1 引 言

　　隨著發(fā)動機電控技術(shù)的發(fā)展，對發(fā)動機測試提出了更高的要求,。發(fā)動機試驗的自動化成為提高發(fā)動機測試效率和質(zhì)量的重要方法,。虛擬儀器是用軟件將計算機與標準化虛擬儀器硬件結(jié)合起來，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的模塊化,，以達到自動測試與分析的目的,。利用虛擬儀器技術(shù)用戶可以通過圖形化的編程環(huán)境和操作界面，輕松完成對待測對象的信號調(diào)理,、過程控制、數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)分析,、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲,、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；同時由于采用了標準化的虛擬儀器軟硬件,，測試系統(tǒng)的兼容性和擴展性也得到了很大程度的增強,；除此以外，虛擬儀器技術(shù)的靈活性強和可重用度高,，可以使用戶的測試系統(tǒng)規(guī)模最小化,，且易于升級和維護，用戶甚至可以使用現(xiàn)有硬件組成另一套測試系統(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

　?。?）系統(tǒng)組成

　　發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)主要由主控機模塊,、cFP實時監(jiān)控模塊、測功機模塊以及待測發(fā)動機模塊四部分組成,，如圖1所示,。

圖1 發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)

　　主控機模塊為一臺DELL工作站，用于提供圖形化用戶界面,，完成對系統(tǒng)硬件的配置和對用戶界面和控制參數(shù)的設(shè)置,，并實時更新各指標參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得到發(fā)動機特性曲線,，最后完成測試數(shù)據(jù)的記錄工作,。與此同時，主控機還通過嵌入式NI PCI數(shù)據(jù)采集卡完成對非控制參量，如壓力,、油耗等的測量工作,。

　　cFP實時監(jiān)控模塊由兩部NI cFP分布式I/O系統(tǒng)組成，通過TCP/IP協(xié)議與主控機通信,，從主控機獲得控制參數(shù)命令來控制測功機,，并返回從測功機模塊采集來的數(shù)據(jù)信號，交由主控機處理,。其中模塊A用于完成實時自動加載和控制指標參量的測量,，并提供過載保護、緊急停車以及非法停機后的系統(tǒng)重建等應(yīng)急措施,；模塊B用于完成對待測發(fā)動機各溫度點的實時監(jiān)測,。

　　測功機模塊被用于為待測發(fā)動機提供一定的負載，并由其內(nèi)部的傳感設(shè)備將待測發(fā)動機在該負載下的扭矩,、轉(zhuǎn)速以及輸出功率等待測指標參量轉(zhuǎn)換為 cFP實時監(jiān)控模塊A可以接受的電壓信號,。

　　（2）工作原理

　　發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)可在兩種工作模式運行下：自動工作模式和手動工作模式,，主要測試項目有：

　　1）發(fā)動機壓力曲線 （油,、水、氣的進出口）,。2） 發(fā)動機溫度曲線 （油,、水、氣的進出口及環(huán)境）,。3） 發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線,。4） 發(fā)動機扭矩曲線。5） 發(fā)動機功率曲線,。6） 發(fā)動機油耗曲線 ,。

　　自動工作模式下，主控機首先等待用戶完成軟硬件的設(shè)置和配置,。然后提請用戶選擇負載測試或定參數(shù)測試,，負載測試下用戶需要設(shè)置負載曲線、負載時間,、循環(huán)時間以及測試時間等測試參數(shù),；定參數(shù)測試下，用戶可以選擇指定扭矩,、轉(zhuǎn)速或是功率,，并設(shè)置相應(yīng)的定標參數(shù)、控制參數(shù)以及測試時間,。完成以上步驟以后,，就可以啟動測試程序,，測試系統(tǒng)即按照用戶制定的負載自動加載同時完成對待測發(fā)動機的性能測試；或是通過一定的控制算法保持定標參數(shù)的穩(wěn)定并對該狀態(tài)下的待測發(fā)動機進行自動測試,。系統(tǒng)運行的同時,，用戶可以在實時監(jiān)測圖表中觀察各指標參量對時間的波形顯示，經(jīng)過曲線擬合后得到發(fā)動機特性曲線,，并可將感興趣的圖表導(dǎo)出存盤,。當完成測試時間后，系統(tǒng)自動終止測試,。

　　手動工作模式下,，系統(tǒng)工作原理與自動工作模式下基本類似，只是系統(tǒng)不進行循環(huán)測試,，而是提供一種交互式的測試環(huán)境,，完成指定的測試項目后，等待用戶的進一步操作,。

　　3 硬件結(jié)構(gòu)

　　發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組成框圖,，如圖2所示。

圖2 發(fā)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組成框圖

　?。?）主控機

　　主控機選用一臺DELL工作站，內(nèi)嵌了Intel Pentium 4 2.6G CPU,，多功能數(shù)據(jù)采集卡和實時測溫模塊和實時監(jiān)控模塊,。

　　（2）實時監(jiān)控模塊

　　實時監(jiān)控模塊選用NI cFP分布式I/O實時系統(tǒng),。作為工業(yè)級控制系統(tǒng),，cFP具備FIFO數(shù)據(jù)隊列、斷電數(shù)據(jù)緩存,、看門狗狀態(tài)監(jiān)測以及高抗沖擊性和抗干擾性,，是用于完成系統(tǒng)最核心的實時采集與控制的部分。

