（动力机械及工程专业论文）发动机台架试验自动测控系统开发.pdf

摘要 z 3 6 8 5 9 2 亿燃机研究丌发战略有两人重l i ： 是j f j 人计算过程的投入以提高样机外 发的癌确性，二是采用优化试验时合理的试验技术。由j ：目前还不能提供大量精 确的计算模型，因此，在内燃j e j l f c 3 3 f 发研究过程巾，有效的试验技术显得格外蕈 要，任何有助j i 减少人力、物力和则力和缩短时州的措施部是这个领域所要考虑 的晕要n u 趔 现代科学技术的发展，计算机的应用越来越普及。毫无疑问，现代化的内 燃机实验室必须采川计算机控制和调节系统。计算机技术和网络技术剥现代内燃 机测试技术的发展产乍了非常深远的影响，它有力地推动了内燃机非接触测翳、 多参数测齄、动态测试以及自动化智能化测试，试验数据处理，试验数据挖掘等 ； 技术的蓬勃发展。j 本文作者完成了启东发动机自动测试台架的技术更新的项f ， j 并对发动机测试控制技术进行厂研究。 1| i 发动机测试甲台是系统开发的关键，本文对现有的甲台进j rj ，分析利选 r 取i 刘我国现有的形式，提f l 了自己的观点和依据。 发动机控制性是测试平台的主要性能指标之一j 本文详细的介绍了发动机 榨制模型的特点和采用模糊pj d 控制方法来对发动机进行控制的方法。 技术更新后的发动机测试台架的功能和阽能指标说明。 天键嗣：发动机测试台架? 控制方法、j r 发；i i f ， a b s t r a c t t h e r ea r et w o s t r a t e g i ck e y s t o n e s i nt h er e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o f i n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e o n ei st o i m p r o v e t h e a c c u r a c y i nt h e p r o c e s s o t e x p l o i t i n gs a m p l ee n g i n e b yi n c r e a s i n g t h e i n p u t o fc o m p u t i n g t h eo t h e ri s r e a s o n a b l ee x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ef r o mo p t i m i z e de x p e r i m e n t s d u et ot h ef a c tt h a t t h e r ea r ef e wp r e c i s ec o m p u t i n gm o d e l sa v a i l a b l e ，e f f e c t i v ee x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e b e c o m e s e s p e c i a l l yi m p o r t a n t i nt h ei n t e r n a l c o m b u s t i o n e n g i n e r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ta n ym e t h o d s ，w h i c hh e l p t or e d u c et h ec o s to ft i m e ，m a n p o w e n m a t e r i a lr e s o u r c e sa n df i n a n c i a lr e s o u r c e s ，a r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni nt h i sf i e l d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e r ns c i e n t i f i ct e c h n o l o g y , c o m p u t e r sa r ew i d e l yu s e d u n d o u b t e d l y , c o m p u t e r i z e dc o n t r o l a n da d j u s t m e n ts y s t e ms h o u l db ea p p l i e di na m o d e r n i z e di n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n el a b o r a t o r y t h ee v e r p r o g r e s s i n gc o m p u t e rt e c h n i q u eb r o u g h tad e e pa f f e c t i o nt ot i l ed e v e l o