（动力机械及工程专业论文）toppower内燃机性能自动化测控系统的开发.pdf

摘要 内燃机是交通运输和国防建设中重要的动力机械，随着对其性 能要求的不断提高，产品的更新已经是日新月异；同时，当今社会 的环保意识只益加强，这些都要求内燃机在出厂前要做各方面的综 合测试。目前，测功机的种类很多，如何研制一种性能优越的测功 机控制系统，就成为能否促进内燃机检测技术的关键因素。 本文论述了一种基于电涡流测功机的自动控制系统。系统以采 集到的转速和转矩值作为参考变量，利用p i d 算法，通过调节发 动机的油门和测功机的励磁电流，使发动机达到预先设置的工况 为实现这一目的，进行以下几项工作： 首先，进行了p 、i 、d 参数整定模拟试验。利用l p c 2 2 1 0 单片 机实验板作为主控单元，并在其提供的软件编辑环境中编写控制程 序，利用搭建的模拟电路控制油门机，通过改变程序中的各个参数， 得到油门机不同的运动状态，通过选择合适的状态来确定参数值 其次，以g w 6 3 型号测功机为试验对象，系统采集其测量的发 动机运转时的转速和转矩信。j 作为系统运算中的参考变量，在信号 的采集过程中，加大了a d 采样的频率，并对受干扰的转矩信号 进行分析，滤除干扰，以便将准确的信号读入系统。 最后，在常州发动机厂和莱州动力有限公司对控制系统产品进 行实际应用试验，对试验样机进行了多个工况的测试，并绘制出了 发动机性能曲线，通过和理论上的性能曲线相比较，验证了控制系 统的可靠性、稳定性和安全性。 关键词：内燃机测控系统，p i d 算法，参数整定，数字滤波 a b s t r a c t t h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ( i c e ) i sa ni m p o r t a n t m o t i v ep o w e rm a c h i n ei nt r a f f i c & t r a n s p o r t a t i o na n dn a t i o n a l d e f e n s ec o n s t r u c t i o n w i t hm o r ea n dm o r es t r i c tn e e d sf o rt h e e n g i n ep e r f o r m a n c e ，n e wp r o d u c t sh a v eb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y a tt h es a m et i m e t h ec o n s c i o u s n e s so fs o c i a ie n v i r o n m e n t p r o t e c t i o ni s s t r e s s e dd a yb yd a y a l lo ft h e s ea r et h er e a s o n s t h a tr e q u i r et h ee n g i n e st ob et e s t e di na l la s p e c t sb e f o r ef u l l y c o m m e r c i a i i z e d t o d a y ，t h ed y n a m o m e t e r sf o rs u c hp u r p o s ea r e o fm a n yt y p e s ，b u th o wt om a k et h ed y n a m o m e t e rc o n t r o ls y s t e m f u n c t i o nw i t hs u p e r i o r q u a l i t y ，h a sb e c o m eak e y f a c t o rt h a t i m p r o v e si c et e s tt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，a na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e e l e c t r i ce d d yd y n a m o m e t e ri si n t r o d u c e d i nt h es y s t e m ，r o t a t i o n s p e e da n dt o r q u et e s t e db ys e n s o ra r ec o n s i d e r e d a sar e f e r e n c e v a r i a b l e s ，w h i c ha r eu s e di np i da l g o r i t h m t om a k ei c ec o m et o w o r ka tas e ts t a t eb ya d j u s t i n gt h et h r o t t l eo fi c ea n de x c i t a t i o n c u r