盧偉 呂毅

【摘 要】文章介紹了發(fā)動機性能測試臺進行發(fā)動機性能試驗及冷熱沖擊試驗時出水溫恒控制及對象的建模，針對試驗室要求較高的特點，構造了一種新型恒溫與冷熱沖擊系統(tǒng)，利用專家控制思想，運用PID控制算法，根據(jù)溫度變化實現(xiàn)PID控制，用模塊化的控制實現(xiàn)冷熱沖擊試驗，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。經(jīng)實際使用表明，達到了發(fā)動機的設計測試需求。

【關鍵詞】發(fā)動機;冷熱沖擊;PID控制

【中圖分類號】U467.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）02-0091-03

0 引言

汽車發(fā)動機的相關研發(fā)過程需根據(jù)國家標準而進行，必須滿足特定試驗要求與環(huán)境下方可進行發(fā)動機相關性能試驗的測試，在測試滿足標準后可判定發(fā)動機研發(fā)合格。一般而言，發(fā)動機測試的主要條件包括發(fā)動機循環(huán)水溫度、回油溫度、恒定控制中冷后進氣溫度[1-2]。該研究的控制分析亦根據(jù)國家對內(nèi)燃機相關技術標準要求進行[3-4]，同時針對玉柴發(fā)動機企業(yè)規(guī)范，在發(fā)動機性能測試試驗過程中需保證發(fā)動機出水溫度控制范圍為（85±2）℃，進行發(fā)動機冷熱沖擊試驗時，發(fā)動機出水溫度應控制在42 ℃以下，熱沖擊時保持發(fā)動機在出水口處溫度在90～95 ℃范圍內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)如圖1所示。

發(fā)動機測試臺架測控儀采集模塊水恒溫與冷熱沖擊系統(tǒng)上位機（臺架工控機）人機界面，數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)管理，圖像輸出，報表打印;數(shù)據(jù)采集發(fā)動機測試臺架測控儀采集模塊水恒溫與冷熱沖擊系統(tǒng)上位機（臺架工控機）人機界面，數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)管理，圖像輸出，報表打印，數(shù)據(jù)采集。

整個發(fā)動機水恒溫與冷熱沖擊系統(tǒng)采用了上、下位機結構形式。上位機采用工控機，利用Delphi匯編語言編程研發(fā)。上位機的功能體現(xiàn)為：滿足人機交互界面視覺、試驗等數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)采集處理、系統(tǒng)綜合控制、圖像處理等功能。下位機包括測功器控制系統(tǒng)（測控儀）、水恒溫與冷熱沖擊系統(tǒng)等單元。上位機跟測控儀采用Rs—232串行通信方式交換各種命令和測試數(shù)據(jù)，跟恒溫與冷熱沖擊系統(tǒng)通過Rs—485串行通信方式交換命令和測試數(shù)據(jù)[5-6]。

本文主要以發(fā)動機循環(huán)水溫度控制策略及效果為對象進行介紹。

1 進行恒溫水控制分析

發(fā)動機的冷卻功能來源于發(fā)動機的循環(huán)水，出水溫度值被設置為控制變量，其影響因素包括被測發(fā)動機環(huán)境溫度、被測發(fā)動機負載、被測發(fā)動機進口處水溫、加熱器等;恒溫水控制控制邏輯如圖2所示。由圖2可知，T1～T5為溫度傳感器，此處選用靖江傳感器公司出品的pt100溫度傳感器。W為“水將流動”傳感器，這是由于在沒有冷卻水條件下，被測發(fā)動機處于未開機或未加載狀態(tài)。換而言之，W對被測發(fā)動機起保護作用。其他元器件標注如圖2所示。

被測發(fā)動機在進行規(guī)定試驗時，技術員擬通過上位機（工控機）對被測發(fā)動機下達啟動命令與測試目標，執(zhí)行電機在收到測試信號由循環(huán)水溫度控制器依據(jù)需求對進水電動閥進行開度控制，此時恒溫系統(tǒng)開始工作，因為水開始流動，W傳感器發(fā)送信號給恒溫系統(tǒng)，水泵開始工作，由于剛剛開始，水溫沒有達到設定值，加熱器開始工作，直到加熱到設定值后啟動測功器并進行負荷加載，再進入正常的測試程序。由此可知，影響被測試發(fā)動機出水溫度T2的因素主要有測功器所施加的負載力矩和進水溫度T1。

為了使被測發(fā)動機恒溫水控制得到簡化，需降低對3個控制變量之間的耦合關聯(lián)度關系。換言之，被測發(fā)動機需根據(jù)發(fā)動機所處環(huán)境溫度對熱水箱溫度調(diào)節(jié)到合適值進行獨立控制。當熱水箱溫度值處于某一恒定數(shù)值時，而控制變量參數(shù)中比例閥處于最小增益，此控制方程下可使發(fā)動機在空載時出水溫度高于85 ℃。通過控制閥增益的增大，對由于增加負載所導致的出水溫度升高可通過增益補償獲得，在此因素作用下，熱水箱溫度（T3）對被測發(fā)動機出水溫度（T1）有較小程度的弱耦合擾動。當被測發(fā)動機處于滿負荷工況時，若比例閥增益處于最大而T2無法再降低時，則需對被測發(fā)動機熱水箱水溫值進行下調(diào)處理，反之亦然。劉長壽等人的試驗表明[4]，影響發(fā)動機水箱溫度參數(shù)設定的主要因素有發(fā)動機型號、測試環(huán)境溫度和是否測第一臺發(fā)動機等。