p m e n t o ft e s t i n gt e c h n i q u eo fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ea n dp r o m o t et i l e d e v e l o p m e n to f n o n c o n t a c t m e a s u r e m e n t ，m u l t i p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ，d y n a m i ct e s t i n g ， a u t o m a t i z e da n d i n t e l l i g e n t i z e d t e s t e f f e c t i v e l y t h ew r i t e ro ft h i sa r t i c l eh a s c o m p l e t e d t h e p r o j e c t o ft e c h n o l o g yr e g e n e r a t i o no fq i d o n ge n g i n ea u t o m a t i c t e s t i n gp l a t f o r ma n dg i v e na w i d er e s e a r c ho f t e s t i n gc o n t r o lt e c h n i q u e t h ee n g i n e t e s t i n gp l a t f o r mi st h ek e yo ft h e s y s t e mr e s e a r c h 1h a v es e l e c t e dt h e e x i s t i n gp l a t f o r m s ，a n a l y z e dt h e ma n dg i v e no u tm yp o i n to f v i e wa n dp r o o f a sw e l li n t h i sa r t i c l e r h ew a yo ft h ee n g i n ec o n t r o li sam a i np e r f o r m a n c ei n d e xo f t e s t i n gp l a t f o r m r i f l i s p a p e ri n t r o d u c e st h ee n g i n ec o n t r o lm o d e l sa n dt h ei n f l u e n c eo ft h ef u z z yp i dc o n t r o l m e t h o da f f e c t e do nc o n t r o lp r e c i s i o ni nd e t a i l 1 h ef u n c t i o no f t h e e n g i n e t e s t i n gp l a t f o r mw i t hu p d a t e dt e c h n i q u ea n dt h ei n s t r u c t i o n o ft h er e l a t i v ep e r f o r m a n c ei n d e x k e yw o r d s ：c n r i n et e s t i a gp h i t f a r m ，c ( m t l o lm e t h o d r e s e a r c hi ) l a t f o t m 第一章绪论 1 发动机台架测试技术的简要发展历程 发动机测试技术作为发动机学科的一个重要分支，其在发动机百余年发展史上 的印记是清晰可辨的。它与发动机产品技术同步发展，相得益彰。与此同时，随着 科学技术的不断发展和学科之问的相互渗透，发动机测试技术相对于产品技术的独 立性和先进性日益显著，表现为现代测试技术越来越多地被应用于发动机性能与结 构的前期研究，已成为新产品开发不可缺少的基础手段。 从发展历程看，自1 8 7 6 年5 月1 8 日o t t o 测录的第一张发动机示功图起，试 验技术经历了1 2 0 多年的发展，五十年代的电子管技术和六十年代的晶体管技术促 成了发动机测试的电子化，而以1 9 6 8 年开始实施第一项发动, f f l 4 9 1 1 放标准和1 9 7 3 年 出现石油危机为起点，有关发动机排放限制和节能的要求越来越严格，因而促进了 老机型改进、新机型开发以及代用燃料利用等各项研究工作的深入开展，于是，各 种测试方法应运而生，并不断更新和实用化。在这一过程中，特别是本世纪7 0 年 代以来，七十年代崛起的激光技术和八十年代高速发展的计算机技术对现代发动机 测试技术的发展产生了非常深远的影响，它们有力地推动了发动机非接触测量、多 参数测量、动态测试以及自动化智能化测试等技术的蓬勃发展，使发动机的试验技 术得到了飞速的发展。在7 0 年代中期，a v l 公司开发了第一代的全自动试验台架， 尽符：。