r e n to fd y n a m o m e t e r s o m ee f f o r t sh a v eb e e nm a d ef o rt h i s a i m f i r s t l y ，w e h a v eh a das i m u l a t e dt e s tt ot u n et h e d a r a m e t e r so fp i d 一i nt h i st e s t ，l p c 2 2 0 0m c u ( m i c r oc o n t r o l u n i t ) i su s e da sm a i nc o n t r o lu n i t ，w h i c hp r o v i d e s as o f t w a r e e d i t i n ge n v i r o n m e n t ，i nw h i c hw ec a ne d i tp r o g r a mt oc o n t r o lt h e t h r o t t l eb yc h a n g i n gt h ep 、i 、dp a r a m e t e r s ，a n dg e ts o m e d i f f e r e n ts t a t e s ，a n dc a nd e t e r m i n et h ep a r a m e t e r sb yc h o o s i n g t h eo p t i m u ms t a t e s e c o n d l y ，b a s e d0 1 1g w 6 3t y p e s p e e da n dt o r q u e o b t a i n e db yt h e r e f e r e n c ev a r i a b l e so ft h es y s t e m d y n a m o m e t e r ，t h er o t a t i o n s y s t e mw e r er e g a r d e d a s a l g o r i t h m i nt h es i g n a l g a t h e r i n gp r o c e s s ，w ei n c r e a s e dt h ef r e q u e n c yo fa dt r a n s f o r m ， a n a l y z e dt h et o r q u es i g n a lt h a tw a s d i s t u r b e db yb a c k g r o u n ds u c h a sn o i s e 、v i b r a t i o n ，a n df i l t e rt h ed i s t u r b a n c ei no r d e rt om a k e t h es i g n a li n p u tc o r r e c t a tl a s t ，w ed os o m ee x p e r i m e n t si nc h a n gz h o ud i e s e l f a c t o r ya n ds h a nd o n gh u a y u a ni c ec o m p a n yt o v e r i f yt h i s c o n t r o l s y s t e mp r o d u c t i n t h ee x p e r i m e n t s ，w eh a v et e s t e d s e v e r a lo p e r a t i n gs t a t e so ft h es a m p l ee n g i n e ，a n dd r e wt h e p e r f o r m a n c el i n e s t h es y s t e m i sr e l i a b l e 、s t a b l ea n ds a f ei n c o n t r a s tw i t ht h e o r e t i c a lp e r f o r m a n c el i n e so ft h ee n g i n e k e yw o r d s ：i c et e s t a n dc o n t r o ls y s t e m ，p i da l g o r i t h m ； p a r a m e t e rt u n i n g ，d i g i t a lf i l t e rw a v e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：凌生麦 日 期：堕! 墅! 墨 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：套茸鑫导师签名：i 垂f 区 日期：芝主：f 罗 。，_ i 1 课题的研究意义 第一章绪论 内燃机是交通运输、工农业生产中量大面广的动力机械，在国民经济 和国防建设中处于举足轻重的地位近年来随着世界能源短缺和内燃机废 气排放对环境的污染等问题的日益严重，人们对内燃机的各种性能指标提 出了越来越高的要求，内燃机产品的推陈出新速度比以往任何时期都要 快。