基于虛擬儀器技術的柴油發(fā)動機測控系統(tǒng)

發(fā)動機測試儀器經(jīng)歷了模擬儀器、數(shù)字化儀器和智能儀器三個階段。模擬儀器的基本結構是由磁機械式的，采用模擬器件組成各種電路，精度低、速度慢、適應性差；而數(shù)字化儀器如數(shù)字轉速表等，主要由數(shù)字電路來實現(xiàn)，在測試精度、速度和儀器壽命等方面都比模擬儀器有較大的提高。隨著數(shù)字信號處理技術及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，出現(xiàn)了以微機為核心的智能儀器，但由于其是以功能模擬的形式存在的，無論開發(fā)還是應用，都缺乏靈活性。20世紀80年代后期，微機性能是得到極大提高，而向測試分析的通用軟件開發(fā)平臺的成功應用，使得虛擬儀器應運而生。利用虛擬儀器技術，用戶可以自定認義儀器的功能，創(chuàng)建32位編譯程序，從而提高了常規(guī)數(shù)據(jù)采集和測試等任務的運行速度。

W40型電渦流測功器是華南農(nóng)業(yè)大學從德國進口的測功設備。該測試設備的數(shù)字化水平較低，控制臺均采用機械式按鈕，且經(jīng)過近二十年的連續(xù)運轉，設備已嚴重老化，出現(xiàn)明顯的零點漂移，部分測試電路板已出現(xiàn)故障，經(jīng)多次修理仍不正常，嚴重影響了測試工作的正常進行。為此，在確保數(shù)據(jù)采集的精度和實時性、改善數(shù)據(jù)處理功能、提高易操作性和整個測試設備數(shù)字化水平的原理下，充分利用虛擬儀器的優(yōu)勢，對原有設備進行了更新和擴充，形成了一個測控系統(tǒng)。
 
1 系統(tǒng)硬件設計

1．1 系統(tǒng)硬件組成

測試系統(tǒng)的硬件組成主要包括NI公司的PCI-6024E型DAQ卡和SCXI信號調(diào)理模塊。SCXI信號調(diào)理模塊包括機座模塊SCXI-1000、熱電偶模塊組SCXI-1125和SCXI-1328、應力應變模塊組SCXI-1520和SCXI-1314等。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

                          

測功能即為德國SCHENCK公司的W40型電渦流測功器，可測發(fā)動機最大功率40kW。測耗儀是自動設計的，利用電子天平稱量燃油消耗量，通過RS232C（25芯接插件）與PC機連接?？蔁煻扔嫼涂諝饬髁坑嬀鶠榈谌絻x器，通過RS232C（9芯接插件）與PC機連接。

1．2 各組成單元功能及工況點控制 1．2．1 DQA卡

NI公司的PCI-6024E型DAQ卡是基于PCI總線的12位多功能數(shù)據(jù)采集卡，最高采樣速率為200kS/s，具有16個單端模擬輸入（或8個差分模擬輸入），8個數(shù)字輸入/輸出，2個模擬輸出，2個20MHz、24位計數(shù)器/定時器。

1.2.2 SCXI信號調(diào)理模塊

NI公司的SCXI信號調(diào)理模塊為DAQ卡提供一個完善的信號調(diào)理系統(tǒng)，有效高的靈活性和配置性能。

機座SCXI-1000是一個結構緊湊、低哭聲的機箱，為調(diào)理模塊提供電源、定時和觸發(fā)等功能。

熱電偶模塊組SCXI-1125和SCXI-1328提供最高300Vrms的隔離、1～2000的增益、4Hz或10kHz的可編程模擬濾波器、冷端補償?shù)裙δ?，終端還有鋁質溫板防止溫度從接線緊桿傳遞，提高了冷端補償?shù)木取?/P>

應力應變模塊組SCXI-1520和SCXI-1314提供1～1000的增益、10Hz～10kHz的可編程模擬濾波器、0～10V的直流激勵電壓以及自動調(diào)零、橋路補償?shù)裙δ?，還可以調(diào)理一般的模擬電壓。

