滑油循环系统图8 水冷却循环系统原理图9 数据测量采集原理图1 0 d c s 控制布局图1 0 工作原理“1 i m 4 4 0 变频器1 1 s r 一9 3 数显控制器1 2 排气压力调节阀一1 2 进气压力调节阀1 2 s 7 - 2 0 0 p l c 实物连接图1 3 开机画面1 4 现场参数实时画面1 4 系统流程监控画面1 4 参数设定画面1 4 数据流程图”1 5 基于v b 的测试软件界面1 5 计算机简单测控示意图1 7 集中监控柜面板2 l 集中监控柜内部2 l 系统采集原理图1 9 控制回路原理1 9 v 图3 - 6 图3 - 7 图3 - 8 图3 - 9 图4 - 1 图4 - 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 - 6 图4 - 7 图5 - 1 图5 - 2 图5 - 3 图5 - 4 图5 - 5 图5 - 6 图5 - 7 图5 - 8 图5 - 9 图5 - 1 0 图5 - 1 1 p l c 模拟量采集电路图”o d oooqomoob ooddoo oogo d doooo ooooooo ooooooooo ogoooo0 2 0 加热温度控制原理2 2 水( 油) 温度控制系统原理图2 2 排气压力调节控制原理2 3 单闭环反馈控制原理2 5 系统测控原理图2 8 单位阶跃响应图2 8 排气压力控制系统方框图3 2 吸气压力控制系统方框图3 3 水温度控制系统方框图3 4 油温度控制系统方框图3 5 排气压力飞升曲线拟合3 7 吸气压力飞升曲线拟合3 9 油温飞升曲线拟合4 l 排气压力p i d 整定4 4 吸气压力p i d 整定4 5 油温控制阶跃曲线图4 7 实测排气压力的调节值”4 9 排气压力阶跃响应仿真图o ooo o ooo ooooigg 5 2 吸气压力阶跃响应仿真图5 3 实际排气压力控制效果5 4 实际p i d 参数整定数值5 4 v l 附表清单 表2 1 测量参数的波动最大范围5 表4 - 1 常用频率特性的曲线3 0 表5 一ll l 缶界比例参数整定公式4 2 表5 2 参数整定近似公式4 3 表5 3 飞升曲线法参数整定公式4 4 表5 - 4 技术协议中的控制精度要求5 2 k ，比例增益 l 积分时间常数 主要符号表 乃微分时间常数 万，比例带 形，对象传递函数 形月调节器传递函数 丁 时间常数 加热器功率 矿d 开环传递函数 矿c 闭环传递函数 c ，阶跃信号副值 尸压力 乙水温度 乙润滑油温度 f 调节阀开度 独创性声明 本人声明所呈的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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 获得安徽农业大学或其他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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：少场年g 月岱日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文件，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽农业大学可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，收录到中国学位论 文全文数据库，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文，向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适 用本授权书) 。 