虛擬儀器技術在發動機轉速測控系統中的應用

摘 要： 近幾年，國際上涌現出了很多虛擬儀器開發平臺軟件并被廣泛應用于通訊、自動化、航空、電力電子、機械等各個領域。在我國的電子測量、機械工程諸多領域它也有著廣泛的應用，并逐步地應用在發動機工況測試與控制領域。本文通過構建基于虛擬儀器技術的發動機轉速測控系統，研究了發動機轉速測控的原理，闡述了在LabVIEW開發平臺上進行軟件設計的基本方法。

關鍵詞： 虛擬儀器 發動機轉速 LabVIEW

1.引言

我國汽車業正蓬勃發展，汽車業已經成為我國的支柱產業。發動機是汽車的核心部件，其質量對汽車的使用壽命，行駛安全，以及環境污染都有重要的影響。在發動機的性能試驗中，轉速的測量與控制是關鍵之一。依照傳統的測控系統設計方法，采用傳統的儀器儀表進行檢測，體積龐大，可靠性差。虛擬儀器技術是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用，具有性能高、擴展性強、開發時間短、無縫集成的優點。應用虛擬儀器技術開發發動機轉速測控系統就是以高度可靠的工業控制計算機作為主機，采用多功能數據采集運動控制卡、高度集成的工業化放大隔離模塊和智能化調理模塊，充分利用圖形化編程語言LabVIEW將功能模塊逐個進行程序編譯，搭建一套發動機轉速測控系統數字化平臺。

2.發動機轉速測控系統開發的方法和硬件

2.1開發的方法

本系統的開發采用自上而下的系統分析方法、模塊化的設計方法、邊編譯邊試驗邊改進的程序編譯方法、先局部后整體進行調試的方法。

2.1.1在系統的設計上，按照采集的參數劃分模塊，如轉速模塊，這樣即使其中的某一模塊出現故障，其他的參數采集也不受影響。同時又按照功能分成數據采集、數據處理、數據顯示及存儲和反饋控制幾大模塊。

2.1.2在系統的調試方法上，先將各個模塊的功能實現了，把各個通路（參數采集、反饋控制）都打通了的情況下才進行整體的調試。

2.1.3在系統的控制包設計上，采用PID控制方法，按照試驗的情況和經驗總結設計算法。

2.1.4在系統的操作界面設計方面，按照操作簡便、醒目簡潔、防誤操作能力強等原則進行設計，主要突出在易用性和防誤操作性能上。

2.2系統的硬件

系統采用凌華IPC610整機，配置如下：主板PCA－6006VE，CPU P4 2.4GHz，內存512M，硬盤60G，帶兩個ISA插槽和4個PCI插槽，以及兩個COM端口。數據采集及運動控制采用凌華DAQ2214多功能數據采集運動控制卡，該卡是32位的PCI總線方式的多功能數采卡，具有在線自校正的功能，具體參數如表1所示。用于信號采集的傳感器及其調理設備的具體參數如表2所示。

3.發動機轉速測控系統原理及軟件系統

3.1發動機轉速測控系統的原理

發動機轉速測控系統的結構如圖1所示。系統首先通過轉速傳感器實時準確地采集轉速信號，然后根據采集到的轉速信號按照系統設計的要求通過數采卡輸出脈沖信號驅動步進電機控制器進而控制步進電機的運轉，而步進電機又控制著油門的大小，這樣就實現了轉速的閉環控制。

在發動機轉速測控系統中要想實現轉速的精準控制，首先應能實時、準確地采集轉速信號。轉速信號是發動機測試的一個重要信號，根據發動機性能試驗方法的規定，轉速的誤差不大于所測值的±0.5%。轉速信號能否準確、實時地采集關系到系統的控制能否實現，因此需要設計好轉速信號的采集方式、調理方法和數據處理過程。在本系統中，轉速信號用磁電式傳感器進行信號采集。在發動機的輸出軸上安裝一個均布12個齒的轉盤，把傳感器安裝在轉盤的齒的正對面，調整好傳感器探頭和齒盤的距離，使傳感器能在發動機運轉的時候很好地采集到交變的毫伏級的電壓信號。信號經調理電路處理后輸出一幅值為5的脈沖方波信號，信號再經數采卡的模擬輸入通道輸送轉速。具體的流程如圖2所示。