而现代经济全球化的趋势，使国内外市场上相同型号的内燃机产品之 日j 的市场竞争更加激烈，企业要想赢得用户和市场，确保自己在竞争中处 于有利地位，就得不断的加强质量控制，尤其是加快产品的更新换代速度 但是内燃机产品无论是新产品开发研制，还是老产品的更新改造、或者出 厂产品的检验与调整，都离不开实验手段的辅助。因此，不断开发研制测 试精度更高、测试速度更快、系统适应性更广、可靠性更好、自动化和智 能化功能更强的内燃机性能测控系统，是促进内燃机产业加速发展的关键 技术因素 目前国内的测试设备均较落后，都是需要多人配合进行，效率低且测 试结果精度不高。严重制约了产品的开发周期和质量水平的提高。研制一 种内燃机性能自动化测试设备，使其能根据指令或预先编制好的程序自动 完成对内燃机性能的测试，并且对测试结果自动记录和进行趋势分析，以 便大幅度提高工作效率和测量精度，同时对于汽车、工程机械等关联行业 的生产水平的提高，参与国际竞争，将产生重大的意义。 我国现有内燃机及相关方面的生产厂家近千家，其产品实验室每年需 要新投入或更新内燃机性能测试设备百余套以上同时，其试车车问所用 的测试设备大部分为7 0 年代或8 0 年代产品，已进入更新换代期。该测试 设备研制完成后，可根据需要灵活配置各功能模块，组成从手动到全自动 的各种档次的实验系统，满足各种内燃机实验的要求，可替代昂贵的进1 3 内燃机实验系统，将具有广阔的实验前景，产生较好的经济效益“”。 山东大学硕士学位论文 1 2 测控系统的国内、外发展现状 1 2 1 国外控制系统发展状况 内燃机试验所需测量的参数众多，各种试验项目要求也是各不相同， 但测试现场的工作环境通常都很恶劣，机器噪声、燃烧废气、燃油蒸汽等 对人体健康非常有害。因此，长期以来，工程技术人员都在致力于开发商 效、高精度、自动化的测控系统。 德国申克( s c h e n c k ) 公司的x 一o n e 系统是现代先进内燃机测控 系统一个典型的例子i3 1 x o n e 系统包括四个独立的子系统，如图1 1 所示该系统是集发 动机、变速箱、传动系、车身、排气污染、离合器和制动系统测试于一身 的综合集成测试系统其中，x m o t 是发动机测试系统；x d r i v e 是车 身测试系统；x g e a r 是变速箱测试系统；x - - b r a k e 子系统进行离合器和 制动系统测试。 图1 1x - - o n e 系统组成图 x 一0 n e 系统的组成示意图如图1 2 所示它的硬件系统包括台式计 算机、x p e nv m e 实时系统和标准的i o 借口，软件系统为w i n d o w s n t 操作控制系统丌发，系统通过标准的i o 接口把各测控设备硬件与计 算机系统相连，试验数据处理分析在计算机中进行，并且以标准的关系数 掘库文件格式保存。采用w i n d o w sn t 操作系统使用户软件系统独立于 测控仪器硬件系统，对未来测控仪器的发展保留了良好的丌放性， w i n d o w sn t 平台上的软件又为系统提供了良好的人机交互界面。同时 由于x o n e 系统采用了一系列标准的网络协议如t c p i p 、n o v e l l 等 山东大学硕士学位论文 组建安全可靠的网络，实验数据可以方便地为远端计算机共享 图1 2x - - o n e 系统简图 x - o n e 系统的各个子系统均可独立使用。使用x - m o t 子系统用户可以方 便地实现发动机的自动和手动测试，所有过程只需要通过与计算机图形界 面交流来完成在自动测试模式下，用户定义好测试过程，其余的控制、 测量和数据采集均由x - o n e 承担。另外，与道路运行模拟( r o a dl o a d s i m u l a t i o n ) 软件模块结合，x - m o d 可以模拟道路行驶状况，还可利用试验 室环境控制系统模拟各种不同的气候条件，使用户可以在试验台上完成昂 贵的发动机装车道路试验。 申克( s c h e n c k ) 公司的x - o n e 系统是九十年代国外先进发动机乃至整 车试验系统的代表。这类系统精度高，自动化和智能化程度比较高，但价 格昂贵。 1 2 2 国内生产水平 在我国，测功机的生产已经有一定的历史，1 9 6 5 年l o 月哈尔滨电机 厂为大连热力研究所研制了国内第一台4 0 0 0 千瓦直流测功机，建立了我 j 、国第一个直流测功机系列，填补了我国动力机械实验设备的空白。目前国 内生产测功机的厂家很多，如：湖南湘仪、七零研究所、洛阳南峰、启东 南通等。另外一些发动机、汽车厂家和科研单位在8 0 年代也从国外引进 了一批测功机。但进入9 0 年代后，随着能源危机、环境保护等问题的出 现，对内燃机、汽车产品检测设备的要求越来越高，而计算机技术和数字 控制技术则为测功机的控制系统控制提供了非常广泛的发展空间。计算机 具有逻辑判断和通讯功能，可以采用实时化的软件设计方案，使控制系统 山东大学硕士学位论文 能够快速、准确、可靠的控制实验的进行在国外，各行业已经基本上实 现了对测功机的自动控制，取得了很好的效果。