学位论文作者签名：馏 签字日期：钐弼年月哆日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通信地址： 指导教师签名： 签字日期：加留年石月莎日 电话： 邮编： 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 汽车工业是国家的重要产业，自改革开放以来我国汽车工业得到了飞速发展， 现已成为国民经济支柱产业之一。汽车整车产业带动零配件生产的迅速增长和销售 市场的激烈竞争，高端产品的关键零部件的国产化、本土化需求越来越大，加强汽 车技术的研究和开发，提高我国汽车工业的设计和制造水平，增强竞争能力，将对 我国汽车工业的发展起到重要的推动作用。 随着我国汽车工业的快速发展，汽车零部件生产也进入到全球采购市场，二汽 已经为国际著名大公司生产汽车用空气压缩机，车用空压机的产量、质量要求也不 断提高。车用空压机作为大中型卡车和客车的关键部件之一，国际大公司对质量有 着严格要求；我国汽车行业对其的品质和生产过程的质量控制也有着明确的技术规 定。对质量缺陷和不合格产品在出厂前做出既准确又快速的判断和筛选，对正常出 厂的合格产品建立质量跟踪档案。具有重要的质量和安全意义。u 圳 伴随微电子、计算机和信息技术的发展，控制技术已由经典的反馈控制、数字 控制发展为以状态参量为基础，由多变量自适应控制、模式识别、系统仿真、人工 智能等新技术所构成的现代控制技术。控制技术的发展和应用，使机械设备及工程 系统产生了新的飞跃，也必然为压缩机性能测试带来变革性的影响，因此如何利用 先进的控制技术，代替传统的开关、继电器控制，从而提高系统的可靠性，及时发 现故障并进行故障诊断，故障排除等一系列的问题，己愈来愈受到国内外生产厂家 和学者的关注脚。 压缩机的传统控制方式以开关、继电气、接触器为控制件，这种传统的控制方式 己在八、九十年的历史。伴随微电子和信息技术的发展，国内外有关厂家和学者已 将电子器件的信息处理和控制功能揉和到机械装置中，应用机械电子、信息等相关 技术，使装置的功能水平和自动化程序大大提高，。使产品一般具有自动控制、自动 补偿、自动校验、自动量程、自动调节、自诊断、自恢复等各种功能n 】。 为东风泵业公司研制的压缩机性能测试台中，利用了p l c 和s r 9 3 控制器对各性能 参数进行p i d 控制，综合运用了国外的先进的仪器，通过理论分析和实验研究，使之 达到了与国家检测中心的压缩机性能测试台的同等精度，在系统结构的合理性和自 动化程度上达到国内先进水平，同时为东风泵业公司在新产品研发上提供了可靠的 试验数据。 12 研究现状的综述 空气压缩机己经有了很长的发展历史，随着我国汽车工业的发展，对车用空气压 缩机的需求量增大，车用空气压缩机的性能进行测试也越来越引起人们的重视，目 前国内在车用空气压缩机性能检测研究领域中还是空白；合肥通用机械研究院国家 压缩机检测中心孙晓明研究员等为东风泵业公司成功研制了国内首台车用空压机在 线检测装置图卜l ，及国内首台汽车用空压机耐久试验装置图卜2 ，在此基础上为东 风泵业公司研制了国内首台车用空压机性能试验台酬。 田1 一l 在垃检刊差量 f i 9 1 - i ii n od e t e c t imd i s 目1 2 耐久性试嘧装置 f 1 02 - 1d u r a b ii t yt o s te q uj p m e n t 目前在空气压缩机领域，虽已有较多的压缩机性能测试装置投入使用，但直到 最近几年对压缩机性能测试装置的研究才逐渐有了较多的研究。但目前的研究主要 集中在测试装置的组成和结构的改进上。对压缩机性能测试系统中的控制系统的研 究以及针对车用空压机的特点研究的性能检测装置还很欠缺u 引。总的讲来，压缩机 测控技术的发展趋势是： ( 1 ) 采用e a s y - c o n t r o l 等软件，开发压缩机测控系统专用软件用触摸式显示屏显 示运行工况，绘制形象、直观的流程图、开发方便、友好的菜单界面，从而使操作 更为方便。 ( 2 ) 采用智能控制，利用新的控制模型，使测控系统在性能预测、故障报警、控 制调节等方面有所创新。 ( 3 ) 充分借鉴在压缩机的性能模拟方面已取得的成果，准确预示变工况性能，使 压缩机运行在最佳状态，从而提高整个机组的性能。 ( 4 ) 充分利用单片机小巧、灵活、成本低、易于产品化、能方便组装各种智能控 制设备和仪器的特点，开发智能型、经济型的压缩机测控系统，对原系统进行技术 改造，以节约资金。 ( 5 ) 由于可编程控制器p l c 体积小、可靠性强、技术成熟，特别是它的抗干扰能力 强，适合压缩机运行的恶劣环境，因此进一步推广p l c 的应用，以改造传统的控制系 统，提高产品的自动化水平 1 。3 本文的主要工作 1 ) 根据通用空压机检测的要求，结合汽车空压机的特点总体介绍汽车用空压机 系统的结构组成和各关键部件的选型。 2 ) 汽车用空气压缩机性能测控系统的总体设计。 3 ) 汽车用空气压缩机控制系统的动态分析及建模。 第二章车用空气压缩机性能试验方法和试验装置的设计 2 1 概述 我国汽车工业自改革开放以来得到了飞速发展，现已成为国民经济支柱产业之 一。汽车整车产业带动零配件生产的迅速增长和销售市场的激烈竞争高端产品的 关键零部件的国产化、本土化需求越来越大。 随着我国汽车工业的快速发展，汽车零部件生产也进入到全球采购市场，二汽 已经为国际著名大公司生产汽车用空气压缩机，车用空压机的产量、质量要求也不 断提高。车用空压机作为大中型卡车和客车的关键部件之一，国际大公司对质量有 着严格要求；我国汽车行业对其的品质和生产过程的质量控制也有着明确的技术规 定。对质量缺陷和不合格产品在出厂前做出既准确又快速的判断和筛选，对正常出 厂的合格产品建立质量跟踪档案，具有重要的质量和安全意义。 产品相关标准明确规定了每台产品出厂前必须对其性能进行检测，- - - 0 0 三 - - - 0 0 六年期间，合肥通用机械研究院通过与二汽泵业公司有关人员的接触交流以 及相关的调研工作，比较详细地了解到车用空压机出厂检验和考核的具体要求和目 前方法和设备的缺陷。为东风泵业公司成功研制了汽车用空压机在线检测台，汽车 用空压机耐久试验台，- 0 0 六年八月与东风泵业公司签订了汽车用空压机性能试 验装置，为其康明斯图2 - l 和雷诺图2 - 2 汽车用空气压缩机生产项目研制性能检验装 置。 田2 _ 1 晴斯车用空压机 f i 9 2 。ln _ ；e h ic l ea lrc r s s s o p 田2 - 2t 诺车用空压机 f 1 9 2 - 2r n a l i tv h i irg f e s i o r 2 2 一般通用空气压缩机性能试验方法 根据g b 3 8 5 3 - 8 3 一般容积式空气压缩机性能试验方法，测试过程中各测量参 数及允许的波动范围见表2 1 裹2 - i 测量参数的波动最大范围 t a ble2 - 1u e a s u r e m e n tp a r a m e t e r so ft h em o s t f iu c t u a tio n sr a n g e 0 0 圈2 - 3 压缩机性能试验简易图 f i g 2 - 3s i m p l eg o l n p r e s 8 0 rp e r f o r m a n c et e s tf i g u r e 一般容积式空气压缩机性能试验方法的要求 1 ) 允许运转参数与规定值之间的最大相对偏差及测试过程中运转参数的波动范 围在符合表l 的规定条件下，按本标准规定的方法测试，然后推算出压缩机在 规定工况下的性能。 2 ) 所有钡i 试用仪器仪表的精度应符合本标准的规定，并经过计量部门检验合格。 3 ) 试验前应对试验系统中的全部设备、连接管路、测压点、测温点作密封性检 查，不应泄漏。