详解发动机性能虚拟仪器测试系统

1、详解发动机性能虚拟仪器测试系统来源：半导体器件应用网摘要：随着发动机电控技术的发展，对发动机测试提出了更高的要求。发动 机试验的自动化成为提高发动机测试效率和质量的重要方法。虚拟仪器是用软件 将计算机与标准化虚拟仪器硕件结合起來，从向实现传统仪器功能的模块化，以 达到自动测试与分析的目的。关键字：虚拟仪器，测试系统，监控1引言随着发动机电控技术的发展，对发动机测试提出了更高的要求。发动机试验 的口动化成为提高发动机测试效率和质量的重要方法。虚拟仪器是用软件将计算 机与标准化虚拟仪器硬件结合起来，从而实现传统仪器功能的模块化，以达到口 动测试与分析的日的。轻松完成对利用虛拟仪豊技术用户可以通过图

2、形化的编程环境和操作界面, 待测对象的信号调理、过程控制、数据采集、数据分析、波形显示、数据存储、 故障诊断以及网络通信等功能，大大缩短了系统开发周期；同吋由于采用了标准 化的虚拟仪器软硬件，测试系统的兼容性和扩展性也得到了很人程度的增强；除 此以外，虚拟仪器技术的灵活性强和可垂用度高，可以使用户的测试系统规模最 小化，且易于升级和维护，用户茯至可以使用现有硬件组成另一套测试系统,从 而减少不必要的重复投资，降低系统的开发成本。2系统组成及工作原理(1) 系统组成发动机性能虚拟仪器测试系统主耍由主控机模块、cfp实时监控模块、测功 机模块以及待测发动机模块四部分组成，如图1所示。itt据分齐控

3、別设咒丄界向设fl图1发动机性能虚拟仪器测试系统主控机模块为一台dell工作站，用于提供图形化用户界面，完成对系统硬件 的配置和对用户界而和控制参数的设置，并实时更新各指标参量对时间的波形显 示，经过曲线拟合后得到发动机特性曲线，最后完成测试数据的记录工作。与此 同时，主控机还通过恢入式nipci数据釆集卡完成对非控制参量，如压力、油耗 等的测量工作。cfp实时监控模块由两部nicfp分布式i/o系统组成，通过tcp/ip协议与主 控机通信，从主控机获得控制参数命令来控制测功机，并返回从测功机模块采集 来的数据信号，交由主控机处理。其中模块a用于完成实时口动加载和控制指标 参量的测量，并提供过

4、载保护、紧急停车以及非法停机后的系统重建等应急描施; 模块b用于完成对待测发动机各温度点的实时监测。测功机模块被用于为待测发动机提供一定的负载，并山其内部的传感设备将 待测发动机在该负载下的扭矩、转速以及输出功率等待测指标参量转换为cfp实 时监控模块a可以接受的电压信号。（2）工作原理发动机性能虚拟仪器测试系统可在两种工作模式运行下：白动工作模式和手 动工作模式，主要测试项目有：1）发动机压力曲线（油、水、气的进出口）。2）发动机温度曲线（油、水、气的 进出口及环境）。3）发动机转速曲线。4）发动机扭矩曲线。5）发动机功率曲线。 6）发动机汕耗曲线。口动工作模式下，主控机首先等待用户完成软硬

5、件的设置和配置。然后提请 用户选择负载测试或定参数测试，负载测试下用户需要设置负载曲线、负载时间、 循环时间以及测试时间等测试参数；定参数测试f,用户可以选择指定扭矩、转 速或是功率，并设置和应的定标参数、控制参数以及测试时间。完成以上步骤以 后，就可以启动测试程序，测试系统即按照用户制定的负载自动加载同时完成对 待测发动机的性能测试；或是通过一定的控制算法保持定标参数的稳定并对该状 态下的待测发动机进行口动测试。系统运行的同时，用户可以在实时监测图表屮 观察各指标参量对时间的波形显示，经过曲线拟合后得到发动机特性曲线，并可 将感兴趣的图表导出存盘。当完成测试吋间后，系统自动终止测试。手动工作

6、模式下，系统工作原理与自动工作模式下基木类似，只是系统不进 行循环测试，而是提供一种交互式的测试环境，完成指定的测试项目后，等待用 户的进一步操作。3硬件结构发动机性能虚拟仪器测试系统硬件组成框图，如图2所示。图2发动机性能虚拟仪器测试系统破件组成框图(1)主控机主控机选川一台dell工作站，内嵌了 intelpentium42. 6gcpu,多功能数据采集卡和实时测温模块和实时监控模块。(2)实时监控模块实时监控模块选用nicfp分布式i/o实时系统。作为工业级控制系统，cfp 具备fifo数据队列、断电数据缓存、看门狗状态监测以及高抗冲击性和抗干扰 性，是用于完成系统最核心的实时釆集与控制

7、的部分。(3) 实时测温模块实时测温模块选用nicfp分布式i/o实时系统。采用了 cfp-2020控制器，配 以4块cfptc-1208通道热电偶模块，可直接用丁测量标准j、k、t、n、r、s、e 和b型热电偶，并提供相应的信号调理、双绝缘隔离、输入噪声过滤、冷端补偿 以及各种热电偶的温度算法，用于发动机各待测温度点的数据采样，并利用分布 式i/o的基于tcp/ip协议的网络共享功能实现数据的远程共享，有利于对工业 现场实施远程的实时监控。(4) 测功机测功机是根据作用力与反作用力平衡原理设计的。当发动机测功机的定子受 到的转矩与被测发动机的转矩相等时，由单片机数据采集系统直接精准地读出被