国内使用的测功机不少采 用人工操作方法，数据采集的同步性差、测量误差大、计算精度低、劳动 强度大，而且功能不容易扩展。8 0 年代从国外引进的产品控制系统微机 也多为当时流行的八位机，如z 8 0 、8 0 8 5 等，软件系统多为汇编语言编制。 进入8 0 年代后期，这些设备的控制技术都已落后于时代，形成了机械部 分功能先进，而控制部分相对落后的现象，给使用带来许多不便之处 为了适应发动机测试的多点化、高精度、自动化、数字化和高可靠性 的发展趋势，使我国的发动机技术更上个台阶，赶超国际先进水平改 革丌放以来，特别是9 0 年代后，科研人员经过努力，借鉴国外的先进技术， 对测功机的种类进行了开发，对控制系统进行了改进，研制生产了各种型 号的测功机，其水平已经接近、达到了国际先进水平 1 3 测试技术发展动态 1 、智能仪器 一般意义上的智能仪器是指微机内存式仪器，它将单片或多片的微机 芯片与仪器有机地结合在一起形成单机智能仪器。图1 3 为这种仪器的基 本结构。这类仪器的核心是内簧的c p u ，它通过总线及接口电路与输入输 出通道、仪器面板及内存相连，e p r o m 和r a m 组成的仪器内存存放仪器所用 的监控程序、应用程序等。仪器可通过外部总线与c r t 屏幕显示器相连， 或用磁盘等设备输出数据，还可通过外部通信接口与外系统交换信息这 类仪器操作方便自动化程度比较高，具备一定的智能化水平，便于携带， 但功能事先限定不够灵活 图1 3 微机内存式智能仪器系统结构 目前许多分析仪器产品都采用单机智能仪器的形式。例如日本 s b i m a d z u 公司的n o a t o o o 扫f 气分析仪和y a k o g a w a 公司的a r i i o o a 高速数据 采集仪。 2 、总线技术 。 信息时代高新科技的广泛应用使各种工业、民用设施越来越复杂，需要 检测的指标也越来越多，单台仪器的功能往往不能满足需要，总线化和集 成化成为测控技术的一个重要发展方向。总线技术是现代测控技术的主要 组成之一采用总线技术，可大大简化系统结构，增加系统的开放性、兼 容性和可维护性，使测控系统易于标准化和组织规模生产，从而大大提高 性能价格比 3 、虚拟仪器技术 以通用个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 为基础，增加测试功能、数 字接口和控制接口，充分利用计算机的图形显示、数据处理、外设接口和 软件等功能，形成基于p c 的智能测控系统，是测控技术最新的发展方向 虚拟仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 技术是其中的代表之一，它被公认为 是对传统仪器概念的一次重大突破。它的核心技术思想为“软件就是仪器 ( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) ”它把仪器系统分为计算机，仪器 硬件和应用软件三部分，如图i 4 所示 图1 4 虚拟仪器系统 虚拟仪器系统中，仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式p c 或工作站等计 算机平台上。应用软件的基础部分是由仪器生产厂商提供的针对主流操作 系统( 如w i n d o w sn t ) 的标准设备驱动软件，这些标准的驱动软件使得应用 系统的丌发与仪器的硬件无关，应用程序通过与驱动软件接口，以对用户 透明的方式把计算机资源( 如c p u ，存储器、显示器等) 和仪器硬件( 如a d ， d a ，数字u 0 、定时器、信号调理等的测量) 、控制能力结合在一起：用户可 利用基于主流操作系统的面向对象可视化编程软件技术，编制应用程序软 件，实现友好的图形用户界面和数据的分析处理、表达，并通过图形界面 ( 通常叫虚拟仪器界面) 操作该计算机，如同操作自己定义、自己设计的一 台传统仪器。这样就打破了传统仪器只能由生产厂家定义而用户无法改变 的局面，而且突破了传统仪器在数据处理、显示、传送和存储等方面的限 制。系统中各仪器模块问的通信、定时和触发由仪器驱动软件中的原码库 函数完成这些函数为用户构建自己的v i 系统提供了基本的软件模块，用 户可以使用v c ，v b 等通用开发软件或l a b v i e w 等测控系统开发软件组建自 己的虚拟仪器，充分发挥软件技术的特长，方便地实现智能化测量控制 6 r-一 山东大学硕士学位论文 函数完成。这些函数为用户构建自己的v i 系统提供了基本的软件模块，用 户可以使用v c ，v b 等通用开发软件或l a b v i e w 等测控系统开发软件组建自 己的虚拟仪器，充分发挥软件技术的特长，方便地实现智能化测量控制。 同时，由于虚拟仪器的模块化、开放性和灵活性，以及应用软件是其关键 的特点，用户可充分发挥先进软件技术的优点当用户的测试、控制要求变 化时，可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统 这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的v i 系统而不丢失已有的硬、软件资源，降低了开发费用，缩短了开发周期。 