钏i 试验台架已能实现f 1 动地测景、调节和盼控，但仪记录大约i2 个测最数 据、儿个计算值、打印机也只能按部就班地输出结果。8 ( j 年代末期，试验台架的 测试系统的功能有了很大的发展，可以实时地获得大约1 5 0 个汁算值，根据需要还 可以进行实时的监控和图像显示的类型转换。这1 i 但能采集更多的数据，同时还i i 以提供更多的后处理功能。此外，试验控制乘l 采集方法更加精美，试验台架的测量 精度和测试安全性i l k 大大提高。特别是七八十年代汽i i l 喷射发动机的， ：发，与测试 系统的洮调更是显示出测试系统对发动机开发的重要性。 1 。2 发动机台架专项测试技术的发展现状 计算机技术已渗透到发动机测试领域的符个方i 听 讲以毫1 ：夸张地说，没有训算机技术就没有现代测试技术的今天。花发动机测 试领域，从试验台架的自动化系统，性能研究r i ，的燃烧过程测试、排放鲫1 分测试， 塑望奎兰堡_上堕兰一 直到可靠忭研究中的强度测试、仿真研究、振动噪声模态分析、摩擦磨损试验以及 故障诊断和状态检测等，都离不开计算机技术的应f j 。计算机技术所以在发动机测 试技术的符个领域得到，广泛的应用，主要是吸纳了它高速数据采集、处理、分析、 实时挖制及自动化智能化的特长。由于计算机技术的这个优势，使得发动机的实寸1 分析、控制、仿真及从稳态控制到动态控制过渡成为可能；其次还实现r 屯计算机 控制的网络化综合控制试验系统。 排放测量技术 1 ：环境保护列车辆废气排放的要求愈来愈苛刻。迫使发动机制造商舀：控制废 气排放i 二进行了大的研制投入，与此相应各种新的先进的排放测试技术应运而牛。 总的趋势是废气排放由温态检测向连续实时检测和监控方向发展。测试装置从形式 i ：可分为汽油机和柴油机排放两大类。代表有a v l 公司开发的o n ew i n d o w 系统 排放测试技术。德国发动机研究协会( f v v ) 和1 ：j l k 研究工作小组推| | jr 测鼹柴油 机颗粒排放的新方法一温度图示测量法。 噪声、振动测试技术 噪声由物体振动所引起。发动机噪声由气体噪声、燃烧噪声和机械噪声或结构 噪声所组成。噪声、振动领域测试技术的任务就是寻找噪声源( 振动源) 、测量 分布和大小，以便寻找减振、隔振、降振、降噪、隔音的措施。值得注意的是该领 域的研究重点国外已逐渐转向试验模态分析。 传感器技术 传感器是测试技术的基础元器件，它的变化，i i 仪影响到，次仪表的配套，它的 水甲高低和性能好坏还将直接关系到测试技术的发展。如a v l 公司7 1 ：发了种 o a p 0 4 材料制成的新型压力传感器，该卡才荆的温度灵敏度特性好。 _ 本e 公司铆f 制的新型_ i ：扩散传感器j l 】：进排气岐管和燃油喷剩系统的j i 力测麝，该传感器设仃 除池 构。f r a u n h o f e r 尤f ：扰试验法研究所发展的超声波传感器| jj ：测婿废，t 流 匿和温度。k i s t l e r 公司开发的测量汽缸峰值压力的石英传感器，采用低通滤波器过 滤重复测星信号的干扰振荡，并装有防污染装置，故测量精度较高。 故障诊晰和摩擦磨损测量技术 发动机故障诊断和摩擦磨损测试技术在国外发展很快。如状态榆测技术已在大 犁发动机得到实际应用；利用加速度传感器和频谱分析技术已广泛应用1 二故障诊 断；同化素放射性示踪，油料的光谱、铁谱分析和遥测技术已应用于摩擦磨损研究 和故障诊断；还有故障诊断和摩擦磨损的专家系统已，r 始实际应f j 。 ： 塑翌查兰堡! ：丝苎一一 1 3 发动机试验的控制技术的发展现状 随着微f 乜_ f 技术和计算机技术的迅速发展，发动机台架测摔技术也在小断进步。 从自动化程度分，发动机台架测控经历了人一i ：控制、半自动控制和程控测试等几个 。1 i 鬻阶段，只前i e 朝着智能化方向发展。再从测控范围看，发动机台架试验已进入 j ，多参数综合测试阶段，并由稳态试验系统开始向动态模拟试验系统发展。 e j 动控制技术在州e 生产f i 凸获得厂广泛的应用。上业生j “r i - 的自动控制系统 随控制对象、控制规律和所采用的控制器结构1 i 同而有很大的差别。一般的n 动控 制系统r 1 ，为了获得控制信号，要将被控制量y 与给定的值r 相比较，以构成误菇 信号e = r y 。寅接利用误差e 进行控制，使系统趋向减小误若，以至使误芳 为零，从嘶达到使被挖制量y 趋向给定值r 的挖制目的。这种挖制，【l r 被控制精 使控制系统的输f | ，被控制量的变动着的值又反馈到控制系统的输入端，j 作为系 统输入屑的给定值栩减，所以成为闭环负反馈系统。 给宅值被控参数 图l - 1 闭环负反馈系统结构图 如图l l ，系统通过测量元件对被控对象的被控参数( 如温度、压力、流量、 转速、位移等) 进行测量，由变换发送单元将被测参数变换成一定形式的电信号， 反馈给控制器。控制器将反馈回来的信号与给定信号进行比较，如有误差，控制器 就产生控制信号驱动执行机构工作，使被控制参数的值与给定值控制一致。这种负 反馈控制，是自动控制的基本形式。 自动控制系统的基本功能是信号的传递、加，i i 和比较。这些功能是由检测、变 换发送装置、控制器和执行装置来完成的。控制器是控制系统中的最重要的部分， 它从质和晟的方面决定了控制系统的性能和应用范围。