喷嘴内表面应清洁，不应有油垢等拈着物。 4 ) 一般窖积式空气压缩机性能试验方法系统简易图2 3 5 ) 压缩机排气量q 。计算公式( 2 1 ) q 0 = 1 1 2 9 1 0 “c d 2 t 式中：t ：级吸气温度，右下脚标数字表示级别( 单位k ) t 喷嘴前气体温度( 单位k ) p 0 试验处大气压力( 单位k g f c m 2 ) p o 喷嘴前后压力差( 单位m 】 i 。0 ) c 喷嘴系数 d 喷嘴直径( 单位m m ) 2 3 汽车用空气压缩机性能试验装置总体设计 2 3 1 试验装置的总体结构 ( 2 1 ) 以g b3 8 5 3 - 8 3 一般容积式空气压缩机性能试验方法为基础，结合汽车用空压机 运行工况的特点，该试验装置主要有下列部件组成，润滑油循环系统、水冷却循环 系统、电力电子拖动机构、测控系统见图2 - 5 、主台架见图2 4 、辅助台架见图2 - 6 、 低压箱见图2 7 等组成 围2 - 4 主操作台架 f g2 - 4t h e 怕i nc o , s o ieb e n c h 田2 - 5 集中测量控制宝 f g 5f o c u so n m a s u r ；n ga n dc o n t r o i 氏 田2 _ b 辅助台桨 f i g2 a u x i i iar y o leb e t h 围2 - 7 低压籍 f k2 _ 7i 靠p p o s g u r eb o x 整个装置设计以突出结构紧凑、适合实验室布局特点整体设计时还充分考虑 到结构的刚度与强度、抗高次谐波电磁干扰、减少振动现象、避开宽调速共振区、 降低整机噪声等因素；在工业造型上既考虑到美观大方又充分考虑到人机互换功能 以方便客户的使用。“。流程图如下图2 - 8 田2 - 8 系统流程暗 f 1 52 - 8t l - s 6g , - , a r to fs y s t 2 3 2 电机拖动机构设计 根据空压机检测的要求，将该拖动系统设计成以变频拖动作为控制部分，轴传 动作为传动机构的拖动方式叫。具体设计如下图2 - 9 2 3 3 油润滑循环系统 圈2 9 拖动控制原理图 f i k 2 - 9t h ep ri n c i p l eo fc o n t r o l8 b o u td r q 压缩机运转时，其内部的活塞环、活塞与缸套之间：活塞与连杆小轴之间：活 塞连杆与小轴、曲轴之间；曲轴两端滑动轴承内均需给油润滑润。为此本装置设计 了油润滑循环系统。油润滑系统设计依据为压缩机的润滑主参数：供油压力 0 0 2 0 4 1 v 1 7 a ，供油量3 l m i - 。润滑系统循环原理如图2 1 0 所示； 油路中还设置了压力传感器，油压超过设定的上限值或低于设定的下限值，电 控系统均将强制停止装置的运行以保护空气压缩机不被损坏。另外系统配置上，在 油箱内也安装了液位传感器，当液位到达最低限时，液位传感器给出电信号，由电 路控制程序给出停止运行指令，以对装置进行保护嗍。 田2 - 1 0 润滑油循环系统图 f ig 2 _ 1 0l u b r i o a n t sc j r g u l a t o r ys y 8 1 ：e l l lc h a r t 8 2 3 4 水冷却循环系统 空气压缩机运转过程中，由于活塞压缩气体做功产生热，还有机内各磨擦副高 速运动均产生大量热，这就使得压缩机机体产生持续的温度上升，必须对压缩机进 行降温h 7 1 。本装置设计了一套冷却水循环系统。水冷却系统原理如图2 1 1 所示，水 箱内设置了最低液位控制器，当水位下降至最低限时，液位控制器动作，给出电信 号，整机电控系统立即停止整机运转同时发出警报信号。水箱中安装了温度传感器， 可以适时监控水温变化。 