1 4 测功机的控制系统 1 4 1t o p p o w e r 内燃机性能自动化测控系统 内燃机实验是一项比较复杂的工作，常规实验一般需要对发动机的转 速、扭矩、油耗、进出水温度、机油压力、机油温度、排气温度等参数进 行测量和控制，而对于像增压发动机、双燃料发动机等发动机的实验还有 更多的参数需要测量和控制。 t o p p o w e r 内燃机性能自动测控系统用于对内燃机进行自动化测试， 并且可对实验数据进行自动化分析处理对内燃机实验中所需采集和控制 的各种参数进行汇总与分析，并针对各种参数的不同精度要求，采用相应 的硬件结构和控制算法，保证结果的高精确性；对内燃机的各种性能实验 形式进行研究、细化与归类，并设计相应的控制模块，实现对实验信息的 全自动采集、自动化控制与处理，保证实验工作的高效性。 该系统由发动机参数测试模块( t p m c ) ，t p c - a 、t p c b 发动机性 能测控模块，t p h a 开关箱，t p o 系统智能油耗仪，t p s a 转速、转矩 显示屏，计算机控制软件，实验数据分析处理软件等模块组成。 通讯方面，系统采用上下位机结构，各部分之间的数据传递均采用数 字接口结构框图如图1 5 所示。 系统设置有励磁油门、转矩转速、转矩油门，转速油门四种工况 设置方式。各种控制方式可在运行中动态切换。 7 山东大学硕士学位论文 图1 5 测功机结构框图 1 4 2 系统硬件部分 现在的内燃机实验要求在控制系统中，利用单片机可以进行连续采 点、多路测量、计算、数据处理等各项工作，最后将计算结果和测量结果 打印输出，并可同时将所有的原始资料及计算结果存入软盘，以各随时调 用。 我国测功机的控制系统大多是由国外测功机的控制系统经过改进而来 的虽然它们的控制原理都大同小异，但是在不同种类的测功机上，由于 其不同的应用环境和范围，采用的控制系统也不相同 现在，测功机的控制系统都采用各种单片机作为系统主机，扩展一些 外围接口芯片构成测试系统。将各种机型的数学模型经过编程后存入计算 机存储器中在发动机的被测部位安装各种传感器测得转矩、转速、温度 等参数，传感器将被测信号检出后，送至发射极的放大器中，放大到规定 电平，经、r f 转换器转换成与转矩成正比例的脉冲数，经调制后由发射天 线发射接受天线接受的微弱讯号经隔离放大，选频放大后由低温滤波器 8 ， 山东大学硕士学位论文 解调成原先的v f 转换器的脉冲，该脉冲经整型后，送至单片机进行数据 处理。 1 5 控制系统算法 近年来，工业过程的实际对控制不断提出新的挑战，比如，被控对象 同益复杂，这种复杂性不仅表现在高维性等规模上量的增加，而且表现在 信息结构上质的变化如严重的非线性，不确定性因素增多，先验知识缺 乏等；控制不再仅仅追求低层次上的单一品质( 如超调，上升时间等) ，而 是力求实现多样化、多层次的综合目标，包含规划、管理、决策等；基于 实时性、生产成本和操作工素质等诸因素的考虑，控制手段不允许过分复 杂。目前在工业生产中应用的算法大致有以下几种 1 、p i d 算法 目前国内生产的电涡流测功机，自动控制系统均采用p i d 算法，p i d 控 制是应用的最广泛，技术最成熟的控制规律。 p i d 控制有数字p i d 和模拟p i d 之分。数字p i d 算法的适应性比模拟 p i d 好一些，但在实际应用中，经常需要根据不同机型对p ，i 、d 参数进 行调整，以获得最佳控制效果，这样就对试验人员提出了较高的要求，增 加了试验的难度。 在采用单纯的模拟p i d 控制时，对机型近似的内燃机虽然不需要经常 调整p 、i 、d 参数，但在工作时各种控制模式难于做到无扰切换，经常需 要停止内燃机来切换控制模式，使试验烦琐。对于机型差异较大的内燃机， 则可能出现超调过大，振荡等控制不稳定现象“1 鉴于此，我们本着使用方便、控制调整精度高、适用性广的原则，在 总结经验的基础上，把数字p i d 和模拟p i d 一并应用，这样，既发挥了模拟 p i d 反映迅速、滞后小的特点，又融合了数字p i d 适应性广、易于修正的特 点，降低了系统的运算量，使系统可以更为全面的对控制参数进行修正， 获得良好的效果，使用中不再需要调整任何控制参数详细情况在第二章 中介绍。 2 、模糊预测控制 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一 9 山东大学硕士学位论文 种计算机数字控制它出一定的先验知识来构造模糊控制规则通过一系 列不精确的控制来达到精确的控制目的。模糊控制的优点在于它不需要对 象的精确数学模型，只是利用那些反映系统特性的先验知识根据一定的控 制规则来进行控制因此，对于复杂的被控对象，特别是那些无法建立数 学模型的对象，模糊控制的控制效果往往优于常规的反馈控制。 2 0 世纪7 0 年代问世的预测控制具有实现简单、对模型要求低、在线计 算方便、算法鲁棒性强等优点，在实际控制中对复杂系统可以获得满意的 控制效果。 