如果将控制器用计算机来代 替就州以构成计算机控制系统。控制系统f 1 引进汁算机，就i _ f 以充分运川计算机 强大的计算、逻辑判断和记忆等信息加工能力j 要运用 j 算机，就能实现对被撺参 5 数的控制。而在一般的自动控制系统中，系统的控制规律是由硬件电路产生的，改 变控制规律就要改变硬件电路。而在计算机控制系统中，控制规律的改变只要改变 计算机就可以了。 在计算机控制系统中，计算机的输入和输出的信号都是数字信号，因此在这样 的控制系统r | f ，需要有将模拟信号转换为数字信号的 d 转换器，以及将数宁控制 信号转换为模拟控制信号的d a 转换器。 计算机控制系统，从本质上来看，它的控制过程可以归结为以下i 个步骤： ( 1 ) 实时数据采集对被控参数的瞬时值进行检测，并输入。 ( 2 ) 实时决策对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按以定 的控制规律，决定进一步的控制过程。 ( 3 ) 实 | j 控制根据决策，适列地对控制机构发控制信呼。 计算机控制系统按照功能分类：l 、操作指导控制系统；2 、南接数字控制系统； ：l 、监督控制系统； 、分级计算机控制系统。按照控制规律分类：l 、程序和顺序 控制：2 、比例积分微分控制( p l d 控制) ；3 、最小扪控制；4 、复杂规律控制；5 、 智能控制，智能控制其实是一个大的综合系统。 目前，计算机控制系统的发展趋势有如下两个方向： 1 、 f ：q p 用可编程控制器( p r o g r a m a b l e1 ，o g i cu o n t r o i le r h c ) 的心 j f j 。川j 可编程序控制器，是采用微型机芯片，根据j ：业，k 产特点而发展起来的 种挖制器，它具有f 述特点： ( i ) 可靠性高。有较强的抗f ：扰能力，便丁 ：、现场使用，一旦出现故障，具 有停电保护、自诊断等功能。 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 采用功能模块化结构。可根据要求，进行组合和扩充。 具有独立的编程器。编程简单、便j ：掌握。 价格低廉。 近；7 i 来，由i 二开发了具有智能i o 模块的p i ，c ，它可以将顺序控制和过程控 制结合在。一起，实现对生产过程的控制，甚至已出现了伺服电动机控制模块，可以 实现运动控制。可以预料，迸一步完善和系列化的p l c 将做为下一代通用控制设备， 人最地鹰j f j 彳1 叫2 , 1 k l - 广：自动化系统r | 1 。 2 、提高挖制盹能、采j f j 瓤型地捧制系统。采用集散控制系统是计算机控制系 统地发腱趋势之 。集散挖制系统是分散型综合控制系统( t c ，l a ld i s l r ih 1 il 。d 一 塑些查堂堡：! ：堡墨 一 _ _ _ _ 一一。 现代i 、i p 过程刘控制系统的要求已1 i 局限r 能实现自动控制，还要求i 、 k 过稗 能长期n ! 最佧状态f 运行。刘个规模庞大、结构复杂、功能综合、因素总多的i 科人系统、要解决，j i 产过程综合自动化的问题。 集敞控制系统以微机为r | 1 心，把微机，一、f p 控制 i 算机、数据通讯系统、娃1 ： 操作装鬣、输入输 l 通道、模拟仪表等有机的结合起来，采川纠l 合纠l 装式 构构成 系统，为实现一i ：程人系统和综合f 动化创造f 条什。概括起来u i ：，集散j 诅“贸：机控 制系统就是以微机为核心，实现地理i - ； i i 功能l ：分散的控制，又通过高速数据通道 把行个分散点的信息集中起来，进行集中的临视和操作，并实现高级复杂的控制。 图1 2 集散控制系统结构图 微机在集敝控制系统中的地位越来越重要。这一方面是由于微机的功能不断加 强，它能完成更多，更复杂的控制任务；另方面是由于分级分布式控制结构的使 用，使f 级处理能力提高，减小了对上级计算机的要求。目前，在直接控制级| i 都 采用微机，并且在过程中使用高性能的微机，今后，随着微机向阵列化发展，整个 系统“全微机化”也是完全有可能的。 人l i 控制测试方式在早期的发动机台架试验【 1 ，主要采用人工操作、4 - i ：测 量、人工记录、人工处理数据地方法，效率低、精度差，测试结果受操作人员的影 响较大，重复性差。目前，这种人工测控方式已基本淘汰。 、卜r l 动控制测试方式t - f | 动控制台试验系统般带控：l i 0 译元的测功机、 | j s rrcmelb rs( 统系刚控器理处型 散分或) 舳称沁简 的 s) | 耋 n s 印 塑坚查兰婴主堡苎一 门执行机构以及各种传感器和配套仪表组成。油门执行机构采用电机驱动方式，其 中采用直流电机驱动的执行机构响应速度较快，通常配有p i d 控制单元，可实现恒 速和恒油门位置控制。常用的测功机包括水力测功机、电涡流测功机和电力测功机 ( 表l 歹t l t l 了国t 勾j l - 部分测功机产品的主要技术参数) ，其配套的控制单元可通过 控制水门开度或电流来调节j l , d l ：l 负载，并可实现恒转速控制、恒扭矩控制等多种控 制模式。