基于LabVIEW发动机试验台控制系统的设计与实现

赵海发，李小伟

(济源职业技术学院电气工程系，河南 济源 459000)

近年来，随着我国机动车数量的急剧增加，节能减排、环境保护、安全需求等新问题也被提上了议事日程。由此对乘用车发动机性能的要求也相应提高。不论是发动机设计与制造，还是发动机批量化生产，甚至发动机维修，都需要完整的发动机功能测试标准与设备，因此很多研究人员将重点放在了新测试设备的开发上。在发动机测试期间，研究人员必须同时控制多个参数，并且需要记录大量数据，如能使用计算机控制的、自动化的发动机测试单元，可更快捷方便地进行高精度测试。

LabVIEW是一种功能强大的工程图形化编程环境，在全球范围内已得到广泛使用[1]。由于LabVIEW可以连接多个数据采集卡，并且它是基于数据流执行程序的，因此LabVIEW被广泛用于数据采集、数据分析和数据控制。使用LabVIEW可以创建可视的、灵活的和可扩展的实验室程序[2]。计算机控制的发动机测试单元应具有大量的模拟量I/O和数字量I/O。有鉴于此，本文选择数据采集卡作为计算机I/O设备，选择LabVIEW作为编程环境。

基于计算机控制的发动机动态测试与控制可用于发动机传动部件的仿真，这对排放分析和减排技术的实际发展具有重要的参考价值。在不使用发动机测试装置的情况下，汽车尾气排放分析存在统计误差和系统误差[3]。通过使用计算机控制的发动机测试和控制单元，创建和执行一些仿真程序，是一种准确和稳健的排放分析方法。

文献[4]设计了一个控制单元，实现了对发动机试验装置和测功机的控制，并且已经在设计的控制单元上对柴油机进行了测试，获得了成功的实验结果。文献[5]设计了一个用户系统来控制发动机测试单元上的测功机，设计的系统可以在不同的工作条件下实现自动化。文献[6]在LabVIEW程序中设计了一个接口用于发动机测试。该系统基本实现了点火控制、步进电机控制和节气门位置控制3种功能。文献[7]开发了一种用于发动机控制系统的软件/硬件环境，开发的动态发动机试验台能够通过使用快速神经网络建立适当的发动机行为模型来制定优化策略。文献[8]根据发动机的运行工况建立了合理的发动机燃烧模型和相关的子模型，并分析了各工况条件和过程不可逆损失的影响规律。文献[9]设计并开发了一种基于Kingtec标准诊断协议的诊断工具，结果表明，所开发的工具可以实现准确、快速的数据通信、在线诊断管理，实时和动态的数据更新测量，在线编程数据。文献[10]通过实验了解每种燃料样品在提高现代自然吸气式SI(火花点火)发动机方面的性能，在节气门和部分负荷均处于打开状态的条件下，对每个燃料样品进行测量。

为了分析发动机的性能并进行准确的测试，本文设计了基于LabVIEW的发动机试验台控制系统，该系统是一种低成本的全自动发动机测试控制系统，基于LabVIEW强大的工程图形化编程环境，通过使用数据采集卡将发动机的性能参数传输到计算机终端。为了验证所开发的控制系统性能，分别在不同转速下对发动机的性能进行了测试。

1 材料和方法

1.1 材料

LabVIEW软件作为高效的开发环境，非常适合用于设计实时控制应用程序。发动机运行数据(负载、温度、速度、瞬时燃油消耗)通过数据采集卡实时传输到计算机。同时，发动机的节气门由伺服电机控制，测功机的负载通过向设定输入端施加电压实现控制[11]。USB-6251 DAQ具有模拟/数字输入和输出通道，作为数据采集卡使用。数据采集卡通过模拟/数字输入端口接收发动机读取的数据，然后使用模拟/数字输出端口控制需要调整的参数[12]。图1所示为发动机实验设置框图。

LabVIEW软件能够实时采集数据，并且与数据采集卡完全兼容，因此本文使用LabVIEW软件开发界面和程序。发动机冷却液的进出口温度、发

图1 发动机实验设置框图

动机燃油温度和大气温度使用NTC型热敏电阻测量。NTC型热敏电阻的电阻值随温度的升高而减小，因而实际上热敏电阻的阻值是用参考串联电阻作为模拟电压来测量的[13]。在本次研究中，NTC型热敏电阻的参数由数据采集卡读取。测量电压可通过式(1)转换为温度：

(1)

式中：T为热敏电阻实际温度，K；TR为参考温度，K；β为热敏电阻的增益系数；V为热敏电阻电压，V；Vi为测量电压，V。

由于排气温度极高，因此使用最大量程为1 200 ℃的热电偶来测量排气温度。热电偶根据温度产生电压输出，但是这个电压应该被滤波和线性化处理[14]。因此，本研究使用了一个控制设备，该设备可以产生0～10 V的线性电压输出，与热电偶的测量范围相符。测得的热电偶电压可通过式(2)转换为温度：

T1=33 030Vread

(2)