2 3 5 测控系统设计 围2 - 1 1 水冷却循环系统原理图 f i g 2 - 1 1p r i n c i p l eo fc o o li n gw a t e rc ir c u l a t i o n 根据东风汽车泵业有限公司提出的功能要求，结合合肥通用机械研究院在压缩 机专业和机电一体化专业的技术经验和现有试验方法。针对本项目提出的新的试验 方法和多项功能在电气控制系统方面提供具体的实现措施，以提高了试验装置工作 的功能性、稳定性、准确性、可靠性和自动化水平将该系统设计成数据采集部分见 图2 一1 2 与控制系统部分。 。 通过对汽车用空压机性能试验装置技术协议书的要求，将该控制系统设计成集中与分散相 结合的集散式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 。具体框图如图2 1 3 。 9 2 36 工作原理 田2 _ 12 数据翻采羹原理田 f i 2 - 1 2p r i m i 】i o f 0 u r _ - n td a t a i o c t i 田2 - 1 3d 控制布局圈 f l | 1 3d c a r l r o ll a y o u t 系统的工作原理如图2 1 4 所示，通过现场的仪器仪表将现场的空压机运转实 时送入到数据采集模块，采集模块与工控机之间通过串口通讯将数据送入到计算机 中，通过组态软件将采集模块送入的数据实时显示并监控，数据测试软件是将组态 软件中的数据进行计算并判断空压机的性能是否达到设计要求：可编程控制器是将 现场的所有故障信号集中起来，反馈到拖动系统中，以实现闭环控制1 。 嘀f 五可冒 工控机 组杏监 空车c f # 蒯t # # # 2 4 关键部件的选型 2 41 拖动系统的选型 田2 - 1 4 工作原理围 f i e2 - 1 4p ip i ao f r k 拖动系统是该试验台的核心部分，拖动系统的稳定性直接影响着数据的精确度： 同时根据空压机性能试验台的要求，所选用的拖动系统具有较宽范围的调速带，必 须具有良好的环境适应性，在不同的工况下能可靠的工作，低燥声等，根据以上的 技术要求试验台的拖动系统采用交频拖动的方式，变频器选用西门子m 4 4 0 ，电机选 用交流异步感应电机嘲。 册z - t 5 4 帅变撅器 f i g2 - 1 5 1 4 0c l6 肝a 水路压力：( 02 d p a 排气温度： 2 5 0 c 油路压力： t 戬时，控制器发出命令，断开加热电源，温度下降到设定值 ( 2 ) tu t 黻时，控制器发出命令，闭合加热电源，温度加热到设定值n 町 具体控制过程如图3 - 7 。 实 甘 量 度 开 关 控 _ 量 田3 7 加热温度控制原理 f i g 3 - 7t e m p e r a t u r ec o n t r o lp r i n o i p l e 根据以上分析，结合本试验装置水温油温的控制精度的要求采用过程变量开关 式控制，该系统的水油温控制原理图具体如图3 8 。 t 撇 图3 - 8 水( 油) 温度控制系统原理图 f i g 3 - 8w a t e r 抽i i ) t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ms o h m a t i o s 3 4 排气压力调节控制系统的设计 排气压力控制的稳定性是测量数据的精确度保证的前提条件，压缩机排气压力的 控制精度为1 0 以内，并且调节周期波动时间不能太短至少在1 0 秒以上，所以排 气压力的控制要求必须采用闭环控制，根据该试验装置的技术要求将闭环控制设计 成介于模糊控制与经典的p i d 控制的闭环控制系统，具体原理控制如图3 - 9 示。 通过缓冲罐上的压力传感器将缓冲罐中的压力转换成电量( 4 - 2 0 m a ) 进入到p i d 调节控制器，p i d 控制器根据设定值与实时测量值做比较给出调节信号，给出的调节 信号进入到电动调节阀中控制调节阀的开度，从而对排气压力实时动态调节控制，压 力调节的设定值以及p i d 参数的整定都是由上位机来完成具体如何来完成在后续章 节逐步介绍。 