操作人员在控制台可方便地对发动机试验过程进行控制。系统可选用与传 感器配套的标准数显仪表，许多系统还采用了单片机测控单元，能直接显示燃油消 耗率、功率等计算参数，并可通过打印接口将试验结果送到打印机打印输出。 程控测试方式这种方式具有测量效率高、精度好、功能多、扩展性强等特点。 试验时可由人工参与控制，也可选定试验流程，输入试验参数，由系统控制完成自 动测量。还可对整个系统和试验过程进行监控。系统通常由著干个功能模块组成， 由i , t 算机统一管理，其基本组成包括传感器、信号调理模块、m d 模块、d a 模块、 开关量输入输出模块、定时计数模块、执行机构、计算机及其测控软件等。利用 计算机的i ；t 算、分析和图形显示等功能，不仅可以完成试验数据的计算、分析、曲 线拟合以及长期保存等任务，而且还可以构造美观的人机界面，方便操作。 试验台架控制计算机是所有台架装置的中央联络中枢，它主要承担以下任务： ( 1 ) 自动执行测试程序； ( 2 ) 选择测试程序及在线操作时与用户对话圾所有参数修正； ( 3 ) 试验台架与台架外围设备的控制通过一个受控的操作对话在屏幕和功能 键盘上完成； 1 4 ) 在1 0 0 m s 或l s 内同时采集所有测量数据； ( 5 ) 所有测量数据存盘； ( 6 ) 在测试过程中或测试程序结束后，完成所有的计算，以数字和图象形式 处理测屋数据； ( 7 ) 测试过程的监控。为了保护试验用机兔受损坏，应将下列测量值控制在 允许的界限内，检测时间为：冷却水出口温度、润滑油温度、润滑油最低压力、进 气管压力) 2 0 0 m s 转速、转矩2 0 m s ； ( 8 ) 测量数据传送至上位计算机，以及从j ：位机接受测试程序的要求 ( 9 ) 报警。如果实际值达到了设定边界值的9 0 ，相应值应在屏幕i ：显示成 红色n 如果超过了边界值，控制计算机关闭试验台架。 塑婆查兰堡主堡墨；一 1 4 国内外发动机台架测功设备产品的技术现状 观祀以计算机技术在试验台控制方面的应用为例。如德国申克公司研制的发动 机分析系统，采用国际通用的v m e 总线系统，m o t o r o i a 公司的3 2 位处理器和0 s 9 操作系统，采集速率为商达1 m i i z 通道。在软件设计方面，德闻f f 克公司推 “r 动 力系统x l 号综合通讯软件站，奥地利a v l 公司推 l 了p u m a s 试验台软仆和i s a c 系列乍辆利驾驶员模拟软什。f | j 二i , t 算机软硬什的迅速发展，i - 1 前代表发动机试验 台最商水i r 的动态试验台已具备如下的功能和水i p ： 起动特性试验； e n g i n em a p 试验： 个起动温态试验； | 瞬态试验( 含道路谱模拟试验。主要用1 ：瞬态排放试验) ； 动态试验。该试验包括车辆运行中所有模块的模拟试验，如风i ；n 、道路、传动、 变速幸f i 、驾驶员、发动机等等； 转甜i 响成0 5 4 0 0 n m 1 0 1 2 m s 0 6 0 0 0 n 1 1 115 - 2 0 m s 转鲥! 响应每秒3 0 0 0 r r a i n 传动系统频率最高可模拟到l7 h z 目前我国已有一批以生产发动机测试设备主业的生产厂家。如杭州科艺电 r 信息机器公司、杭州中成测试设备有限公司、湘西动力测试仪器厂、江南测试仪 器厂、肩东测功设备厂、南峰机械厂、遂昌动力设备厂、南通动力测试仪器厂、泰 安试验设备一、七零所奥达电予仪器厂、锦州科华动力测试设备有限公司等等。他 们为我国发动 l l _ q k 提供通用测试设备方面作出了有益的贡献。 杭州科艺电子信息机器公司的全自动测功机系统设备是处在全国先进水平 的。他们的测功机的功能模块包括了数据采集；是试验台架设备的控制与调节( 废 气分析仪、空气流量仪、点火提前角测量仪、润滑油、冷却水、增压空气调节等) ： 试验台架监控；所有试验台架元件的手动操作；通过接口连接计算机与测最仪：图 示和数字处理；测量值储存；试验程序修改；试验程序在线操纵：试验程序管理等。 测功机台架性能表 塑翌查堂堡圭堡苎 0 浙江大学硕上论文 农i - if 对内外部分测功扫 产品的土要技术参数 1 5 课题的主要任务 课题来源于和厂家的技术合作项日，课题的l ：硬f 【务是改进j 家现行的发动机 台架试验测捧系统。软什方面的r 作二卜要有：( i ) 将i p 台从以i i ；h i jl j ( ) si l ，f 移 = i i 到 w f n f j ( j 峤i r 台f 二：( 2 ) 改善人机界【百，使操作过程利试验过程可视化；( ： ) j j 腮试 验数据和胁线的处理功能， ：改进现有的数据存贮、：和通讯力式。控制力法办的1 i 璎i 。作彳r ：将传统的p i i 】方法，改进为智能型p 1 1 ) 控制方法或r 适应p 力法，以 克服测聪小阿掣号的发动机时，i ) i y , j 参数要人l 进行测试湘枢，使测试台架卅以 门动寻找最优的参数，减少j ：作j i i = 。在硬件f 台i ：，通过采j ji o 板来代替c i ，u 之 问们通讯，来使系统的稳定惟有大量的提高。 