1．2．3 測功器和油門控制器

W40型電渦流測功能有四種工作方式：M方式、n方式、n-const方式和M-n2方式。最常用的是M方式和n-const方式，對應調(diào)整的對象分別為測功器的扭矩和轉速。當選擇external方式時，控制信號為0～10V。 油門控制器由模擬電壓控制的伺服電機構成，控制信號為0～10V。

1．2．4 工光點的控制

系統(tǒng)可根據(jù)設定的轉速或扭矩通過DAQ卡輸出控制電壓給控制執(zhí)行器和油門控制器，再通過測量結果進行反饋，即可實現(xiàn)試驗工況點的控制，完成自定義的測試流程。其中，系統(tǒng)采用PID算法實現(xiàn)測功器的控制。

2 系統(tǒng)軟件設計

2．1 編程思想

發(fā)動機試驗需要在開始時通過怠速運轉進行預熱。預熱完畢的標志是冷卻水溫度達到額定值。預熱后，當速度穩(wěn)定在設定值時，開始運行主程序，進行數(shù)據(jù)顯示、處理和記錄。運行主程序時，同時還調(diào)用煙度計和空氣流量計子程序，進行同步采集、記錄。當水溫超過設定的極限值時，系統(tǒng)輸出數(shù)字信號，啟動揚聲器報警并停機。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。

                                     

2．2 用戶界面

這里利用簡單、易用、圖形化的虛擬儀器軟件LabVIEW編寫操作界面。

主程序界面分為控制和顯示兩個區(qū)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集的控制和顯示。顯示部分包括扭矩、轉速、溫度、油耗等參量的顯示，還包括超過極限亮燈顯示、統(tǒng)計分析顯示、日期時間顯示等；控制部分包括各測量儀控制開關、采集速率、存儲數(shù)據(jù)時間、PID參數(shù)值、極限值、初始值等的設置，如圖3所示。

根據(jù)流程需要，編寫了溫度測試子程序和速度判斷子程序，用于監(jiān)控溫度和速度狀態(tài)。對于速度，用磁電和光電轉速傳感器同時測量，程序中設采樣頻率為5000Hz，采樣數(shù)為5000，每秒顯示、記錄一個點，每8個點取一次平均，判斷平均值誤差是否在設定范圍內(nèi)而且持續(xù)一分鐘以上。

2．3 功能模塊

軟件按功能可分為扭矩計、轉速計、溫度計、油耗儀、空氣流量計、煙度計等測試模塊，每個模塊可獨立使用，分別測試各單個內(nèi)容。信號采集完成后，可以進行數(shù)據(jù)保存（直接存入EXCEL）、圖表打印以及網(wǎng)頁發(fā)布等操作。監(jiān)控參數(shù)出現(xiàn)異常時，應報警并停機。

對于油耗測量，首先要在電子天平的菜單中對與外設有關的參數(shù)進行設置，如波特率、奇偶校驗和握手信號等，然后用LabVIEW讀取數(shù)據(jù)實現(xiàn)串口通訊。廠商為煙度計和空氣流量計提供了相應軟件，可通過LabVIEW利用system exec.vi調(diào)用流量計和煙度計的數(shù)據(jù)采集軟件，并與LabVIEW主程序同步存儲。另外，環(huán)境條件如大氣壓、溫度、露點溫度、相對濕度等可通過互聯(lián)網(wǎng)從廣州五山氣象衛(wèi)星觀測站獲得，而室內(nèi)條件也要瑜空盒氣壓表、干濕球濕度計等儀器進行輔助測量。
 
3 標定和誤差分析

3．1 扭矩標定

測功器是利用測力機構的反力矩與發(fā)動機驅動力矩平衡的原理測功的，測力傳感器的精度代表了測功器的精度。利用測功器出廠時帶有的專用標定力臂，在試驗前對測功器和扭矩計進行標定。力臂安裝前，應使定子外殼平衡，傳感器輸出為零。用精度為0.01g的PB602-N型電子天平稱取100.00g的沙包，各沙包質量之間的誤差不大于0.02%。從零到滿量按靜態(tài)控制進行標定且變化量為100.00g。

扭矩計標定結果為：Me=-0.45166+0.01828X，通過SPSS軟件回歸分析得相關系數(shù)R=1.00，回歸方程系數(shù)與常數(shù)項t的檢驗均為Sig<0.01，即相關性非常顯著。

標定后測量的誤差不大于