在现实中，模糊控制常常结合预测控制对不确定的系统进行控制，即 模糊预测控制基本思路是：以过程预测信息处理为核心，将模糊辨识与缄 默方法用于常规的预测控制中来，或者以模糊决策优化为核心，利用预测 控制的相关原理、方法以及字矫正原理对传统模糊控制器的隶属度函数、 控制规则等进行优化或直接修正控制策略使得某一线形能测量指标趋于 优化。详情请参照文献 4 ，5 需要指出的是，传统的模糊控制为“事后调节”，因而对大迟延对象的 控制效果不很理想“，引 3 、基于神经网络的智能控制 作为一种新型的信息获取，描述和处理方式，人工神经网络 ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，简称神经网络) 的产生可追溯到4 0 年代 最初为兴奋抑制型m p 模型和改变神经元连接强度的h e b b 规则。到t s o 年代 与6 0 年代，分别产生了延用至今的p e r c e p t r o n 和k d a l i n e 模型，作为人 工智能网络结构的研究。神经网络的跨学科研究高潮则是在8 0 年代后期， 由柬自神经科学，心理学，计算机，控制论，系统论，信息论。数学，物 理等众多领域的研究人员共同努力下形成的 一般而言，神经网络是由众多的称之为神经元的基本非线性单元经广 泛相互联接而成的。典型的神经元可以用下述的多输入单输出单元来描述 ( 如图l 所示) 。 o x x 田ii w , 最元 娜( 喜w o - i 其中扛 i = l ，2 ，n 和y 分别表示输入和输出变量，而“ i = l ，2 ，n 称为f x ： 与y 之间的连接加权。f 为一个简单非线性的激发函数，出于生物 学上的考虑f 一般可作如下三种选择： f 13 o f “) ( i ) l lx o f ( x ) 2 专 ( 2 ) f ( x ) = f 形t ( 3 ) 当这些神经元相互联接构成网络时，某个神经元的输入可能来自另一个神 经元的输出或者网络的外部输入，而所有那些( h 构成了网络的参数。 网络的整体行为由神经元处理方式和网络联接方式共同决定。根据实 际控制过程中各种模型的操作原理不同，其采用的算法也不尽相同。 1 6 课题的提出及主要工作 我国是农业机械大国，内燃机具有广泛的应用领域由于历史的原因 和投资成本的限制，目前绝大多数企业的内燃机测试手段比较落后，试验 效率低下，这将直接影响到企业产品的质量和市场竞争力。针对这种现状， 研制开发一种成本地、精度高、测试快速、操作简明、可靠性好、自动化 山东大学硕士学位论文 功能强的内燃机性能测控系统，来满足企业的实验设备改造需求，无疑 具有十分重要的作用和意义。 主要工作有： l 、 将电涡流测功机测得的发动机转速作为参考信号，通过系统的 p i d 运算，得出控制量，改变油门的位置，使发动机的转速能够 变到设定的数值。 2 、将电涡流测功机测得的发动机的转矩信号作为参考值，通过系 统的p i d 运算，得出控制量，通过改变测功机励磁电流的大小达 到改变输出转矩的目的，最终使转矩的输出改变到设定的数值。 3 、利用l p c 2 2 0 0 单片机实验板，通过在p c 机上编写程序，进行p 、i 、 d 参数调节的模拟试验，通过其提供的软件开发环境，观察试验 结果，选择最佳的参数 4 、通过试验验证控制系统的控制效果 第二章系统控制算法及参数的调试 在测功机测控系统中，控制算法采用p i d 算法p i d 控制是目前应用 最广泛的一种控制算法，而p 、i 、d 参数的调节又是该控制中的一个重要 环节，如何确定合适的参数，是控制系统中需要首先解决的问题。 在参数的调节过程中。可以利用计算机、单片机和油门机搭建电路， 模拟系统的控制过程，完成对油门机的控制，并且在控制过程中找出最佳 的p ，i 、d 参数。 在模拟试验中，在硬件设备上，采用l p c 2 2 0 0 系列单片机作为控制 单元；在电路设计中，采用脉宽调制( p w m ) 来驱动电路，通过改变方 波脉冲的占空比，得到不同大小的平均直流电压，来驱动电机的运行 在实际控制中，系统采用转速、转矩的采集值作为运算调节的目标值， 经过p i d 运算，最终将发动机控制在预定的工况上 本章将介绍p 、i 、d 参数调节的实验过程，以及模拟试验的结果， 2 1 油门机控制系统概述 作为一个完整的反馈控制试验，其控制原理如图2 i 所示嘲 图2 1 反馈控制原理图 r ( t ) 一输入变量或给定值； e ( t ) 一偏差变量； u ( t ) 一控制变量； f ( t ) 一反馈变量； y ( t ) 一输出变量或被控变量。 试验中，单片机接收油门机上传感器的信号，通过d a 转换，变为可 山东大学硕士学位论文 以识别的电信号，即控制系统的反馈值f ( t ) ，与预先设定的给定值( r ( t ) ) 相比较，产生偏差变量e ( f ) = r ( o f ( f ) ，经过p i d 运算，得出合适的p i d 增量，改变相应的占空比，把输入的电压转换为大电流的p v o j 电压。得到 输出变量y ( t ) 来控制油门机上的执行机构，使油门改变位置。重复上述 控制过程，最终使油门停留在理想的位置，整个过程的关键就是要使油门 手柄迅速、准确的定在预定位置，避免振荡，这就需要选择合适的控制电 路和控制算法。 