塑婆查兰堡圭堡苎 第二章、发动机测试台架总体方案 2 1 系统基本要求分析 课题来源t 和厂家的技术合作项目，课题的主要任务是改进厂家现有的发动机 台架试验测控系统。软件方面的工作主要有：( 1 ) 将甲台从以i j 的d o s ；f 台移机 到w i n d o w s 、p 台i ：，并增j j i l 数据曲线实时艋示等新的功能；( 2 ) 改荐人机界而， 使操作过程和试验过程可视化，增加数据后处理的功能：( 3 ) 扩展试验数据和曲线 的处理功能，i ：改进现有的数据存贮和通讯办武。控制力法方嘶的l i 要i 作订：将 传统的p i d 方法，改进为智能型p i d 控制方法或自适应p i d 办法，以克服测蜃1 i 同型号的发动机时，p i d 的参数要人i 一进行测试凋整，使测试台架训以自动寻找最 优的参数，减少工作量。在硬件甲台h 通过采用i o 板来代替c p u 之间的通讯， 来使系统的稳定性有丈量的提高。 2 2 系统需求分析： 作为汽车动力的发动机的发展离不开先进的试验技术，而试验技术是一项系统 1 程，没有设施完善、功能齐全的试验台架是无法完成发动机的实验要求的。随前 技术的发展，发动机的测试仪器的种类和功能都在不断的扩展，而计算机已成为发 动机试验技术中必不可少的工具，没有计算机控制的试验系统几乎不可能完成满足 现代技术要求的高性能发动机的试验任务。计算机控制的试验系统的规划设计应能 尽可能满足下列要求： ( 1 ) 整个系统有一个良好的总体设计和总体性能； ( 2 ) 试验台架及所有相应的装置( 辅助装置和测试仪器) 的操纵应尽可能集r 在一个i j i ：域；有一个友好的操作界而系统； ( 3 ) 心通过个集成系统实现，并且能不断地获取、显示和记录测试台架及 所有相关装胃的瞬态信息： ( 4 ) 对不同的试件及试验程序实现尽可能 ( 5 ) 神j 试验台架一i 进彳j = 安装和调试时尽可简化以缩短i i 、1 1 j ： ( 6 ) 算机垛作耳r 动操作硬仆办丽实现分离，侧而n 引钟：机脱j l 州也1 l jr 塑坚查主堡生鎏苎一 动操作； ( 7 ) 刘试验设符和试验过程的灵活控制平凋m ( 8 ) 优质而快速的数据测量性能及对测孱参数有效地作 评佶； ( 9 ) 刘研究丹发l 作进展起决定性作用的辅助信息( 试验结果) 的快速输l i t ； ( 1 0 ) 试验台架的可，f j 性应不受自动化概念设计的复杂性的限制： ( 11 ) 自动化概念设计应使“按部旧班”地 ：作成为可能； ( 1 2 ) 通过完整单元( 模块) 的替换来实现系统功能的简单的匹配。 i i 算机挖制的发动机检测台架的试验测试系统可以分为三个层次，如f 图( 图 21 1 ) ，j ：位计算机一方面按项日管理任务要求管理试验数据进程，确定试验程( 如 功能试验、耐久试验等) 、使试验程序化等，另外还要收集数据，将处理后( 或原 始数据) 送至开发项目或计算中心进行再处理。此外、上位计算机还应承担试验台 架计算机与中央计算中枢之间的所有联络和数据储存。测试程序的管理及测量数据 的转换在计算机数据库中得以实现。此后，数据就传送至中央计算i | 1 枢，并在那里 将数据归档到数据库里。基于安全和现实性的原因，通常系统中将一个月以来的数 据储存在上位计算机的数据管理系统里。使用者可以在上位计算机上将试验程序格 式化输j j j 。 在实际应用中试验台架是为了对发动机进行试验任务所要求的试验。无沦试验 研究的项目类型、内容如何，通常可以归纳为以f 五种： ( i )耐久性试验，对样品进行寿命试验： ( 2 ) 产品试验，一般在生产上，试验台架承担，发动机质量的评判以及完成 符具有叫确月标的试验； ( 3 ) 研究和开发试验，与上述两种试验不同的是，研究和开发试验具有相当 大的灵活性，要考虑到相当广的使用范围以及在试验台架上工作人员的素质。为扩 大使月j 范围而添置的数量不等的、部分自动操作和标定的专用仪器也同样应具有商 度灵活性： ( 4 ) 质量试验，通常服务于生产部门，用于生产上的质量保证： ( 5 ) 零部件试验，零部件试验的基本功能类似r 耐久性试验，其唯一用途在 1 ：在超负荷下检验发动机零部件的寿命。 为r 便t ：t 桑f b - - ，通常预先在汁算机控制系统的支持软件包r | t 设计好程序，操作者 j 要对试1 5 ；类型进行选择，输入相关纳参数，便可以通过 f 算机控制的系统进行手 动、半自动或全自动的试验，试验过程实施的流程如图 图2l l 试验过程流程图 针对我们的项目，应该从我国的国情l 出发，考虑到我国发动机研究单位和 发动机生产企业的需求，设计的发动机测功器应该是尽可能的适应多种情况的需 求，测功器无论在软件上还是在硬件上都应该可以进行模块封装，可以按照不同的 要求进行模块组合和拆卸。在设计上，不但要满足功能上的要求，还要考虑，系统 整体的稳定和可维护性。在设计上，应该结合成本和技术的先进性综合考虑。从国 外的人厂商( a v l 的o n e w i n d o w s 系统和中克公司的x o n e 系统) 和国内的 先进公司( 梳州科艺公司) 的稳定的产品中，学习先进的设计思想和针对中国市场 所存在的问题。 