3 5 本章小结 圈3 - 9 排气压力调节控制原理 f ig 3 - 9e x h a u s tp r e s s u r er e g u l a t o rc o n t r o lp r i n c i p l e 该章节主要介绍了车用空压机的测控系统组成，以及该测试系统中的所要检测 与控制的参数量，同时简单扼要地介绍了测试系统的软件组成，同时该章节为下章 节的理论分析奠定了基础。 塑 4 1 概述 第四章汽车用空气压缩机控制系统的建模 自动控制系统的设计可以分为两大类：一类是构成达到控制目标的最优系统，即 最优设计；另一类是构成满足设计任务提出的特性的控制系统，即特性设计。特性 设计常用的方法有分析法和综合法。综合法又称为希望特性法，这种方法的大致步 骤是：首先根据性能指标的要求，确定出希望的开环系统特性；然后，把希望特性与 系统不可变部分特性进行比较，从而确定校正的方式和校正装置参数1 。分析法的 大致步骤是：首先选择一种校正装置；然后分析和鉴定系统的性能指标，确定校正装 置参数。如果所选择的校正装置不能满足性能指标要求，则重新修改校正装置，直 到校正后的系统全部满足所要求的性能指标为止n 帕。 车用空压机性能试验台主要测试压缩机排气量及各性能参数。根据国标的要求， 要在工况稳定后进行测试。“工况稳定 是指空压机测试系统的排气温度、喷嘴温 度、吸气温度、水温、润滑油温及喷嘴压差稳定下来，这就是测试系统的控制任务， 由于吸气和排气温度、喷嘴压差可以直接稳定，实际被控性能参数取为吸气压力、 排气压力的水、油温度它们分别通过节流阀开度、排气阀开度和加热器功率来控制 n 町。部分参数间存在耦合，但程度大都很弱，对系统的自治性影响不大。在本实验 装置中，采用s r 9 3 控制器来实现对各性能参数的p i d 控制。所以，需要确定控制对象 的数学模型，确定控制系统不可变部分的特性和参数，同时设定p i d 控制器的可变部 分参数，然后根据控制系统的要求对控制系统的性能指标进行分析m 1 。 4 2 车用空气压缩机性能参数的自动控制系的组成及特点 性能参数的自动控制系统属于过程控制系统，其特点如下： i 、系统由系列过程检测控制仪表组成，主要利用气动仪表、电动仪表、组装式 仪表、智能仪表、电子计算机等自动化工具来实现测试过程的自动化。为了设计系 统方便并达到预期的控制效果，必须根据测试标准的要求，选用过程检测控制仪表， 组成控制系统，并通过对控制系统参数的整定，从而获得准确的测试结果。 2 、控制对象繁多，它们的动态特性一般是惯性大，而且具有非线性特性。它们 的工作机理较复杂，很难用解析方法得出其精确的动态学模型，它们的动态特性的 时间常数和滞后都较大。 3 、控制过程属慢过程，这是由对象的特性所决定的。属参量控制，需对测试过 程中温度、压力、等过程参量进行控制。因此需要根据测量过程参数的仪表的主要 性能、特殊性点，根据测试标准的要求和反馈控制理论的分析方法，合理正确地构 成控制系统，系统运行在最佳状态并通过改变仪表的p ( 比例) 、p i ( 比例、积分) 、 p d ( 比例、微分) 、p i d ( 比例、积分、微分) 特性参数，使系性能参数的自动控制采 用的是反馈控制，它是根据系统被控量与给定值的偏差进行工作的，最后达到消除 或减小偏差的目的，偏差是控制的依据。性能参数的自动控制属于定值控制系统， 即指在运行时，系统的被控制量( 温度、压力等) 的给定值不变，另一个值。对定值 控制系统来说，当然也可根据要求，将给定值从某一值改变到由于给定值不变，所 以系统的输入是扰动信号n 钔。 典型的定值单回路反馈控制系统方框图如图4 - 1 ，图中，式y ( t ) 是被控参数，是 在测试过程中要求保持定值的参数，是对象的输出信号。