虚拟仪器技术在发动机转速测控系统中的应用

摘 要： 近几年，国际上涌现出了很多虚拟仪器开发平台软件并被广泛应用于通讯、自动化、航空、电力电子、机械等各个领域。在我国的电子测量、机械工程诸多领域它也有着广泛的应用，并逐步地应用在发动机工况测试与控制领域。本文通过构建基于虚拟仪器技术的发动机转速测控系统，研究了发动机转速测控的原理，阐述了在LabVIEW开发平台上进行软件设计的基本方法。

关键词： 虚拟仪器 发动机转速 LabVIEW

1.引言

我国汽车业正蓬勃发展，汽车业已经成为我国的支柱产业。发动机是汽车的核心部件，其质量对汽车的使用寿命，行驶安全，以及环境污染都有重要的影响。在发动机的性能试验中，转速的测量与控制是关键之一。依照传统的测控系统设计方法，采用传统的仪器仪表进行检测，体积庞大，可靠性差。虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用，具有性能高、扩展性强、开发时间短、无缝集成的优点。应用虚拟仪器技术开发发动机转速测控系统就是以高度可靠的工业控制计算机作为主机，采用多功能数据采集运动控制卡、高度集成的工业化放大隔离模块和智能化调理模块，充分利用图形化编程语言LabVIEW将功能模块逐个进行程序编译，搭建一套发动机转速测控系统数字化平台。

2.发动机转速测控系统开发的方法和硬件

2.1开发的方法

本系统的开发采用自上而下的系统分析方法、模块化的设计方法、边编译边试验边改进的程序编译方法、先局部后整体进行调试的方法。

2.1.1在系统的设计上，按照采集的参数划分模块，如转速模块，这样即使其中的某一模块出现故障，其他的参数采集也不受影响。同时又按照功能分成数据采集、数据处理、数据显示及存储和反馈控制几大模块。

2.1.2在系统的调试方法上，先将各个模块的功能实现了，把各个通路（参数采集、反馈控制）都打通了的情况下才进行整体的调试。

2.1.3在系统的控制包设计上，采用PID控制方法，按照试验的情况和经验总结设计算法。

2.1.4在系统的操作界面设计方面，按照操作简便、醒目简洁、防误操作能力强等原则进行设计，主要突出在易用性和防误操作性能上。

2.2系统的硬件

系统采用凌华IPC610整机，配置如下：主板PCA－6006VE，CPU P4 2.4GHz，内存512M，硬盘60G，带两个ISA插槽和4个PCI插槽，以及两个COM端口。数据采集及运动控制采用凌华DAQ2214多功能数据采集运动控制卡，该卡是32位的PCI总线方式的多功能数采卡，具有在线自校正的功能，具体参数如表1所示。用于信号采集的传感器及其调理设备的具体参数如表2所示。

3.发动机转速测控系统原理及软件系统

3.1发动机转速测控系统的原理

发动机转速测控系统的结构如图1所示。系统首先通过转速传感器实时准确地采集转速信号，然后根据采集到的转速信号按照系统设计的要求通过数采卡输出脉冲信号驱动步进电机控制器进而控制步进电机的运转，而步进电机又控制着油门的大小，这样就实现了转速的闭环控制。

在发动机转速测控系统中要想实现转速的精准控制，首先应能实时、准确地采集转速信号。转速信号是发动机测试的一个重要信号，根据发动机性能试验方法的规定，转速的误差不大于所测值的±0.5%。转速信号能否准确、实时地采集关系到系统的控制能否实现，因此需要设计好转速信号的采集方式、调理方法和数据处理过程。在本系统中，转速信号用磁电式传感器进行信号采集。在发动机的输出轴上安装一个均布12个齿的转盘，把传感器安装在转盘的齿的正对面，调整好传感器探头和齿盘的距离，使传感器能在发动机运转的时候很好地采集到交变的毫伏级的电压信号。信号经调理电路处理后输出一幅值为5的脉冲方波信号，信号再经数采卡的模拟输入通道输送转速。具体的流程如图2所示。