在同发动机测功器企业生产用户和科研用，、的的调查，发现用户列啦场 现有的发动机测功器的意见主要集中在以下的几个问题： 塑翌查堂堡主笙兰一 夺界面的可操作性不够好，特别是国外的软件系统，在界面风格和操作习惯 都与我国有些不同。 夺没有对常用操作进行简洁化处理。 夺固内的大多数系统的设计不够灵活，不能由用户定义软件界面和测量参数 选择。 夺控制系统不够稳定，控制精度不够高。控制参数要技术人员针对不同的发 动机进行调整，对用户不够方便。 夺软件和硬件的升级能力不够，不能满足计算机网络化的要求。 2 3 系统目标功能要求 技术更新后的发动机测功器应该可以在最小程序改变和设置下，满足各种试验 的需求。 试验台架控制计算机是所有台架装置的中央联系中枢，试验台架控制和测试计 算机承担以下任务： ( 1 )自动执行测试程序； ( 2 )选择测试程序及在线操作时与用户对话及对所有参数修正； ( 3 )试验台架与台架外围设备的控制通过一个受控的操作对话在屏幕和功 能键盘上完成； ( 4 )在l s 内同时采集所有测量数据； ( 5 )所有数据存盘； ( 6 )在测试过程中或测试程序结束后，完成所有的计算，以数据和图象形式 测量数据： ( 7 )测试过程的监控。为了保护试验用机免受损坏，应将下列测量值控制在 允许的界限内，检测时问为：冷却水出口温度、润滑油温度、润滑油最低压力、进 气管压力、增压压力、转速、扭距； ( 8 ) 测量数据传送至上位计算机，以及从上位计算机接受测试程序的要求； ( 9 ) 报警。如果测量值达到了设定边界值的9 0 ，相应值应在屏幕上显示成 塑! ：墨兰型型l 一 红色。如果超过厂边界值，控制计算机关闭试验台架。 ( )将参数、测量数据及测试程序储存在计算机硬盘k 试验结束历，测景 数据p i 档。 图23 1 系统目标流程阁 根据以i ：的分析，发动机测试台架要充分利用现代计算机的强人的运算和存储 功能结合现代的多媒体技术，和传统的测试技术卡| 1 结合，刘试验进行合那规划、 组织和管硎不仅可以提高效率，而且还可以大大地： ，省费用，缩短试验时问。 2 3 i 硬什办案分析 在项目论证过程巾，共提出，三种硬件设计方案：1 ) 采用一i ：、f 位机结构，f 位机为叫p 控制计算机，作为系统的控制核心；一i 二位机为p c 机，用于实验脑测及 数据处理。2 ) 采用n l ：业控制计算机作为控制核心，同时完成实验监测及数据处理 i ：作。3 ) 同方案2 相似，只采用工业控制计算机，但该方案中将数据采集 用数 ：拄i ；采集模块代替。比较j 二述三种力案，方案lq 一采用j ：、f 佗机结构，f 位机完成 实验的拎制i 作，i i 位机完成实验数据的处理。j ：作，虽然系统的可靠性很好，这样 塑翌查堂堡圭堡苎一 但硬件的费l j 很高。方案2 的费用很少，但所有的1 一作，包括数据采集，系统控制， 数据实时在线显示，数据输出，对计算机的硬件和软件的要求都很高。方案3 1 1 采 f j 的模块化结构，该方案可靠性高，系统易于维护，但是采用模块化结构，模块之 间及模块与：1 ：控机之问的数据传输速度较低，这降低了系统的实时性。彳1 i 分析。 1 ， 认为w i n d o w s 刁i 是一个实时的操作系统，对于高精度时问要求不能够保i d ：而 商精度的时间要求是稳定控制的前提条件，如果不能满足时间一i 二的要求，就1 ：能很 稳定的控制发动机和测功器。又参考了国内外的一+ 些畅销的产品，认为神! 现阶段， 采j i jj - f 位机的方法足最稳定可靠的。因而最终确定采j f j 方案i n 2 3 2 软件方案分析 8 0 年代，面向对象程序设计的语言趋于成熟，作为一种新的程序设计范型了r 始为计算社会所关注，并且为更多的人所理解和接受，这一成就促使研究者把一部 分注意力转向更广、更深的层次，在面向对象分析( o o a ) 和而向对象设计( o o d ) ， 以及而向对象的系统开发过程等方面不断地取得进展，一种新的信息系统的开发过 程等方诵不断地取得进展，一种新的信息系统开发的方法论一一面向对象的方 法论。对于现代程序的开发，从系统维护和可持续扩展的角度来看，对象剥象的程 序设计是必要的。 作开发来说，开发工具的选择是十分重要的。它不但决定了开发 | 来地产 舳的质量，而且还决定了程序开发过程的成本，程序的可维护性，程序的可持续开 发的连续性。所以开发工具的选择是i 。分必要的。对于这个控制项目的改造，从工 作量和人员考虑，在上位机v v i n d o w s 平台上我选择了b o r l a n di ) e l p t l l 。在下位机 的d o s ( 实时控制) 的平台上，选择了b o r l a n dc + + 。软件设计总体流程 f ：位 帆程 j 葶 f 位 帆捍 序 l与下位机的通讯程序 l | 弋， 。 i与上位帆的通讯程序 罔23 2 控制系统软件 垃计框阿 浙 人学硕i ：论史 2 3 3 拧制钟法的选择 辅：实际数学建模的过程巾，发现建引的发动机汕l j ，负载羽j 速度的数。7 - 模，诅n ： 1 i 同型号小嗣的情况f 的卉：成川巾有许多的修i f j 誉i r l l ) 参数的修改扑1 4 j 的发动 机f 门不同f j 速度范阐，不同的p i d 参数对发动机的影响是截然 ：同的。