　?。?）實時測溫模塊

　　實時測溫模塊選用NI cFP分布式I/O實時系統(tǒng),。采用了cFP-2020控制器，配以4塊cFP TC-120 8通道熱電偶模塊,，可直接用于測量標準J,、K、T,、N,、R、S,、E和B型熱電偶,，并提供相應(yīng)的信號調(diào)理、雙絕緣隔離、輸入噪聲過濾,、冷端補償以及各種熱電偶的溫度算法,，用于發(fā)動機各待測溫度點的數(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)共享功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程共享,，有利于對工業(yè)現(xiàn)場實施遠程的實時監(jiān)控,。

 　　（4）測功機

　　測功機是根據(jù)作用力與反作用力平衡原理設(shè)計的,。當發(fā)動機測功機的定子受到的轉(zhuǎn)矩與被測發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩相等時,，由單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接精準地讀出被測發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩值。當被測發(fā)動機旋轉(zhuǎn)帶著測功機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,，若給測功機加入直流勵磁電壓,，測功機中有磁場存在，此時測功機轉(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)生制動轉(zhuǎn)矩,，同時測功機定子受到一個相反方向的轉(zhuǎn)矩作用，便在測功機傳感器軸上產(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，從而即能測量出轉(zhuǎn)矩的大小,。

　　發(fā)動機轉(zhuǎn)速的測量使用光電式轉(zhuǎn)速傳感器,，測速分辨力高、慣性小,、應(yīng)用廣泛,，利用單片機和光電式傳感器相配合，使待測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速簡便,、抗干擾能力強,。光電式傳感器在發(fā)動機軸上裝一個邊緣有N個均勻分布鋸齒的圓盤，通過光線投射到光敏管上,，當發(fā)動機轉(zhuǎn)動一周,，就得到N個脈沖信號，測量脈沖信號的頻率或周期,，就可得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速,。

　　（5）控制機柜

　　控制機柜主要由控制開關(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，使之與待測發(fā)動機連接,，并提供安全的系統(tǒng)供電,、信號隔離、幅度調(diào)節(jié)以及風冷控制等輔助功能,，為整個發(fā)動機測試系統(tǒng)提供強電支持及系統(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)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)總體采用一種基于TCP/IP協(xié)議的客戶機/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)嵌的獨立式實時系統(tǒng)實現(xiàn)目標參量的信號采樣，并完成對目標參量的實時監(jiān)測和控制,；客戶機則采用通用的PC機結(jié)構(gòu),，運行 Windows 多線程操作系統(tǒng)，使用LabVIEW虛擬儀器平臺,，借助TCP/IP協(xié)議實現(xiàn),，與服務(wù)器之間控制參量及檢測數(shù)據(jù)的通信，并提供GUI圖形化用戶界面,，實現(xiàn)人機交互,，完成控制參數(shù)的輸入，以及檢測數(shù)據(jù)的分析,、運算和圖表顯示,。

　　系統(tǒng)操作流程為，上電后服務(wù)器自動啟動存儲器中內(nèi)建的LabVIEW RT實時程序,，并實時偵聽客戶機“開始測試”的命令；客戶機開機運行發(fā)動機性能虛擬儀器測試主程序,，完成用戶登錄,、硬件配置、選擇測試項目,、設(shè)置測試參數(shù)后,，啟動測試程序；服務(wù)器偵聽到客戶端“開始測試”命令后,，按照客戶制定的硬件配置,、測試項目以及測試參數(shù)開始實時控制與數(shù)據(jù)采集，并通過TCP/IP協(xié)議將實驗數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶機,；客戶機發(fā)出PID控制命令,，并對服務(wù)器發(fā)送的實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，完成PID控制后,，按照測試項目進行測試,，分析處理測試數(shù)據(jù),，并以圖表方式顯示實驗結(jié)果；完成測試后,，客戶機發(fā)出結(jié)束測試的命令,，經(jīng)服務(wù)器接收確認后，結(jié)束測試,。

　?。?）PID控制算法

　　本系統(tǒng)試驗了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)點是原理簡單,，只是將經(jīng)典的PID算法理論離散化，運用于計算機輔助測量,，結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn),；缺點是每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e（k）進行累加,，計算機運算工作量大,；而且，因為計算機輸出的u（k）對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置,，如計算機出現(xiàn)故障,，u（k）的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。

　　2） 增量式PID控制算法

　　該算法的優(yōu)點是,，由于計算機輸出增量,，誤動作時影響小，必要時可以用邏輯判斷的方法去掉,；手動/自動切換時沖擊小,，便于實現(xiàn)無擾動切換，此外當計算機發(fā)生故障時,，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用,，故仍能保持原值；算式中不需要累加,?？刂圃隽?Delta;u（k）的確定，僅與最近k次的采樣值有關(guān),，所以較容易通過加權(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：積分截斷效應(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)動機性能虛擬儀器測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對發(fā)動機的多路壓力,、扭矩,、轉(zhuǎn)速,、功率以及溫度實時監(jiān)測，并利用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)主控機對多路信號的遠程操控以及測試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享,；該系統(tǒng)具有測量精度高,、運行穩(wěn)定性強，適用于多種類型發(fā)動機綜合性能測試,。