f c t ) 是扰动作用，它是在 测试过程中引起被控参数波动的外来因素，它是作用于对象的输入信号。q ( t ) 起调 节作用，是影响被控参数变化的因素，也是调节机构的输出信号。式中z ( t ) 是被控 参数的测量变送仪表的输出信号，它与给定值信号x ( t ) 进行比较得到偏差信号e ( t ) ， 并送往调节器。调节器根据偏差信号e ( t ) ，按一定的控制规律发出控制信号p ( t ) 送 至调节机构，使其动作来克服扰动的影响，调节被调参数达到给定的数值嘲。 图4 - 1 单闭环反馈控制原理 f i g 4 1s i n g l e l o o pf e e d b a c kc o n t r o lt h e o r y 4 2 1 性毹参数的自动控制系统的组成 在压缩机性能试验台中，所需要控制的主要性能参数为排气压力、吸气压力、 冷却水温度和润滑油温度。在对它们进行控制时主要用到的仪表有压力传感器、温 度传感器、s r 9 3 控制器、西门子$ 7 - 2 0 0 系列可编程控制器以及数据记录仪和计算机。 系统构成如图4 - 2 所示。 图4 - 2 系统测控原理图 f i g 4 - 2p ri n c i p l eo fm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e m s 4 3 性能参数自动控制系统的数学模型 对自动控制系统进行分析通常采用两种方法：1 、时域分析法；2 频域分析法下 面将对这两种方法分别予以简要介绍伍1 。 4 3 1 时域分析法 时域分析法是一种直接分析方法，它是根据描述系统的微分方程或传递函数 求出系统的输出量随时间变化的一种方法。 4 3 1 1 典型的控制过程 在实际应用中，各种控制系统的输入信号是不相同的，有的甚至事先无法知 道。系统的初始状态也会不同。因此，在分析和设计系统时，为了比较系统性能 的优劣，揭示系统的内部特征，需要有一个对各种控制系统性能进行比较的基础 和标准，也就必须对系统的输入信号和初始状态作一些典型化处理咖。 1 典型初始状态 规定控制系统的初始状态均为零状态。即在t = o 时 c ( 0 。) = c ( 0 一) = c ( 0 。) = 、= o ( 4 1 ) 这表明，在输入信号加于系统的瞬间( t = o ) 之前，系统是相对静止的，即被 控量及其各阶导数相对于平衡工作点的增量为零。 c ，= 二!二二 c 4 - 2 ) t u ( ，) = t 0 t l ( 4 - 3 ) 式中的却( ，) 常省略。斜坡函数又叫速度函数，如果其速度为r ，则斜坡函数可表 示为r 。在实际系统中，这意味着一个随时间以匀速增长的外作用，它可用来检测系统 匀速运动的性能。 ( 3 ) 单位加速度函数i 1 t2 u ( ，) t l 的时候，会使系统的开环增益加大， 系统的稳态误差减小，提高系统的快速性。但它同时也会使系统的相对稳定性下 降，超调量增大。实际应用中一般不单独使用。 2 、积分( i ) 控制规律 积分控制的输出反映的是对输入信号的积累，因此当输入信号为零时，积分控制 器仍可以有不为零的输出。采用积分控制可以提高系统型别，以消除或减小稳态误 差，但它同时也会使系统稳定裕量下降，超调增大。实际应用中一般不单独使用。 3 、微分( d ) 控制规律 微分控制的输出信号是与输入信号的变化率( 即输入信号的导数) 成正比的，因此 它只在动态过程中才有效，对恒定状态起阻断作用。所以微分控制在任何时候都不 能单独愈被控对象串联使用。当输入信号的变化愈剧烈，输出信号愈大，具有预见 性的控制作用，它可以改善系统的平稳性和快速性。 4 4 2p i d 控制规律 在控制糸统中米用p i d 控制既能改吾系统的稳态性能，又可以堤商系统阴相对 稳定性和快速性，即动态性能。因此可以全面提高系统的控制性能嘲。