1 引 言

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試提出了更高的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的自動(dòng)化成為提高發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試效率和質(zhì)量的重要方法。虛擬儀器是用軟件將計(jì)算機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)化虛擬儀器硬件結(jié)合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的模塊化，以達(dá)到自動(dòng)測(cè)試與分析的目的。利用虛擬儀器技術(shù)用戶可以通過(guò)圖形化的編程環(huán)境和操作界面，輕松完成對(duì)待測(cè)對(duì)象的信號(hào)調(diào)理、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障診斷以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期；同時(shí)由于采用了標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬儀器軟硬件，測(cè)試系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性也得到了很大程度的增強(qiáng)；除此以外，虛擬儀器技術(shù)的靈活性強(qiáng)和可重用度高，可以使用戶的測(cè)試系統(tǒng)規(guī)模最小化，且易于升級(jí)和維護(hù)，用戶甚至可以使用現(xiàn)有硬件組成另一套測(cè)試系統(tǒng)，從而減少不必要的重復(fù)投資，降低系統(tǒng)的開發(fā)成本。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

（1）系統(tǒng)組成

發(fā)動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)主要由主控機(jī)模塊、cFP實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、測(cè)功機(jī)模塊以及待測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)模塊四部分組成，如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)

主控機(jī)模塊為一臺(tái)DELL工作站，用于提供圖形化用戶界面，完成對(duì)系統(tǒng)硬件的配置和對(duì)用戶界面和控制參數(shù)的設(shè)置，并實(shí)時(shí)更新各指標(biāo)參量對(duì)時(shí)間的波形顯示，經(jīng)過(guò)曲線擬合后得到發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線，最后完成測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄工作。與此同時(shí)，主控機(jī)還通過(guò)嵌入式NI PCI數(shù)據(jù)采集卡完成對(duì)非控制參量，如壓力、油耗等的測(cè)量工作。

cFP實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊由兩部NI cFP分布式I/O系統(tǒng)組成，通過(guò)TCP/IP協(xié)議與主控機(jī)通信，從主控機(jī)獲得控制參數(shù)命令來(lái)控制測(cè)功機(jī)，并返回從測(cè)功機(jī)模塊采集來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)，交由主控機(jī)處理。其中模塊A用于完成實(shí)時(shí)自動(dòng)加載和控制指標(biāo)參量的測(cè)量，并提供過(guò)載保護(hù)、緊急停車以及非法停機(jī)后的系統(tǒng)重建等應(yīng)急措施；模塊B用于完成對(duì)待測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)各溫度點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

測(cè)功機(jī)模塊被用于為待測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)提供一定的負(fù)載，并由其內(nèi)部的傳感設(shè)備將待測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在該負(fù)載下的扭矩、轉(zhuǎn)速以及輸出功率等待測(cè)指標(biāo)參量轉(zhuǎn)換為cFP實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊A可以接受的電壓信號(hào)。

（2）工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)可在兩種工作模式運(yùn)行下：自動(dòng)工作模式和手動(dòng)工作模式，主要測(cè)試項(xiàng)目有：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)壓力曲線 （油、水、氣的進(jìn)出口）。2） 發(fā)動(dòng)機(jī)溫度曲線 （油、水、氣的進(jìn)出口及環(huán)境）。3） 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線。4） 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線。5） 發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線。6） 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗曲線 。

自動(dòng)工作模式下，主控機(jī)首先等待用戶完成軟硬件的設(shè)置和配置。然后提請(qǐng)用戶選擇負(fù)載測(cè)試或定參數(shù)測(cè)試，負(fù)載測(cè)試下用戶需要設(shè)置負(fù)載曲線、負(fù)載時(shí)間、循環(huán)時(shí)間以及測(cè)試時(shí)間等測(cè)試參數(shù)；定參數(shù)測(cè)試下，用戶可以選擇指定扭矩、轉(zhuǎn)速或是功率，并設(shè)置相應(yīng)的定標(biāo)參數(shù)、控制參數(shù)以及測(cè)試時(shí)間。完成以上步驟以后，就可以啟動(dòng)測(cè)試程序，測(cè)試系統(tǒng)即按照用戶制定的負(fù)載自動(dòng)加載同時(shí)完成對(duì)待測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能測(cè)試；或是通過(guò)一定的控制算法保持定標(biāo)參數(shù)的穩(wěn)定并對(duì)該狀態(tài)下的待測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)，用戶可以在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖表中觀察各指標(biāo)參量對(duì)時(shí)間的波形顯示，經(jīng)過(guò)曲線擬合后得到發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線，并可將感興趣的圖表導(dǎo)出存盤。當(dāng)完成測(cè)試時(shí)間后，系統(tǒng)自動(dòng)終止測(cè)試。

手動(dòng)工作模式下，系統(tǒng)工作原理與自動(dòng)工作模式下基本類似，只是系統(tǒng)不進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，而是提供一種交互式的測(cè)試環(huán)境，完成指定的測(cè)試項(xiàng)目后，等待用戶的進(jìn)一步操作。

3 硬件結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)硬件組成框圖，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)硬件組成框圖

（1）主控機(jī)

主控機(jī)選用一臺(tái)DELL工作站，內(nèi)嵌了Intel Pentium 4 2.6G CPU，多功能數(shù)據(jù)采集卡和實(shí)時(shí)測(cè)溫模塊和實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊

實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊選用NI cFP分布式I/O實(shí)時(shí)系統(tǒng)。作為工業(yè)級(jí)控制系統(tǒng)，cFP具備FIFO數(shù)據(jù)隊(duì)列、斷電數(shù)據(jù)緩存、看門狗狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及高抗沖擊性和抗干擾性，是用于完成系統(tǒng)最核心的實(shí)時(shí)采集與控制的部分。

