汽車離合器綜合性能試驗(yàn)臺性能檢測平臺軟件設(shè)計(jì)

趙銀花，張玉玲，楊慧香

（1.長春工業(yè)大學(xué) 軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130022；2.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

0 引 言

離合器是汽車傳動系中的重要傳動部件，離合器質(zhì)量是判斷汽車安全性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)［1］，為了保證汽車行駛的安全性，離合器生產(chǎn)廠家在批量生產(chǎn)離合器時必須對其性能指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格檢測。汽車離合器綜合性能試驗(yàn)臺是能夠較完善地測試出汽車離合器性能指標(biāo)的硬件設(shè)備，在擁有較為完善的測控硬件設(shè)備基礎(chǔ)上，軟件設(shè)計(jì)在很大程度上決定了綜合性能試驗(yàn)臺性能的優(yōu)劣。試驗(yàn)臺軟件的各項(xiàng)功能之間既相互獨(dú)立又相互依賴，這就給程序的設(shè)計(jì)帶來一定的難度。軟件一方面要充分表達(dá)各模塊的功能；另一方面還要在相對獨(dú)立的基礎(chǔ)上建立彼此功能上的交互關(guān)系。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法具有數(shù)據(jù)和計(jì)算分離、前后處理不夠靈活、數(shù)據(jù)冗雜等弊端［2］，很難完成這一功能，VC＋＋是在Windows平臺下構(gòu)建的強(qiáng)大而又復(fù)雜的開發(fā)工具，是目前世界上使用最多的開發(fā)工具之一［3］。

采用VC＋＋設(shè)計(jì)的汽車離合器綜合性能試驗(yàn)臺主要由主機(jī)、硬件部分、軟件部分組成。主機(jī)是對離合器綜合性能進(jìn)行檢測的基礎(chǔ)。硬件部分是實(shí)現(xiàn)各種傳感器的數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)臺進(jìn)行動作的硬件基礎(chǔ)。軟件部分進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、分析和顯示，完成試驗(yàn)動作的控制。試驗(yàn)臺軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和控制模塊的設(shè)計(jì)。在Windows環(huán)境下采用VC＋＋作為開發(fā)工具，設(shè)計(jì)的離合器綜合性能試驗(yàn)臺軟件實(shí)現(xiàn)了對壓盤溫度、壓緊力、摩擦力矩和主、從動軸轉(zhuǎn)速以及試驗(yàn)臺狀態(tài)的信號采集和數(shù)據(jù)的分析、顯示、存儲及試驗(yàn)臺的實(shí)時控制。

1 汽車離合器綜合性能試驗(yàn)臺硬件結(jié)構(gòu)與工作原理

汽車離合器綜合性能試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)I／O點(diǎn)數(shù)眾多，控制過程較復(fù)雜，控制現(xiàn)場數(shù)據(jù)量大，結(jié)合實(shí)際工況，汽車離合器綜合性能試驗(yàn)臺采用研華工控機(jī)作為上位機(jī)，三菱PLC作為下位機(jī)，上、下位機(jī)通過串口進(jìn)行通信。試驗(yàn)臺控制與檢測硬件系統(tǒng)主要由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和PLC以及直流電機(jī)、溫度傳感器、測力傳感器、從動軸轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩傳感器、主動軸轉(zhuǎn)速傳感器、位移傳感等器件構(gòu)成。

試驗(yàn)臺硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺硬件結(jié)構(gòu)示意圖

工控機(jī)是信息處理的中心，用于提供良好的人機(jī)界面、輸入和存儲被試汽車離合器的信息，編寫、存儲和運(yùn)行試驗(yàn)程序。每次試驗(yàn)時，工控機(jī)讀取程序加載，將命令發(fā)送給PLC，PLC通過與工控機(jī)的通信控制直流電機(jī)和液壓系統(tǒng)，使這些設(shè)備按照試驗(yàn)要求實(shí)時發(fā)出動作。同時，PLC將相關(guān)信號傳遞給工控機(jī)，工控機(jī)將所得數(shù)據(jù)運(yùn)算后，再發(fā)出指令，從而更優(yōu)地控制直流電機(jī)和液壓系統(tǒng)。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡傳遞給工控機(jī)，工控機(jī)對試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)扭矩傳感器的扭矩信號、溫度傳感器的溫度信號等進(jìn)行處理，并將試驗(yàn)結(jié)果以曲線形式實(shí)時輸出，完成試驗(yàn)。

2 軟件總體框架設(shè)計(jì)

汽車離合器綜合性能試驗(yàn)臺軟件設(shè)計(jì)是采用VC＋＋作為開發(fā)平臺，通過數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)并傳入工控機(jī)顯示、分析、存儲，工控機(jī)最終控制電機(jī)和液壓系統(tǒng)完成試驗(yàn)要求的動作。試驗(yàn)臺軟件總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺軟件設(shè)計(jì)總體框圖

軟件設(shè)計(jì)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和控制模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)，完成傳感器標(biāo)定，以及對壓盤溫度、壓緊力、摩擦力矩、轉(zhuǎn)速等信號進(jìn)行連續(xù)采集。數(shù)據(jù)處理模塊包括實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫管理，主要作用是經(jīng)過一定的信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換后，將測試結(jié)果在顯示器上實(shí)時顯示出來，通過一定的處理方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和曲線分析。控制模塊包括熱負(fù)荷試驗(yàn)控制模塊、靜摩擦實(shí)驗(yàn)控制模塊、滑動摩擦實(shí)驗(yàn)控制模塊、耐磨損性能試驗(yàn)控制模塊，控制系統(tǒng)完成試驗(yàn)。