發(fā)動機在進行試驗測試時，操作人員通過上位機（工控機）對發(fā)動機下達測試要求與啟動命令，在收到測試信號后循環(huán)水溫度控制器依據(jù)需求對進水電動閥進行開度控制，此時恒溫系統(tǒng)開始工作，因為水開始流動，W傳感器發(fā)送信號給恒溫系統(tǒng)，水泵開始工作，由于剛剛開始，水溫沒有達到設定值，加熱器開始工作，直到加熱到設定值后啟動測功器并進行負荷加載，再進入正常的測試程序。由此可知影響被測試發(fā)動機出水溫度T2的因素主要有測功器所施加的負載力矩和進水溫度T1。

2 PID智能控制策略

針對圖2所示的系統(tǒng)設計可近似為解耦模型，因此采用PID智能控制策略，由上位機來完成計算量較大的解耦算法分配，下位機則實施具體的實時采樣、分析及在線控制功能分配。

2.1 熱水箱溫度控制

TS為熱水箱溫度設定值是由上位機送來或者在下位機上設定，如圖3所示，一般情況下，天熱時，外循環(huán)冷卻水的溫度T4升高，冷卻效果下降，這時熱水箱所設定的水溫值TS應低于預期;在環(huán)境溫度較低時，外循環(huán)冷卻水溫度有所下降，冷卻效果上升，這時熱水箱的設定溫度應該高一些。而當系統(tǒng)正常運行了一段時間，比如10 h之后，整個測試系統(tǒng)達到了熱平衡，設定值又可以降低一些。這些都是上位機采集到熱水箱T3，其控制算法為積分分離的數(shù)字型（對比于模擬型）比例積分（PI）方程，且通過控制周波與過零觸發(fā)的雙向晶體管進行熱水箱中6 kW加熱器的閉環(huán)控制，可達到調(diào)節(jié)溫度的目的。

2.2 發(fā)動機進水箱溫度控制

經(jīng)過熱水箱的控制之后，熱水箱溫度基本穩(wěn)定在設定值TS，這時，再經(jīng)過進水箱，進水箱的作用主要是預防熱水箱超調(diào)，引起發(fā)動機的進水溫度過高，此時溫控系統(tǒng)從T2采集到出水的溫度，在熱水箱的水進入進水箱后，經(jīng)過外循環(huán)水的冷卻，同時由于使用智能PID控制[5-6]，根據(jù)反饋的T2的值，跟設定的出水溫度的限值TG，提前打開或關閉電動比例閥。控制系統(tǒng)如圖4所示。

2.3 發(fā)動機冷水箱溫度控制

根據(jù)冷熱沖擊試驗可以知道，發(fā)動機在冷沖擊的時候，負荷關閉，發(fā)動機怠速運行，此時發(fā)動機進水溫度趨向平衡，所以，通過采集發(fā)動機的出水溫度T2，調(diào)節(jié)冷水箱的溫度T5即控制了整個冷循環(huán)的出水溫度。

2.4 冷熱沖擊試驗

發(fā)動機進行冷熱沖擊試驗的時候，隨著工況改變，溫度改變幾乎同時進行。在圖5所示控制中，由上位機給測控儀和恒溫冷熱沖擊系統(tǒng)發(fā)送指令，測控儀改變發(fā)動機的工況，恒溫冷熱沖擊系統(tǒng)根據(jù)上位機發(fā)送的指令同步轉(zhuǎn)換發(fā)動機的進水。若為冷沖擊，則進水箱的電動閥關閉，冷水箱的進水電動閥打開，由冷水箱給發(fā)動機供水。同時，發(fā)動機的出水回到冷水箱冷卻。熱沖擊的時候，進水箱的進水電動閥打開，冷水箱的進水電動閥關閉，發(fā)動機出水回到熱水箱。根據(jù)上面的各個水箱的溫控，系統(tǒng)自動進行設定溫度的轉(zhuǎn)換，確保在冷熱沖擊狀態(tài)下，系統(tǒng)仍然能夠在同一工況下實現(xiàn)恒溫功能，完成試驗。

3 運行情況和小結

采用上述智能PID控制方案研制成功的發(fā)動機出水恒溫及冷熱沖擊系統(tǒng)在某柴油發(fā)動機廠穩(wěn)定運行1年多，共配套生產(chǎn)了多臺。圖6為上位機智能控制界面圖，整個控制完全由計算機與單片機完成。一般測試情況下可將發(fā)動機出水溫度控制在（85±2）℃范圍，超調(diào)量約1 ℃。而附加的冷熱沖擊系統(tǒng)，歷經(jīng)過多次500 h的冷熱沖擊試驗，說明系統(tǒng)的可行性與可靠性較高，達到了預期的設計目的，滿足了柴油發(fā)動機設計測試需求。

參 考 文 獻

[1]黃海燕.汽車發(fā)動機試驗學教程[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2]王建昕.汽車發(fā)動機原理[M].北京：清華大學出版社，2001.

[3]GB/T 1105.3—1987，內(nèi)燃機臺架性能試驗方法——測量技術[S].

[4]劉長壽，陸小明，雷健明.汽油機臺架冷卻系統(tǒng)的改造[J].內(nèi)燃機，2012（2）：8-11，19.

[5]姜述剛.電控發(fā)動機控制參數(shù)臺架自動化標定技術的研究[D].北京：清華大學，1999.

[6]劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[責任編輯：鐘聲賢]