（3）實(shí)時(shí)測(cè)溫模塊

實(shí)時(shí)測(cè)溫模塊選用NI cFP分布式I/O實(shí)時(shí)系統(tǒng)。采用了cFP-2020控制器，配以4塊cFP TC-120 8通道熱電偶模塊，可直接用于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)J、K、T、N、R、S、E和B型熱電偶，并提供相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理、雙絕緣隔離、輸入噪聲過(guò)濾、冷端補(bǔ)償以及各種熱電偶的溫度算法，用于發(fā)動(dòng)機(jī)各待測(cè)溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)采樣，并利用分布式I/O的基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)共享功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程共享，有利于對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（4）測(cè)功機(jī)

測(cè)功機(jī)是根據(jù)作用力與反作用力平衡原理設(shè)計(jì)的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)的定子受到的轉(zhuǎn)矩與被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩相等時(shí)，由單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接精準(zhǔn)地讀出被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩值。當(dāng)被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶著測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，若給測(cè)功機(jī)加入直流勵(lì)磁電壓，測(cè)功機(jī)中有磁場(chǎng)存在，此時(shí)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)且切割磁力線產(chǎn)生電樞電流，電樞電流和磁通相互作用產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)測(cè)功機(jī)定子受到一個(gè)相反方向的轉(zhuǎn)矩作用，便在測(cè)功機(jī)傳感器軸上產(chǎn)生壓應(yīng)力，在正常工作范圍內(nèi)，壓應(yīng)力與傳感器軸所承受的轉(zhuǎn)矩成正比。如果在傳感器軸產(chǎn)生最大壓應(yīng)力方向上粘貼電阻應(yīng)變片，則應(yīng)變處的電阻值就隨著壓應(yīng)力的大小而變化，再將應(yīng)變片接入一定的橋式電路就能將壓應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，從而即能測(cè)量出轉(zhuǎn)矩的大小。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量使用光電式轉(zhuǎn)速傳感器，測(cè)速分辨力高、慣性小、應(yīng)用廣泛，利用單片機(jī)和光電式傳感器相配合，使待測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)。光電式傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)軸上裝一個(gè)邊緣有N個(gè)均勻分布鋸齒的圓盤，通過(guò)光線投射到光敏管上，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，就得到N個(gè)脈沖信號(hào)，測(cè)量脈沖信號(hào)的頻率或周期，就可得到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

（5）控制機(jī)柜

控制機(jī)柜主要由控制開關(guān)、開關(guān)電源、濾波器以及連接線路組成，是為各路傳感模塊提供相應(yīng)的多路接口，使之與待測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)連接，并提供安全的系統(tǒng)供電、信號(hào)隔離、幅度調(diào)節(jié)以及風(fēng)冷控制等輔助功能，為整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)提供強(qiáng)電支持及系統(tǒng)應(yīng)急措施。

4 軟件結(jié)構(gòu)及算法

（1）軟件結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)總體采用一種基于TCP/IP協(xié)議的客戶機(jī)/服務(wù)器（CS）結(jié)構(gòu)。服務(wù)器架構(gòu)為NI cFP分布式I/O體系，利用其內(nèi)嵌的獨(dú)立式實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)參量的信號(hào)采樣，并完成對(duì)目標(biāo)參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制；客戶機(jī)則采用通用的PC機(jī)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行Windows 多線程操作系統(tǒng)，使用LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)，借助TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，與服務(wù)器之間控制參量及檢測(cè)數(shù)據(jù)的通信，并提供GUI圖形化用戶界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，完成控制參數(shù)的輸入，以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析、運(yùn)算和圖表顯示。

系統(tǒng)操作流程為，上電后服務(wù)器自動(dòng)啟動(dòng)存儲(chǔ)器中內(nèi)建的LabVIEW RT實(shí)時(shí)程序，并實(shí)時(shí)偵聽客戶機(jī)“開始測(cè)試”的命令；客戶機(jī)開機(jī)運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試主程序，完成用戶登錄、硬件配置、選擇測(cè)試項(xiàng)目、設(shè)置測(cè)試參數(shù)后，啟動(dòng)測(cè)試程序；服務(wù)器偵聽到客戶端“開始測(cè)試”命令后，按照客戶制定的硬件配置、測(cè)試項(xiàng)目以及測(cè)試參數(shù)開始實(shí)時(shí)控制與數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶機(jī)；客戶機(jī)發(fā)出PID控制命令，并對(duì)服務(wù)器發(fā)送的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成PID控制后，按照測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試，分析處理測(cè)試數(shù)據(jù)，并以圖表方式顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果；完成測(cè)試后，客戶機(jī)發(fā)出結(jié)束測(cè)試的命令，經(jīng)服務(wù)器接收確認(rèn)后，結(jié)束測(cè)試。

（2）PID控制算法

本系統(tǒng)試驗(yàn)了3種PID控制算法：位置式PID控制算法、增量式PID控制算法和積分分離PID控制算法。

1） 位置式PID控制算法

該算法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，只是將經(jīng)典的PID算法理論離散化，運(yùn)用于計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e（k）進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大；而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的u（k）對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u（k）的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化。

2） 增量式PID控制算法

該算法的優(yōu)點(diǎn)是，由于計(jì)算機(jī)輸出增量，誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉；手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換，此外當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故仍能保持原值；算式中不需要累加。控制增量Δu（k）的確定，僅與最近k次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過(guò)加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。增量式控制也有不足之處：積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。

3）積分分離PID控制算法

5 結(jié) 論

該發(fā)動(dòng)機(jī)性能虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的多路壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、功率以及溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并利用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)主控機(jī)對(duì)多路信號(hào)的遠(yuǎn)程操控以及測(cè)試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享；該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)，適用于多種類型發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能測(cè)試。