基于虛擬儀器技術(shù)的柴油發(fā)動(dòng)機測控系統

發(fā)動(dòng)機測試儀器經(jīng)歷了模擬儀器、數字化儀器和智能儀器三個(gè)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；而數字化儀器如數字轉速表等，主要由數字電路來(lái)實(shí)現，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(zhù)數字信號處理技術(shù)及大規模集成電路的發(fā)展，出現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(wú)論開(kāi)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(kāi)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(shù)，用戶(hù)可以自定認義儀器的功能，創(chuàng )建32位編譯程序，從而提高了常規數據采集和測試等任務(wù)的運行速度。

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

1．1 系統硬件組成

測試系統的硬件組成主要包括NI公司的PCI-6024E型DAQ卡和SCXI信號調理模塊。SCXI信號調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(dòng)機最大功率40kW。測耗儀是自動(dòng)設計的，利用電子天平稱(chēng)量燃油消耗量，通過(guò)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(guò)RS232C（9芯接插件）與PC機連接。

1．2 各組成單元功能及工況點(diǎn)控制 1．2．1 DQA卡

NI公司的PCI-6024E型DAQ卡是基于PCI總線(xiàn)的12位多功能數據采集卡，最高采樣速率為200kS/s，具有16個(gè)單端模擬輸入（或8個(gè)差分模擬輸入），8個(gè)數字輸入/輸出，2個(gè)模擬輸出，2個(gè)20MHz、24位計數器/定時(shí)器。

1.2.2 SCXI信號調理模塊

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

機座SCXI-1000是一個(gè)結構緊湊、低哭聲的機箱，為調理模塊提供電源、定時(shí)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、冷端補償等功能，終端還有鋁質(zhì)溫板防止溫度從接線(xiàn)緊桿傳遞，提高了冷端補償的精度。

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(dòng)調零、橋路補償等功能，還可以調理一般的模擬電壓。

1．2．3 測功器和油門(mén)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，對應調整的對象分別為測功器的扭矩和轉速。當選擇external方式時(shí)，控制信號為0～10V。 油門(mén)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(diǎn)的控制

系統可根據設定的轉速或扭矩通過(guò)DAQ卡輸出控制電壓給控制執行器和油門(mén)控制器，再通過(guò)測量結果進(jìn)行反饋，即可實(shí)現試驗工況點(diǎn)的控制，完成自定義的測試流程。其中，系統采用PID算法實(shí)現測功器的控制。

2 系統軟件設計

2．1 編程思想

發(fā)動(dòng)機試驗需要在開(kāi)始時(shí)通過(guò)怠速運轉進(jìn)行預熱。預熱完畢的標志是冷卻水溫度達到額定值。預熱后，當速度穩定在設定值時(shí)，開(kāi)始運行主程序，進(jìn)行數據顯示、處理和記錄。運行主程序時(shí)，同時(shí)還調用煙度計和空氣流量計子程序，進(jìn)行同步采集、記錄。當水溫超過(guò)設定的極限值時(shí)，系統輸出數字信號，啟動(dòng)揚聲器報警并停機。系統程序流程圖如圖2所示。

                                     

2．2 用戶(hù)界面

這里利用簡(jiǎn)單、易用、圖形化的虛擬儀器軟件LabVIEW編寫(xiě)操作界面。

主程序界面分為控制和顯示兩個(gè)區，實(shí)現對數據采集的控制和顯示。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(guò)極限亮燈顯示、統計分析顯示、日期時(shí)間顯示等；控制部分包括各測量?jì)x控制開(kāi)關(guān)、采集速率、存儲數據時(shí)間、PID參數值、極限值、初始值等的設置，如圖3所示。

根據流程需要，編寫(xiě)了溫度測試子程序和速度判斷子程序，用于監控溫度和速度狀態(tài)。對于速度，用磁電和光電轉速傳感器同時(shí)測量，程序中設采樣頻率為5000Hz，采樣數為5000，每秒顯示、記錄一個(gè)點(diǎn)，每8個(gè)點(diǎn)取一次平均，判斷平均值誤差是否在設定范圍內而且持續一分鐘以上。

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(gè)模塊可獨立使用，分別測試各單個(gè)內容。信號采集完成后，可以進(jìn)行數據保存（直接存入EXCEL）、圖表打印以及網(wǎng)頁(yè)發(fā)布等操作。監控參數出現異常時(shí)，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(guān)的參數進(jìn)行設置，如波特率、奇偶校驗和握手信號等，然后用LabVIEW讀取數據實(shí)現串口通訊。廠(chǎng)商為煙度計和空氣流量計提供了相應軟件，可通過(guò)LabVIEW利用system exec.vi調用流量計和煙度計的數據采集軟件，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(diǎn)溫度、相對濕度等可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)從廣州五山氣象衛星觀(guān)測站獲得，而室內條件也要瑜空盒氣壓表、干濕球濕度計等儀器進(jìn)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(dòng)機驅動(dòng)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(chǎng)時(shí)帶有的專(zhuān)用標定力臂，在試驗前對測功器和扭矩計進(jìn)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(chēng)取100.00g的沙包，各沙包質(zhì)量之間的誤差不大于0.02%。從零到滿(mǎn)量按靜態(tài)控制進(jìn)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(guò)SPSS軟件回歸分析得相關(guān)系數R=1.00，回歸方程系數與常數項t的檢驗均為Sig<0.01，即相關(guān)性非常顯著(zhù)。

標定后測量的誤差不大于