3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

3.1 傳感器標(biāo)定

為了保證測量精度，傳感器在使用前需要進(jìn)行標(biāo)定，傳感器的標(biāo)定就是通過試驗(yàn)確立傳感器的輸入量與輸出量之間的關(guān)系，并確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系或測量精度［4］。利用已知的標(biāo)準(zhǔn)值輸入到待標(biāo)定的傳感器中，傳感器得到相應(yīng)的輸出量，將輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量繪制成曲線即得標(biāo)定曲線。按傳感器的種類和使用情況不同，其標(biāo)定方法也不同。傳感器標(biāo)定時應(yīng)該在與其使用條件相似的狀態(tài)下進(jìn)行；不斷增加重復(fù)標(biāo)定的次數(shù)，以提高測試精度；而且傳感器需定期標(biāo)定。

3.2 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

接通電氣控制柜電源，啟動控制軟件并自動進(jìn)入相關(guān)程序，此時屏幕將顯示“測試系統(tǒng)”主界面，在自動狀態(tài)，當(dāng)按下“開始”按鈕，電氣控制柜控制主機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)動作，同時計(jì)算機(jī)繪制試驗(yàn)曲線，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時，“停止”按鈕自動按下，試驗(yàn)結(jié)束。以下為相關(guān)數(shù)據(jù)采集程序代碼：

4 數(shù)據(jù)處理模塊

4.1 實(shí)時顯示與存儲

對傳感器信號進(jìn)行連續(xù)實(shí)時采集，需要控制數(shù)據(jù)采集卡連續(xù)采集數(shù)據(jù)，并配以實(shí)時的時間軸進(jìn)行同步顯示［5］。實(shí)時采集溫度、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和試驗(yàn)臺狀態(tài)信號。

通過對《文件》菜單中的選項(xiàng)選擇，可以對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，同時還可以讀取、打印試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)測試操作界面如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)測試操作界面

4.2 數(shù)據(jù)回放

在存入數(shù)據(jù)庫的大量數(shù)據(jù)中，可以根據(jù)需要選擇特定時間再動態(tài)地回放所存儲的數(shù)據(jù)［6］。信號回放時，根據(jù)用戶要求的不同，可以任意選擇回放數(shù)據(jù)的起始位置和結(jié)束位置。在編輯框中輸入回放開始時間、結(jié)束時間，通過結(jié)構(gòu)化查詢數(shù)據(jù)庫即可實(shí)現(xiàn)動態(tài)圖形繪制，真實(shí)再現(xiàn)當(dāng)時的工作狀態(tài)。

在數(shù)據(jù)存儲過程中，可利用靜態(tài)回放將實(shí)時繪制的圖形保存為BMP圖像文件，因此，可以利用Web瀏覽器直接查看已保存的圖像。

4.3 數(shù)據(jù)分析

用鼠標(biāo)單擊主界面“試驗(yàn)結(jié)果”菜單選項(xiàng)中的“顯示結(jié)果”，之后將在主窗口顯示本測試的試驗(yàn)結(jié)果，顯示結(jié)果界面如圖4所示。

圖4 顯示結(jié)果界面

根據(jù)試驗(yàn)要求，得出被試汽車離合器的各項(xiàng)性能指標(biāo)都是合格的。

5 控制模塊設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)、離合控制子系統(tǒng)和道路阻力矩控制子系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)的控制精度直接關(guān)系到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)是試驗(yàn)臺控制的關(guān)鍵。PID控制結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)方便，但適應(yīng)性差［7］，轉(zhuǎn)速環(huán)的干擾力矩對控制效果產(chǎn)生較大影響，單獨(dú)采用PID控制達(dá)不到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。模糊控制具有不依賴于對象的數(shù)學(xué)模型、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，但其穩(wěn)態(tài)精度低，單獨(dú)采用模糊控制，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差會造成試驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確［8］。在對速度控制回路建模的基礎(chǔ)上提出了一種基于卡爾曼濾波的模糊PID控制算法對速度進(jìn)行控制，將模糊控制魯棒性強(qiáng)與PID控制穩(wěn)態(tài)誤差小的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，同時，采用卡爾曼濾波對轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行濾波處理，降低了試驗(yàn)臺工作現(xiàn)場的干擾，獲得了較好的控制效果。試驗(yàn)臺轉(zhuǎn)速系統(tǒng)工作于干擾較大的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中，為了提高控制和檢測精度，采用對線性動態(tài)系統(tǒng)具有較好濾波效果的卡爾曼濾波器來抑制干擾噪聲和量測噪聲對系統(tǒng)的影響［9］。

控制器在程序中實(shí)時采集溫度、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號，信號在經(jīng)過處理后，對溫度及轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，完成卡爾曼濾波和復(fù)合滑模控制計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)置好試驗(yàn)參數(shù)，把溫度、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制指令代碼發(fā)送給PLC，然后，PLC利用獲得的數(shù)據(jù)控制電機(jī)和液壓系統(tǒng)按照試驗(yàn)要求實(shí)現(xiàn)動作。

6 結(jié) 語

利用VC＋＋程序語言開發(fā)的汽車離合器綜合性能試驗(yàn)臺控制軟件具有良好的操作界面，簡單實(shí)用，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)采集、試驗(yàn)臺的實(shí)時控制及系統(tǒng)的人機(jī)交互。經(jīng)實(shí)驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證，軟件達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。實(shí)現(xiàn)了自動測試、溫度和轉(zhuǎn)矩的高精度測試以及數(shù)據(jù)的顯示、處理、分析，提高了檢測精度和檢測效率，節(jié)約了人力、物力，滿足生產(chǎn)需要。

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