发动机测试台恒温与冷热冲击控制分析

卢伟 吕毅

【摘 要】文章介绍了发动机性能测试台进行发动机性能试验及冷热冲击试验时出水温恒控制及对象的建模，针对试验室要求较高的特点，构造了一种新型恒温与冷热冲击系统，利用专家控制思想，运用PID控制算法，根据温度变化实现PID控制，用模块化的控制实现冷热冲击试验，提高了系统稳定性。经实际使用表明，达到了发动机的设计测试需求。

【关键词】发动机;冷热冲击;PID控制

【中图分类号】U467.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）02-0091-03

0 引言

汽车发动机的相关研发过程需根据国家标准而进行，必须满足特定试验要求与环境下方可进行发动机相关性能试验的测试，在测试满足标准后可判定发动机研发合格。一般而言，发动机测试的主要条件包括發动机循环水温度、回油温度、恒定控制中冷后进气温度[1-2]。该研究的控制分析亦根据国家对内燃机相关技术标准要求进行[3-4]，同时针对玉柴发动机企业规范，在发动机性能测试试验过程中需保证发动机出水温度控制范围为（85±2）℃，进行发动机冷热冲击试验时，发动机出水温度应控制在42 ℃以下，热冲击时保持发动机在出水口处温度在90～95 ℃范围内。控制系统如图1所示。

发动机测试台架测控仪采集模块水恒温与冷热冲击系统上位机（台架工控机）人机界面，数据记录，数据管理，图像输出，报表打印;数据采集发动机测试台架测控仪采集模块水恒温与冷热冲击系统上位机（台架工控机）人机界面，数据记录，数据管理，图像输出，报表打印，数据采集。

整个发动机水恒温与冷热冲击系统采用了上、下位机结构形式。上位机采用工控机，利用Delphi汇编语言编程研发。上位机的功能体现为：满足人机交互界面视觉、试验等数据通信与数据采集处理、系统综合控制、图像处理等功能。下位机包括测功器控制系统（测控仪）、水恒温与冷热冲击系统等单元。上位机跟测控仪采用Rs—232串行通信方式交换各种命令和测试数据，跟恒温与冷热冲击系统通过Rs—485串行通信方式交换命令和测试数据[5-6]。

本文主要以发动机循环水温度控制策略及效果为对象进行介绍。

1 进行恒温水控制分析

发动机的冷却功能来源于发动机的循环水，出水温度值被设置为控制变量，其影响因素包括被测发动机环境温度、被测发动机负载、被测发动机进口处水温、加热器等;恒温水控制控制逻辑如图2所示。由图2可知，T1～T5为温度传感器，此处选用靖江传感器公司出品的pt100温度传感器。W为“水将流动”传感器，这是由于在没有冷却水条件下，被测发动机处于未开机或未加载状态。换而言之，W对被测发动机起保护作用。其他元器件标注如图2所示。

被测发动机在进行规定试验时，技术员拟通过上位机（工控机）对被测发动机下达启动命令与测试目标，执行电机在收到测试信号由循环水温度控制器依据需求对进水电动阀进行开度控制，此时恒温系统开始工作，因为水开始流动，W传感器发送信号给恒温系统，水泵开始工作，由于刚刚开始，水温没有达到设定值，加热器开始工作，直到加热到设定值后启动测功器并进行负荷加载，再进入正常的测试程序。由此可知，影响被测试发动机出水温度T2的因素主要有测功器所施加的负载力矩和进水温度T1。

为了使被测发动机恒温水控制得到简化，需降低对3个控制变量之间的耦合关联度关系。换言之，被测发动机需根据发动机所处环境温度对热水箱温度调节到合适值进行独立控制。当热水箱温度值处于某一恒定数值时，而控制变量参数中比例阀处于最小增益，此控制方程下可使发动机在空载时出水温度高于85 ℃。通过控制阀增益的增大，对由于增加负载所导致的出水温度升高可通过增益补偿获得，在此因素作用下，热水箱温度（T3）对被测发动机出水温度（T1）有较小程度的弱耦合扰动。当被测发动机处于满负荷工况时，若比例阀增益处于最大而T2无法再降低时，则需对被测发动机热水箱水温值进行下调处理，反之亦然。刘长寿等人的试验表明[4]，影响发动机水箱温度参数设定的主要因素有发动机型号、测试环境温度和是否测第一台发动机等。