所以我们选 择j ，模糊控制的p 1 1 ) 挖制， 订! i 、 k 控制过程r i 绛常会碰到人w i 历、叫变、1 l ：线。r f ：n 短尔系统。j i 巾， 仃的参数术知或缓慢变化；彳的尤法获得精确的数学模型。模糊控制器足1 ；i f i 令7 ? 柬发展起水的新型控制器，其优点是是1 i 要求学握受控刘象的精确数学模删，i n j 根 据人i ：控制舰i j ! s j i t $ , r 控制决策表，然后 f j 该表决定拧制罱的大小。将模糊挖制利 | ) | i 】控制器两者结合起来，扬长避短，既有模糊控制灵活而适、v 。阼强的优点，义j 仃i ) f d 控制葶1 7 度商的特点。 模糊控制足以模糊集合论、模糊语言变尼以及模糊逻辑椎州为4 铆i i l i f l j 计算 机智能挖制。模糊控制的基本原理图如f ： 给定值 却 p 忙 模糊控制器 模糊f 量化 处理l 模糊 控制 规则 模糊决 策i 非模 糊化 处理 f _ 一一卜f 誓；卜 赫q 模糊控制原理图 图2 ：卜1 模糊控制原川蠊i 它的核心沛分为模糊控制器，如图小虚线# t t i 嘲；分所示，撇糊挖制器的控制j ：! i l t “钳机l j 种序。哎现。奖现 步模糊控；f ；i f 算泓、的过n 陆述如l 、：微机始t 晰采 t - fi ) 塑望奎兰堡主堡苎一 获取被控制量的精确值，然后将此量与给定量比较得到的误差信号e ，一般选误差 信号e 作为模糊控制器的一个输入量。把误差e 的精确量进行模糊化变成模糊量。 误差e 的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差e 的模糊语言集合的一个子集 。( 。是一个模糊矢量) ，再由e 和模糊控制规则r ( 模糊算子) 根据推理的合成规 则进行模糊决策，得到模糊控制量u 。 在工业! 卜产中，许多被控对象随着负荷变化或干扰因素影响，其对象特性参数 或结构发，仁变化。闩适应控制运用现代控制理论在线辩识对象特征参数，实时改变 其控制策略，使控制系统品质指标保持在最佳范围内，但其控制效果的好坏取决于 辩识模型的精确度。这对复杂系统使非常困难的。因此，在工业生产过程中，大量 采用的仍然是p i d 算法，p i d 参数的整定方法很多，但大多数都以对象特性为基础。 随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为 指示存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整p i d 参数，这样就出现 智能p i d 控制器。这种控制器把古典的p 1 d 控制和先进的专家系统相结合，实现 系统的最佳控制，它无须精确确定对象模型，只需将操作人员长期实践积累的经验 知识用控制规则模型化，然后运用推理便可对p i d 参数实现最佳调整。 由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量 表示，模糊理论是解决之一问题的有效途径，所以人们运用模糊数学的基本理论和 方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息( 如 评价指标、初始p i d 参数等) 作为知识存入计算机知识库中，然后讨算机根据控制 系统的实际响应情况( 即专家系统的输入条件) ，运用模糊推理，即可自动实现对 p 1 d 参数的最佳调整，这就是模糊自适应p i d 控制。 塑坚查兰婴主堕兰 一。一一 f u z z y 自整定p i d 控制原理 图2 3 5 自整定p i d 原理图 p i d 控制参数的初值设定的。在控制的初期阶段，采用b a n g b a n g 控带4 作为引 导控制，辨识机构根据在该阶段得到的信息对对象的进行辨识。在该阶段结束时， 利用辨识出的模型参数整定出p i d 控制参数的初值，并切换控制开关，投入模糊自 适应控制。 模糊自整定p i d 是在p i d 算法的基础上，通过计算当前系统误差e 和误差变化 率e ，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。参数的调整包 括机性和大小两个方面，两种控制作用的切换由以f 规则确定： 其中，r 为系统设定值，a ( 0 a 一_ ： 1 6 7 2 ( ) ( a ) d 2 5 标准连接 ( b ) d 2 5 三线连接 图3 3 1r s 一2 3 2 c 的标准连接图 在f c t 中控制串行通讯是i n t e l8 2 5 1 ，他是i n t e l 8 2 5 0 串行通讯接口芯片 的改进型，具有同步、异步接受或发动功能，使用单+ 5 v 电源和单相时钟的2 8 脚 双列直插封装。i n t e l 8 2 5 1 可以编程控制，在d o s 开发环境下环境下可以使用中 断i n r 1 4 ，在1 u r b o c 的，f 发环境下可以使用h o s c o m 函数，彳11w n d o w s 可以使用 微软的m ic r o s o r tc m r t l 的可视控件。 汁算机或终湍砹箭 6 7