摘 要： 近幾年，國際上涌現(xiàn)出了很多虛擬儀器開發(fā)平臺軟件并被廣泛應(yīng)用于通訊、自動化、航空、電力電子、機(jī)械等各個領(lǐng)域。在我國的電子測量、機(jī)械工程諸多領(lǐng)域它也有著廣泛的應(yīng)用，并逐步地應(yīng)用在發(fā)動機(jī)工況測試與控制領(lǐng)域。本文通過構(gòu)建基于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)，研究了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測控的原理，闡述了在LabVIEW開發(fā)平臺上進(jìn)行軟件設(shè)計的基本方法。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 LabVIEW

1.引言

我國汽車業(yè)正蓬勃發(fā)展，汽車業(yè)已經(jīng)成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)。發(fā)動機(jī)是汽車的核心部件，其質(zhì)量對汽車的使用壽命，行駛安全，以及環(huán)境污染都有重要的影響。在發(fā)動機(jī)的性能試驗中，轉(zhuǎn)速的測量與控制是關(guān)鍵之一。依照傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)設(shè)計方法，采用傳統(tǒng)的儀器儀表進(jìn)行檢測，體積龐大，可靠性差。虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用，具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時間短、無縫集成的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)就是以高度可靠的工業(yè)控制計算機(jī)作為主機(jī)，采用多功能數(shù)據(jù)采集運(yùn)動控制卡、高度集成的工業(yè)化放大隔離模塊和智能化調(diào)理模塊，充分利用圖形化編程語言LabVIEW將功能模塊逐個進(jìn)行程序編譯，搭建一套發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)數(shù)字化平臺。

2.發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)開發(fā)的方法和硬件

2.1開發(fā)的方法

本系統(tǒng)的開發(fā)采用自上而下的系統(tǒng)分析方法、模塊化的設(shè)計方法、邊編譯邊試驗邊改進(jìn)的程序編譯方法、先局部后整體進(jìn)行調(diào)試的方法。

2.1.1在系統(tǒng)的設(shè)計上，按照采集的參數(shù)劃分模塊，如轉(zhuǎn)速模塊，這樣即使其中的某一模塊出現(xiàn)故障，其他的參數(shù)采集也不受影響。同時又按照功能分成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示及存儲和反饋控制幾大模塊。

2.1.2在系統(tǒng)的調(diào)試方法上，先將各個模塊的功能實(shí)現(xiàn)了，把各個通路（參數(shù)采集、反饋控制）都打通了的情況下才進(jìn)行整體的調(diào)試。

2.1.3在系統(tǒng)的控制包設(shè)計上，采用PID控制方法，按照試驗的情況和經(jīng)驗總結(jié)設(shè)計算法。

2.1.4在系統(tǒng)的操作界面設(shè)計方面，按照操作簡便、醒目簡潔、防誤操作能力強(qiáng)等原則進(jìn)行設(shè)計，主要突出在易用性和防誤操作性能上。

2.2系統(tǒng)的硬件

系統(tǒng)采用凌華IPC610整機(jī)，配置如下：主板PCA－6006VE，CPU P4 2.4GHz，內(nèi)存512M，硬盤60G，帶兩個ISA插槽和4個PCI插槽，以及兩個COM端口。數(shù)據(jù)采集及運(yùn)動控制采用凌華DAQ2214多功能數(shù)據(jù)采集運(yùn)動控制卡，該卡是32位的PCI總線方式的多功能數(shù)采卡，具有在線自校正的功能，具體參數(shù)如表1所示。用于信號采集的傳感器及其調(diào)理設(shè)備的具體參數(shù)如表2所示。

3.發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)原理及軟件系統(tǒng)

3.1發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)的原理

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)首先通過轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時準(zhǔn)確地采集轉(zhuǎn)速信號，然后根據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速信號按照系統(tǒng)設(shè)計的要求通過數(shù)采卡輸出脈沖信號驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，而步進(jìn)電機(jī)又控制著油門的大小，這樣就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。

在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)中要想實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制，首先應(yīng)能實(shí)時、準(zhǔn)確地采集轉(zhuǎn)速信號。轉(zhuǎn)速信號是發(fā)動機(jī)測試的一個重要信號，根據(jù)發(fā)動機(jī)性能試驗方法的規(guī)定，轉(zhuǎn)速的誤差不大于所測值的±0.5%。轉(zhuǎn)速信號能否準(zhǔn)確、實(shí)時地采集關(guān)系到系統(tǒng)的控制能否實(shí)現(xiàn)，因此需要設(shè)計好轉(zhuǎn)速信號的采集方式、調(diào)理方法和數(shù)據(jù)處理過程。在本系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速信號用磁電式傳感器進(jìn)行信號采集。在發(fā)動機(jī)的輸出軸上安裝一個均布12個齒的轉(zhuǎn)盤，把傳感器安裝在轉(zhuǎn)盤的齒的正對面，調(diào)整好傳感器探頭和齒盤的距離，使傳感器能在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時候很好地采集到交變的毫伏級的電壓信號。信號經(jīng)調(diào)理電路處理后輸出一幅值為5的脈沖方波信號，信號再經(jīng)數(shù)采卡的模擬輸入通道輸送轉(zhuǎn)速。具體的流程如圖2所示。