2 2l p c 2 2 0 0 系列单片机 2 2 1l p c 2 2 0 0 系列单片机硬件结构 在本次模拟试验中，单片机实验板采用l p c 2 2 0 0 系列a r m 硬件结构，如 图2 2 所示，它是基于一个支持实时仿真和跟踪的3 2 位a r m 7 t d m i sc p u 的微控制器，并带有o 1 2 8 k 2 5 6 k 字节嵌入的高速片内f l a s h 存储器，片内 1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速 率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规 模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。 由于l p c 2 2 0 0 系列较小的6 4 和1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时 器、4 路1 0 位a d c 或8 路1 0 位a d c ( 6 4 脚和1 4 4 脚封装) 以及多达9 个外部中断 使它们特别适用于工业控制。 在6 4 脚的封装中，最多可使用4 6 个g p i o 。在1 4 4 脚的封装中，可使用的 g p i o 高达7 6 ( 使用了外部存储器) 一1 1 2 个( 单片应用) 。由于内置了宽范 围的串行通信接口，它们也非常适用于通信网关、协议转换器、嵌入式 m o d e m 以及其它各种类型的应用“1 1 4 山东大学硕士学位论文 卜_ 。_ l x ，1 1 ) 。p 图2 22 2 1 0 系列单片机结构图 2 2 2 软件开发调试环境 a d s ( a r md e v e l o p e rs u i t e ) 集成开发环境是a r m 公司推出的a r m 核微控制器集成开发工具，成熟版本为a d s l 2 a d s | 2 支持a r m l 0 之 丽的所有a r m 系列微控制器，支持软件调试及n a g 硬件仿真调试，支 持汇编、c 、c + + 源程序，具有编译效率高、系统库功能强等特点，可以 在w i n d o w s 9 8 、w i n d o w sx p 、w i n d o w s 2 0 0 0 以及r e d h a tl i n u x 上运行 在a d s i 2 集成开发环境中，用户一般直接操作的是c o d e w a r r i o ri d e 集 成开发环境和a x d 调试器。 l 、 c o d e w a r r i o ri d e 调试器 c o d e w a r r i o ri d e 调试器集成了a r m 汇编器、a r m 的c ，c + + 编译器、 t h u m b 的c ，c + + 编译器，包含工程管理器、代码生成接口、语法敏感( 对 关键字以不同的颜色显示) 编辑器、原文件和类浏览器等等。c o d e w a r r i o r i d e 调试器主窗口如图2 3 所示。 山东大学硕士堂僮途塞 ， 图2 3c o d e w a r r i o ri d e 调试窗口 2 、a x d 调试器 a x d 调试器为a r m 扩展调试器( 即a r me x t e n d e dd e b u g g e r ) ，包 括a d w a d u 的所有特性，支持硬件仿真和软件仿真( a r m u l a t o r ) 。a x d 能够装载映像文件到目标内存，具有单步、全速和断点等调试功能，可以 观察变量、寄存器和内存的数据等等a x d 调试器主窗口如图2 4 所示 羔盗雪茹i 西i f 墨蠢茹揣l 淼毹亩i 。瞄晶i 鬲蚴日嘲葡高磊翻训喇掣 c _ ；f i o 卫 - _ ：，、 hc - l_ _ h “州蝴 - + ；斗 二。，n - t 一l ， 0 基鏊裘东 - 羔 “。qm u _ ：t m ：m m wl ：hmh m 竹- - 一“h e “ y i “m m j h h - ；y h - i 柚 u - i m * o u j - - 嚣j 二，一 ”m ，。一 _ ，“：；叶 ；j ! 严1 d 图2 4a x d 调试窗口 3 、e a s y j t a g 仿真器 山东大学硕士学位论文 由图2 5 所示的e a s y j t a g 仿真器可以观测程序调试过程中电压值的 变化过程。 图2 ，5e a s y j t a g 仿真器显示窗口 2 3p i d 控制算法 + 在工业控制中，根据实际工作经验在线整定p i d 各参数，可以得到满 意的控制效果。利用计算机实现的p i d 调节器，不但继承了模拟p l o 调 节器特点，而且由于软件系统的灵活性，p i d 算法可以得到修正而更加完 善。同时，计算机控制p i d 调节器与模拟p i d 调节器在应用上又不一样。 2 3 1 位置式p i d 算式 连续控制系统中的p i d 控制规律是： u ( 0 - - k , 卜砉p t 班+ 瓦剖 ， 其中，k 。