在控制系统中， 采用p i d 控制，其算式为 嚣= k p ( g + 寺，列，+ l 争 ( 4 1 0 ) 写成传递函数形式如下 班器q 两i 嵋s ) ( 4 - 3 l 其中后，为比例增益，吒与比例带万成倒数关系，且 jk p = 吉，正为积分时间，乃为 微分时间，“为控制量，p 为被控量y 与给定值r 的偏差。 4 4 3 主要性能参数控制系统数学模型 4 4 3 1 排气压力控制系统数学模型倥帕 在本试验台中，按照国际标准要求，排气压力可采用排气阀控制，其控制对 象数学模型为： 小号= 南( 4 - 1 2 ) t 为被控对象的比例增益，乙为时间常数，p i d 调节器传递函数按式( 4 - 1 1 ) = 器= k p e ( 1 + 专+ ( 4 - 1 3 ) 控制系统框图如图4 4 。 。 圈4 - 4 排气压力控制系统方框田 f i g 4 - 4d i s c h a r g ep r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 系统的开环传递函数为： 形。寥= 形鼯( s ) 形鼬( s ) = 墨甓甓薯亳壬产业( 4 1 4 ) 其中形。= 一k ，k 系统的闭环传递函数为 吒= 毒砖昔尚 3 2 4 4 3 2 吸气压力控制系统数学模型 吸气压力控制系统框图4 - 4 。 ( 4 - 1 5 ) 图4 5 吸气压力控制系统方框图 f i g 4 - 5s u c ti o np r e s s u r ec o n t r o ls y s t e ：b l o c kd i a g r a m 按照标准的要求，吸气压力通过节流阀来调节，其控制对象数学模型为： 矽棚= 南= 蒜尚巷 p i d 调节器传递函数为： 形翩“，r e ( 1 + 专 翻s ， 系统的开环传递函数为： 形硎= w 册( s ) w 砌( s ) ( 4 - 1 6 ) ( 4 - 1 7 ) 一茎竺芝竺：三竺三竺兰：二竺一：二r 竺弦蛔s2 + ( r 脚，+ r 拥) s + l i ， 一1 i i i 磊j 瓦了i 可 瓮一( 4 1 8 ) s t mt tss 1 0 2 蛔丁一i7 一2 j + ( 一l +一2 )2 + r 触 鼍 其中w 肺= 一k 砌k 矗 系统的闭环传递函数为： 形伽= 忐邕瓷 一 茎竺坠! 垒s 3 + 3 + ) s 2 + ( 乙3 + ) s + 1 j = ：- - - - - _ - 二二- - - _ 竺：兰二二二二巳_ 一 ( k 乙3 + 乙l 乙2 ) s 3 + 【乙l + 乙2 + ( + ) 】s 2 + 【+ ( 乙3 + ) 】s + 足朋 ( 4 - 1 9 ) 3 3 4 4 3 3 水温度控制系统数学模型 。 按照技术协议，水温度通过加热器加热功率来调节，其控制对象数学模型为： 矿砌2 踹= 瓦者 控制系统框图如图4 5 ( 4 - 2 0 ) fi & 4 - 6w a t e rt e m p e r a t u r eo o n t r ol s y s t mblo c kdia g r a m p i d 调节器传递函数为： 矿腑= 七朋( 1 + j + k s )( 4 2 1 ) f 拥) 其中j i 嘲= 一七脚后栅 ( 4 2 2 ) 水温度系统的开环传递函数； = 嘣沪瓢篝离盎岛( 4 - 2 3 ) 水温度系统的闭环传递函数： 形 =竺塑! 兰2 竺墅! 兰2 ”咖 1 + 形珈( s ) 形砌( j ) = ：鸳= 型型墅 + + + ( 1 + 妒+ 勰s + 鳓q ( 4 2 3 ) 4 4 3 4 油温摩控制系统数学模型嗍 油温度通过加热器加热功率来调节，其控制对象数学模型为： 卟焉= 篙 泠2 5 ) 控制系统框图如图4 6 圈4 - 7 油温度控制系统方框图 f i g 4 - 70 iit e m p e r a t u r ec o n t r o