系統(tǒng)的智能控制是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)的核心的部分，如果系統(tǒng)不能按照試驗的要求實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制，那么系統(tǒng)的測試是沒有任何意義的。綜合各種控制方法和現(xiàn)場的實(shí)際，本系統(tǒng)采用數(shù)字PID作為首選的控制方式。在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，本文采用閉環(huán)控制的方式。系統(tǒng)的控制方案如圖3所示。

PID控制是比例、積分、微分控制，是目前工業(yè)控制系統(tǒng)中比較成熟的技術(shù)。在工程上，傳統(tǒng)的數(shù)字PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、速度快、參數(shù)整定方便、穩(wěn)態(tài)誤差小、可靠性高，是目前工業(yè)過程控制領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最廣泛的控制策略。相對于傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)而言，數(shù)字控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）精心設(shè)計的微機(jī)控制系統(tǒng)能顯著地降低控制器的硬件成本；

（2）系統(tǒng)可靠性大大增強(qiáng)，系統(tǒng)平均無故障時間大大長于分立元件電路；

（3）數(shù)字電路不存在溫漂問題；

（4）可以完成很多復(fù)雜的功能，如給定指令、反饋處理、參數(shù)校正、邏輯運(yùn)算及判斷、系統(tǒng)監(jiān)控、故障診斷、狀態(tài)估計、數(shù)據(jù)處理等。

數(shù)字控制系統(tǒng)一般由控制對象（包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)）、測量環(huán)節(jié)和數(shù)字調(diào)節(jié)器（包括采樣保持器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字計算機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和保持器）等組成，其典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中D（Z）為數(shù)字控制器，Gh（S）為零階保持器，Gp（S）為被控對象傳遞函數(shù)。控制對象的連續(xù)狀態(tài)信號通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣、量化、編碼變成時間和幅值上都是離散的數(shù)字信號e（kT），經(jīng)過計算機(jī)處理，給出數(shù)字控制信號u（kT），然后通過D/A轉(zhuǎn)換器使數(shù)字量恢復(fù)成連續(xù)的控制量u（t），再去控制被控對象。其中，數(shù)字計算機(jī)、接口電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器等組成的部分稱為數(shù)字控制器，數(shù)字控制器的控制規(guī)律是由編制的計算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)字控制系統(tǒng)作為離散時間系統(tǒng)，可以采用差分方程來描述，并使用z變換法和離散狀態(tài)空間法來分析和設(shè)計數(shù)字控制系統(tǒng)。

法、穩(wěn)定邊界法等整定方法。

3.2發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)由信號采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用需要建立在軟件的基礎(chǔ)上。本系統(tǒng)運(yùn)用G語言-LabVIEW進(jìn)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計，兼顧通用性、可靠性、可操作性和可維護(hù)性，并按功能劃分為系統(tǒng)登陸設(shè)置、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、控制設(shè)置和數(shù)據(jù)監(jiān)測四個模塊（功能結(jié)構(gòu)框圖見圖5）。

系統(tǒng)登陸設(shè)置模塊是用于記錄試驗初始條件，包括試驗委托單位、試驗編號、試驗地點(diǎn)、操作者、開始時間、校正系數(shù)、發(fā)動機(jī)類型、發(fā)動機(jī)廠家、發(fā)動機(jī)型號、發(fā)動機(jī)編號、油料類型、油料密度、機(jī)油規(guī)格、備注等，其中的發(fā)動機(jī)、油料和環(huán)境參數(shù)是后面特性試驗的重要資料。

數(shù)，x為校正前的數(shù)據(jù)）。

控制設(shè)置子模塊一方面對油門執(zhí)行器進(jìn)行PID控制，使系統(tǒng)能達(dá)到試驗要求，另一方面又按照發(fā)動機(jī)性能試驗方法進(jìn)行試驗方案的設(shè)計，并使系統(tǒng)能按照試驗要求自動進(jìn)行包括控制和數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)的工作。

數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊把所監(jiān)測的參量實(shí)時動態(tài)地顯示，同時可以根據(jù)需要存儲有用數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)測量出現(xiàn)異常時有提示報警和緊急處理方案。

4.發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)的試驗結(jié)果

為了驗證系統(tǒng)的可靠性和實(shí)際效果，系統(tǒng)用于B5及kloft500系列電渦流緩速器的對接驗證試驗。試驗結(jié)果如圖6、圖7所示。結(jié)果驗證了系統(tǒng)的實(shí)際效果是比較好的。

5.結(jié)語

試驗結(jié)果表明，用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)測控系統(tǒng)能較好地按要求完成測試任務(wù)。從信號的采集到數(shù)據(jù)的分析、存儲、顯示，從狀態(tài)監(jiān)測到實(shí)時控制，虛擬儀器技術(shù)在測控系統(tǒng)中都顯現(xiàn)出優(yōu)勢。對于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)，用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)能節(jié)省大量的成本，并能使系統(tǒng)具有非常好的靈活性，具有很高的性價比，因此用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)這一方法可行。

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