为比例系数，t 。为积分时间常数，t 。为微分时间常数，u 。是边 差为零时的控制作用，是控制量的基准，如原始阀门开度、基准电压等。 在控制中，计算机只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此上式 中的积分和微分项都不能直接使用，需要进行离散化处理。即将描述连续 系统的微分方程代之以等效的描述离散系统的差分方程，就可以得到相应 的数字p i d 调节器，将式l 一1 中的连续时间t 用一系列的采样时刻点灯 代替，采用矩形法进行数值积分，以求和代替积分，以差分代替微分，就 可以得到相应的离散p i d 表达式为书写方便，将e ( k t ) 简化成e 伍) 得到 山东大学硕士学位论文 位置式算式： 荆- 巧号扣+ 和瑚一，) 】) z ， 式中k 一采样信号，k = 0 ，1 ，2 ； “ )一第k 次采样时刻的计算机输出值； e 伍) 一第k 次采样时刻输入的偏差值； 出一1 ) 一第( 七一1 ) 次采样时刻输入的偏差值； 蜀一积分系数，蜀= i ( p t t i 一微分系数，k d = k p t , t 这种算式中有一项累加项磊以f ，随着时间k 的增加，累加的项次 也依次增加，不利于计算机的计算。另外，如果由于某种干扰因素导致“ ) 为某一极限值时，被控对象的输出也将做大幅度的剧烈变化，这可能导致 严重的事故。分析原因，位置式算式存在以上缺陷的主要原因是它所给出 的只是当前控制量的大小，与此前时刻控制量的大小却完全不相关为此 我们导出增量式算式咖。 2 3 2 增量式p i d 算式 由2 - 2 可以得到： h ( 七一1 ) 。k - e c 七一，+ 砉篓乞r + 瓦! ! 二掣】2 3 ) 将2 - 2 式和2 - 3 式相减，得到： “( 七) - k e e ( 七) 一e ( 七一1 ) + 署e ( 七) + 乃! ! 羔= 三兰生；掣】( 2 4 ) 式2 4 称为增量式p i d 控制算法。 位置式和增量式的结构简图分别如图2 6 所示。 1 8 山东大学硕士学位论文 位置式算式 图2 6 算式结构图 虽然增量式只是算法上的一点改变，却带来了不少优点：算式只与最 近几次采样值有关，不需要进行累加，不易引起误差，控制效果好；计算 机只输出增量，误动作时影响小；手动自动切换时容易实现无扰动切换 2 3 3 数字p i d 算法中对干扰的抑制措施 数字p i d 调节器的输入量是系统的给定值r 和系统实际输出的偏差值 e 在进入正常调节过程后，相对而言，干扰对控制器的影响也就很大。 因此必须考虑干扰的影响。p i d 算法中，差分项对数据误差和干扰特别敏 感，一旦出现干扰，由它算出的结果可能出现很大的非希望值。因此。对 差分项进行了改进，采用四点差分法。 在四点差分法中，一方面将鲁取得略小于理想情况；另一方面，在组 成差分时，不是直接引用现时偏差，而是用过去四个时刻的偏差平均值 作基准。 。 ；= 也气14 - e t 4 -e t - 2 + 气4 ) ( 2 5 ) 8 2 i 乜气1 + 气4 j ( 2 - 5 ) 再通过加权平均和构成近似微分项。 半2 纠警5 + 警0 5 一警0 一警1 ( z 删 r 丁i1 5 1 5i 1 9 山东大学硕士学位论文 整理可得： 丁t d a e kt 罟比) + 3 e ( k 一1 ) 一知 一1 ) 一e ( k 一3 ) 】 ( 2 - 7 ) 将式2 7 代入式2 4 可得修正后的p i d 增量式算法，即： 山( o - k ， k ) 一以一3 ) + 3 e 一1 ) 一3 出一2 ) 】+ e ) 0 + t , fe ( k ) + 2 e ( k - 1 ) - 6 e ( k - 叫2 ) + 2 e ( k - 3 ) + e ( k - 4 ) ( 2 - 8 ) 在设计中，根据以上的算法，在大量的实验数据基础上，对p i d 调节器的 参数进行整定 2 3 4p i d 的改进算法 在计算机控制系统中，p i d 控制规律是用计算机软件来实现的，因此 它的灵活性很大，一些原来在模拟p i d 控制器中无法实现的问题，在引入 计算机后，只要通过软件处理就可以得到解决于是产生了一系列围绕此 目的的改进算法，满足不同控制应用系统的需要下面将介绍数字p i d 控 制算法中一些常用的改进算法。 l 、对积分作用的改进 在控制系统中，控制量的输出值要受到元器件或执行机构性能的约束 ( 如电源电压的限制、放大器饱和等) ，因此它的变化应在有限的范围内 即 h i “n u k u k m x 如果计算机根据位置式p i d 算法得到的控制量u 。在上述范围内，那么 p i d 控制可以达到预期的效果。一旦超出上述范围，那么实际执行的控制 量就不再是计算值，产生的结果与预期的不相符，这种现象通常称为饱和 效应。 在数字p i d 控制器中，引入积分环节的目的主要是为了消除静态误差， 提高控制精度当在电机的启动，停止或大幅度增减设定值时，短时删内 系统输出很大的偏差，会使p i d 运算的积分积累很大，引起输出的控制量 山东大学硕士学位论文 很