发动机在进行试验测试时，操作人员通过上位机（工控机）对发动机下达测试要求与启动命令，在收到测试信号后循环水温度控制器依据需求对进水电动阀进行开度控制，此时恒温系统开始工作，因为水开始流动，W传感器发送信号给恒温系统，水泵开始工作，由于刚刚开始，水温没有达到设定值，加热器开始工作，直到加热到设定值后启动测功器并进行负荷加载，再进入正常的测试程序。由此可知影响被测试发动机出水温度T2的因素主要有测功器所施加的负载力矩和进水温度T1。

2 PID智能控制策略

针对图2所示的系统设计可近似为解耦模型，因此采用PID智能控制策略，由上位机来完成计算量较大的解耦算法分配，下位机则实施具体的实时采样、分析及在线控制功能分配。

2.1 热水箱温度控制

TS为热水箱温度设定值是由上位机送来或者在下位机上设定，如图3所示，一般情况下，天热时，外循环冷却水的温度T4升高，冷却效果下降，这时热水箱所设定的水温值TS应低于预期;在环境温度较低时，外循环冷却水温度有所下降，冷却效果上升，这时热水箱的设定温度应该高一些。而当系统正常运行了一段时间，比如10 h之后，整个测试系统达到了热平衡，设定值又可以降低一些。这些都是上位机采集到热水箱T3，其控制算法为积分分离的数字型（对比于模拟型）比例积分（PI）方程，且通过控制周波与过零触发的双向晶体管进行热水箱中6 kW加热器的闭环控制，可达到调节温度的目的。

2.2 发动机进水箱温度控制

经过热水箱的控制之后，热水箱温度基本稳定在设定值TS，这时，再经过进水箱，进水箱的作用主要是预防热水箱超调，引起发动机的进水温度过高，此时温控系统从T2采集到出水的温度，在热水箱的水进入进水箱后，经过外循环水的冷却，同时由于使用智能PID控制[5-6]，根据反馈的T2的值，跟设定的出水温度的限值TG，提前打开或关闭电动比例阀。控制系统如图4所示。

2.3 发动机冷水箱温度控制

根据冷热冲击试验可以知道，发动机在冷冲击的时候，负荷关闭，发动机怠速运行，此时发动机进水温度趋向平衡，所以，通过采集发动机的出水温度T2，调节冷水箱的温度T5即控制了整个冷循环的出水温度。

2.4 冷热冲击试验

发动机进行冷热冲击试验的时候，随着工况改变，温度改变几乎同时进行。在图5所示控制中，由上位机给测控仪和恒温冷热冲击系统发送指令，测控仪改变发动机的工况，恒温冷热冲击系统根据上位机发送的指令同步转换发动机的进水。若为冷冲击，则进水箱的电动阀关闭，冷水箱的进水电动阀打开，由冷水箱给发动机供水。同时，发动机的出水回到冷水箱冷却。热冲击的时候，进水箱的进水电动阀打开，冷水箱的进水电动阀关闭，发动机出水回到热水箱。根据上面的各个水箱的温控，系统自动进行设定温度的转换，确保在冷热冲击状态下，系统仍然能够在同一工况下实现恒温功能，完成试验。

3 运行情况和小结

采用上述智能PID控制方案研制成功的发动机出水恒温及冷热冲击系统在某柴油发动机厂稳定运行1年多，共配套生产了多台。图6为上位机智能控制界面图，整个控制完全由计算机与单片机完成。一般测试情况下可将发动机出水温度控制在（85±2）℃范围，超调量约1 ℃。而附加的冷热冲击系统，历经过多次500 h的冷热冲击试验，说明系统的可行性与可靠性较高，达到了预期的设计目的，满足了柴油发动机设计测试需求。

参 考 文 献

[1]黄海燕.汽车发动机试验学教程[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2]王建昕.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社，2001.

[3]GB/T 1105.3—1987，内燃机台架性能试验方法——测量技术[S].

[4]刘长寿，陆小明，雷健明.汽油机台架冷却系统的改造[J].内燃机，2012（2）：8-11，19.

[5]姜述刚.电控发动机控制参数台架自动化标定技术的研究[D].北京：清华大学，1999.

[6]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2003.

[责任编辑：钟声贤]