系統的智能控制是發動機轉速測控系統的核心的部分，如果系統不能按照試驗的要求實現預定的控制，那么系統的測試是沒有任何意義的。綜合各種控制方法和現場的實際，本系統采用數字PID作為首選的控制方式。在控制系統結構上，本文采用閉環控制的方式。系統的控制方案如圖3所示。

PID控制是比例、積分、微分控制，是目前工業控制系統中比較成熟的技術。在工程上，傳統的數字PID控制器結構簡單、速度快、參數整定方便、穩態誤差小、可靠性高，是目前工業過程控制領域內應用最廣泛的控制策略。相對于傳統的模擬控制系統而言，數字控制系統具有如下優點：

（1）精心設計的微機控制系統能顯著地降低控制器的硬件成本；

（2）系統可靠性大大增強，系統平均無故障時間大大長于分立元件電路；

（3）數字電路不存在溫漂問題；

（4）可以完成很多復雜的功能，如給定指令、反饋處理、參數校正、邏輯運算及判斷、系統監控、故障診斷、狀態估計、數據處理等。

數字控制系統一般由控制對象（包括執行機構）、測量環節和數字調節器（包括采樣保持器、模數轉換器、數字計算機、數模轉換器和保持器）等組成，其典型結構如圖4所示。

其中D（Z）為數字控制器，Gh（S）為零階保持器，Gp（S）為被控對象傳遞函數。控制對象的連續狀態信號通過A/D轉換器進行采樣、量化、編碼變成時間和幅值上都是離散的數字信號e（kT），經過計算機處理，給出數字控制信號u（kT），然后通過D/A轉換器使數字量恢復成連續的控制量u（t），再去控制被控對象。其中，數字計算機、接口電路、模/數轉換器、數/模轉換器等組成的部分稱為數字控制器，數字控制器的控制規律是由編制的計算機程序來實現的。

數字控制系統作為離散時間系統，可以采用差分方程來描述，并使用z變換法和離散狀態空間法來分析和設計數字控制系統。

法、穩定邊界法等整定方法。

3.2發動機轉速測控系統的軟件系統

發動機測控系統由信號采集子系統、數據處理子系統和控制子系統組成。系統功能實現和應用需要建立在軟件的基礎上。本系統運用G語言-LabVIEW進行系統軟件的設計，兼顧通用性、可靠性、可操作性和可維護性，并按功能劃分為系統登陸設置、系統參數設置、控制設置和數據監測四個模塊（功能結構框圖見圖5）。

系統登陸設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、操作者、開始時間、校正系數、發動機類型、發動機廠家、發動機型號、發動機編號、油料類型、油料密度、機油規格、備注等，其中的發動機、油料和環境參數是后面特性試驗的重要資料。

數，x為校正前的數據）。

控制設置子模塊一方面對油門執行器進行PID控制，使系統能達到試驗要求，另一方面又按照發動機性能試驗方法進行試驗方案的設計，并使系統能按照試驗要求自動進行包括控制和數據存儲在內的工作。

數據監測模塊把所監測的參量實時動態地顯示，同時可以根據需要存儲有用數據。當監測量出現異常時有提示報警和緊急處理方案。

4.發動機轉速測控系統的試驗結果

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

5.結語

試驗結果表明，用虛擬儀器技術開發測控系統能較好地按要求完成測試任務。從信號的采集到數據的分析、存儲、顯示，從狀態監測到實時控制，虛擬儀器技術在測控系統中都顯現出優勢。對于發動機轉速測控系統，用虛擬儀器技術開發能節省大量的成本，并能使系統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開發發動機轉速測控系統這一方法可行。

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