式中：T1为热电偶温度，K；Vread为热电偶控制设备的输出电压，V。

在实际操作中，可以通过编码器从数据采集卡的计数器入口读取发动机转速。编码器从Z通道出口测量输出脉冲的间隔，编码器的Z通道每隔3 600转提供一个脉冲，从编码器的Z通道连续获取的两个脉冲之间的间隔为一个周期。因此，数据采集卡的计数器入口和Z通道脉冲间隔均以秒为单位进行测量[15]。将测量的周期除以60，即可将其转换为r/min。电机的负载通过一个连接在测功机测力臂上的测压元件进行测量，即将测量精度为0.1 g的测压元件连接到油箱上测量燃料的质量消耗。在实验开始和结束时分别读取油箱的质量，将计算出的差值除以总的实验时间即可得到瞬时燃油消耗。

节气门控制由伺服电机完成，伺服电机由数据采集卡的数字输出端口控制。该数字输出端口产生用于伺服电机驱动的脉冲宽度调制 (PWM)信号。通过改变测功机的电压值，可以实现对电动机负载的控制，这些电压值通过使用数据采集卡的模拟输出确定。将测功机面板的最大和最小电压值作为上下限输入到接口中，那么该接口就可以通过对上下限的电压控制来实现对测功机负载的控制。表1给出的是本研究中使用设备的测量范围和公差。

表1 传感器测量范围和公差

在实验中，需使用一个排放装置来测量设备排放量。排放装置通过串行端口(RS-232)与设计的接口进行实时通信，产生的排放量记录在日志文件中。通过该电子控制测试系统提供的发动机测试步骤的自动化功能，可以在界面上看到测试值，并记录测试结果。本文设计的界面有两种模式可供选择，即手动控制模式和满载测试模式。在准备好实验装置和LabVIEW测量程序后，计算出了系统误差，见表2。

表2 系统误差

1.2 测试模式

在满负载测试模式下，系统控制权来自用户，所有活动均由设计的界面控制。在这种模式下，将所需的发动机转速输入系统的界面，然后按下启动按钮，这样设计的界面可以将油门控件控制在其初始状态。同时，通过增大测功机两端的电压值，以防止达到最大电机转速。发动机实验台上发动机的转速和扭矩主要是通过发动机的油门位置和测功机的励磁电流来控制的，油门到达全油门位置后，测功机处于转矩控制模式下，通过程序更改测功机上施加的电压值，直到达到所需的转速。当达到所需要的电机转速，系统等待排气温度恒定后，将数据作为日志文件保存到计算机中。满载测试模式的工作原理如图2所示。

图2 满载测试方框图

在满载测试模式下，笔者利用测功机负载电压控制发动机转速设计了闭环控制系统。在所设计的控制器中，比例控制器是首选。众所周知，发动机和测功机的响应时间随负载和电动机转速的不同组合而变化，因此比例导数(PD)或比例积分微分(PID)等时变结构控制器在快速达到稳定状态的同时，对系统的适应性较差，导致它们很难迅速达到稳定状态。

2 实际性能测试

本研究在双缸水冷Lombardini SI发动机上进行了系统实际效果测试。结合软件和界面设计，利用上述测量设备制作了发动机试验台。实验所用发动机的冷却剂为水，采用直接注入的方式，其余特性参数见表3。

表3 实验所用发动机的特性参数

本实验选择满载测试模式，在这种模式下，设计的程序将油门控制和测功机负载切换到被动模式，并且不允许用户进行交互。根据输入的速度值[16]，程序自行设置发动机转速。当排气温度达到恒定值时，程序会将测量的数据传输到计算机。测试中的系统界面如图3所示。

图3 满载测试期间的界面

实验是在发动机转速为1 600～3 600 r/min时进行的，满载测试的输出数据记录在Excel表格中。满载试验数据的屏幕输出结果参数见表4。

3 结果与讨论

实验中使用汽油发动机，在节气门全开(WOT)后，通过改变测功机上的负载设置进行满负载测试。在这种情况下，负载测功机控制系统稳定循环。为了验证本文开发的控制系统的性能，分别在不同转速下对发动机的性能进行测试。在相同情况下，分别对使用和不使用发动机的控制系统进行了实验并比较了结果。此外，在Excel文件中还绘制了转矩和设备功率与发动机转速的关系，如图4所示。根据曲线图可知，发动机性能曲线是正确的。此外，图4还给出了一些性能和排放曲线，如HC、CO2、CO及NOx排放曲线。

表4 满载测试实验数据

图4 发动机性能参数和排放曲线

4 结束语

本文开发并实现的发动机试验台控制系统已成功与现有试验台的机械结构集成在一起，该系统具有完全灵活的结构，方便添加和删除参数。系统只需要很简单的布置便可以针对不同的发动机进行相应的实验，成本低廉。此外，该系统还可以用于教育目的，包括远程教育以及专业的发动机测试。使用本文开发的系统，可以在计算机屏幕上实时监测和分析发动机的性能参数。与传统系统相比，本文设计的系统具有测量精度高、可靠性好、测量周期短、测量误差小等优点。由于使用了用户界面，因此测试和控制操作变得更加容易，即使一个人也可以完成所有实验。除用于科学研究外，该系统还具有丰富的视觉效果，有助于提高教育和培训活动的效果，特别是在远程教育方面。系统可以轻松记录测量值，因此更容易观察不同参数之间的关系，此外系统的远程测量能力还为测试人员提供了无噪声、更安全的工作环境。