系统的智能控制是发动机转速测控系统的核心的部分，如果系统不能按照试验的要求实现预定的控制，那么系统的测试是没有任何意义的。综合各种控制方法和现场的实际，本系统采用数字PID作为首选的控制方式。在控制系统结构上，本文采用闭环控制的方式。系统的控制方案如图3所示。

PID控制是比例、积分、微分控制，是目前工业控制系统中比较成熟的技术。在工程上，传统的数字PID控制器结构简单、速度快、参数整定方便、稳态误差小、可靠性高，是目前工业过程控制领域内应用最广泛的控制策略。相对于传统的模拟控制系统而言，数字控制系统具有如下优点：

（1）精心设计的微机控制系统能显著地降低控制器的硬件成本；

（2）系统可靠性大大增强，系统平均无故障时间大大长于分立元件电路；

（3）数字电路不存在温漂问题；

（4）可以完成很多复杂的功能，如给定指令、反馈处理、参数校正、逻辑运算及判断、系统监控、故障诊断、状态估计、数据处理等。

数字控制系统一般由控制对象（包括执行机构）、测量环节和数字调节器（包括采样保持器、模数转换器、数字计算机、数模转换器和保持器）等组成，其典型结构如图4所示。

其中D（Z）为数字控制器，Gh（S）为零阶保持器，Gp（S）为被控对象传递函数。控制对象的连续状态信号通过A/D转换器进行采样、量化、编码变成时间和幅值上都是离散的数字信号e（kT），经过计算机处理，给出数字控制信号u（kT），然后通过D/A转换器使数字量恢复成连续的控制量u（t），再去控制被控对象。其中，数字计算机、接口电路、模/数转换器、数/模转换器等组成的部分称为数字控制器，数字控制器的控制规律是由编制的计算机程序来实现的。

数字控制系统作为离散时间系统，可以采用差分方程来描述，并使用z变换法和离散状态空间法来分析和设计数字控制系统。

法、稳定边界法等整定方法。

3.2发动机转速测控系统的软件系统

发动机测控系统由信号采集子系统、数据处理子系统和控制子系统组成。系统功能实现和应用需要建立在软件的基础上。本系统运用G语言-LabVIEW进行系统软件的设计，兼顾通用性、可靠性、可操作性和可维护性，并按功能划分为系统登陆设置、系统参数设置、控制设置和数据监测四个模块（功能结构框图见图5）。

系统登陆设置模块是用于记录试验初始条件，包括试验委托单位、试验编号、试验地点、操作者、开始时间、校正系数、发动机类型、发动机厂家、发动机型号、发动机编号、油料类型、油料密度、机油规格、备注等，其中的发动机、油料和环境参数是后面特性试验的重要资料。

数，x为校正前的数据）。

控制设置子模块一方面对油门执行器进行PID控制，使系统能达到试验要求，另一方面又按照发动机性能试验方法进行试验方案的设计，并使系统能按照试验要求自动进行包括控制和数据存储在内的工作。

数据监测模块把所监测的参量实时动态地显示，同时可以根据需要存储有用数据。当监测量出现异常时有提示报警和紧急处理方案。

4.发动机转速测控系统的试验结果

为了验证系统的可靠性和实际效果，系统用于B5及kloft500系列电涡流缓速器的对接验证试验。试验结果如图6、图7所示。结果验证了系统的实际效果是比较好的。

5.结语

试验结果表明，用虚拟仪器技术开发测控系统能较好地按要求完成测试任务。从信号的采集到数据的分析、存储、显示，从状态监测到实时控制，虚拟仪器技术在测控系统中都显现出优势。对于发动机转速测控系统，用虚拟仪器技术开发能节省大量的成本，并能使系统具有非常好的灵活性，具有很高的性价比，因此用虚拟仪器技术开发发动机转速测控系统这一方法可行。

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