8、测发动机的转矩值。当被测发动机旋转带着测功机的转了旋转时，若给测功机加 入盲流励磁电压，测功机中有磁场存在，此时测功机转子旋转且切割磁力线产生 电枢电流，电枢电流和磁通相互作用产生制动转矩，同时测功机定子受到一个相 反方向的转矩作用，便在测功机传感器轴上产生压应力，在止常工作范围内，圧 应力与传感器轴所承受的转矩成正比。如果在传感器轴产生最人压应力方向上粘 贴电阻应变片，则应变处的电阻值就随着压应力的人小而变化，再将应变片接入 一定的桥式电路就能将压应力的变化转化为电压信号，从而即能测量出转矩的大 小。发动机转速的测量使用光电式转速传感器，测速分辨力高、惯性小、应用广 泛，利用单片机和光电式传

9、感器相配合，使待测量发动机转速简便、抗干扰能力 强。光电式传感器在发动机轴上装一个边缘有n个均匀分布锯齿的圆盘，通过光 线投射到光敏管上，当发动机转动一周，就得到n个脉冲信号，测量脉冲信号的 频率或周期，就可得到发动机的转速。(5) 控制机柜控制机柜主耍由控制开关、开关电源、滤波器以及连接线路组成，是为各路 传感模块提供相应的多路接口，使之与待测发动机连接，并提供安全的系统供电、 信号隔离、幅度调节以及风冷控制等辅助功能，为整个发动机测试系统提供强电 支持及系统应急措施。4软件结构及算法(1) 软件结构发动机性能虚拟仪器测试系统总体采用一种基于tcp/ip协议的客户机/服务 器(cs)结构。服

10、务器架构为nicfp分布式i/o体系，利用其内嵌的独立式实时系 统实现目标参量的信号采样，并完成对目标参量的实时监测和控制；客户机则采 用通用的pc机结构，运行windows多线程操作系统，使用labview虚拟仪器平 台，借助tcp/ip协议实现，与服务器之间控制参量及检测数据的通信，并提供 gui图形化用户界面，实现人机交互，完成控制参数的输入，以及检测数据的分 析、运算和图表显示。系统操作流程为，上电后服务器口动启动存储器中内建的labviewrt实时程 序，并实时侦听客户机“开始测试”的命令；客户机开机运行发动机性能虚拟仪 器测试主程序，完成用户登录、硕件配置、选择测试项目、设置测试参

11、数后，启 动测试程序；服务器侦听到客户端“开始测试”命令后，按照客户制定的硕件配 置、测试项目以及测试参数开始实时控制与数据采集，并通过tcp/ip协议将实 验数据发送给客户机；客户机发出pid控制命令，并对服务器发送的实验数据进 行分析处理，完成pid控制后，按照测试项目进行测试，分析处理测试数据，并 以图表方式显示实验结果；完成测试后，客户机发出结束测试的命令，经服务器 接收确认后，结束测试。(2) pid控制算法本系统试验了3种pid控制算法：位置式pid控制算法、增量式pii)控制算法 和积分分离ptd控制算法。1)位置式pid控制算法位苴式pid控制算法描述为心)=尺涉(幻+

12、63;>(" +心0伙)-亦一1),其中，穴。，1，2为采样序号；u (k)为第次采样时刻的计算机输出值；e (k)为第次采样时刻输入的偏差 值；e(kl)为第(k1)次采样时刻输入的偏差值；叫为积分系数，叫二岭丁/丁工；陶为徴分系数， =kptd/t;呂为比例系数；r为积分时间常数；t。为徽分时间常数；t为采样周期.该算法的优点是原理简单，只是将经典的pii)算法理论离散化，运用于计算 机辅助测量，结构简单易于实现；缺点是每次输出均与过去的状态有关，计算时 要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大；而且，因为计算机输出的u(k)对应的 是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，

13、u(k)的大幅度变化会引起执行机构 位置的大幅度变化。2) 增量式pid控制算法増壘式pid控制算法描述为：血仗)=k誇仗)+ k4仗)+ ©心)7心-1).,其中 、啲=与一期一1)。该算法的优点是，由于计算机输出增量，误动作时影响小，必要时可以用逻 辑判断的方法去掉；手动/白动切换时冲击小，便于实现无扰动切换，此外当计算 机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持原值； 算式中不需要累加。控制增量u(k)的确定，仅与最近k次的采样值有关，所 以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。增量式控制也有不足之处：积 分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。3) 积分分离pid控制算法k积分分离pid控制算法描述为以幻=心仗)+昭工</) +心2伙)-锹-1),其中：q = 0心)| y当|怒)|当| * (| >w时，即偏差值| e (k) i比较大时，采用pd控制，可薩免过大的超调，又使系统有较快的响应。当i e (k)丨we,即偏差值i e (k) i比较小时，采用pid控制，可保证系统的控制楕度.5结论该发动机性能虚拟仪器测试系统，实现了对发动机的多路压力、扭矩、转速、 功率以及温度实时监测，并利用tc