0引言
发动机测控系统最重要的部分之一是系统的智能控制，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。恒转速和恒扭矩是系统两个主要的控制要求。要实现系统的控制，首先要使执行机构能按照系统的指令快速地执行，而系统的控制效果是否好，关键在于能否在试验的基础上不断完善控制理论和控制方法。文中根据现场实际情况采用数字PID 控制方式设计并实现了恒转速控制，基本达到了系统的要求。
1发动机测控系统的控制要求和方案设计
1.1发动机测控系统的控制要求
本系统主要以发动机性能试验方法规定的功率试验、负荷特性试验和万有特性试验作为设计系统控制包的依据。
功率试验的试验方法是油门全开，在发动机工作转速范围内，依次地改变转速进行测量，适当地分布8个以上的测量点；负荷特性试验的试验方法是在若干个转速(其中应含常用转速和2000r/min)下进行试验。发动机转速不变，从小负荷开始，逐步开大油门进行测量，直至油门全开，适当地分布8个以上的测量点，应包括转速为2000r/min，平均有效压力为200kPa 的工况点；万有特性试验的试验方法是在发动机工作转
速范围内适当地选定8种以上的转速进行试验，试验按8.4.3规定，在选定的转速下进行负荷特性试验(GB-T 18297-2001)。
1.2发动机测控系统恒转速控制方案设计
从系统的控制要求和控制模式的选择中可以看出，恒转速控制是关键，伴随着恒转速控制的是恒扭矩控制。转速是控制的过程量。为了使控制具有良好的可观性、可控性和可调性，达到动态响应性好、超调小、稳定的控制效果，必须要选择好系统的控制方案，设计好系统的控制包，并根据试验的结果不断完善控制包。
针对系统转速、转矩的控制特点和系统的要求，在分析控制回路的控制模式选择的基础上，本文采用调节数采卡的模拟电压输出从而调节励磁电流的方式对测功系统负载进行控制，调节数采卡的脉冲输出和控制数字I/O 的方式调节步进电机的运转从而对油门位置控制。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1所示。
图1系统控制方案简图励磁电流的控制如图2所示。
图2励磁电流控制示意图
油门执行机构由BS86HB118-06步进电机、Q2HB110M 控制器、光电式位置传感器、辅助电路、移动滑
槽及油门拉绳组成，整个油门执行器如图3所示。
图3油门执行器组成
油门执行器的启停、加减油门(转向)及限位开关的检测是由数采卡的I/O 通道和辅助电路来完成的。数采卡有两个计数器/定时器和24个数字通道(定义为Port A、Port B 和Port C，每个端口有8个位/通道，可以通过程序定义的方式定义各端口的功能)，定时器/计数器可以输出TTL 脉冲。
在本设计的系统中，将数采卡的定时器/计数器0(GPTC_0)输出脉冲用以驱动步进电机运行;Port A 被定义为READ,Port B 被定义为WRITE，用A 的0通道和1通道来读取限位开关的信号,B 的0通道用来输出开关量信号控制电机的转向(当输出为高电平时电机正转，油门开度减小；输出为低电平时电机反转，油门开度增大)。当电机运转到最大位置或最小位置时，限位开关输出高电平，在其他位置为低电平，基于此可以控制电机在到达极限位置时的动作：停止或者自动反转，从而起到了自动调节的作用，保护了电机和油门。整个油门执行器的动作流程图如图4所示。
图4油门执行器动作流程图
作者简介：赖建生，男，广东紫金人，工学硕士，在读博士研究生，广东科学技术职业学院机械与电子工程学院，讲师。
基于PID 控制的发动机恒转速控制系统的设计
赖建生
(广东科学技术职业学院机械与电子工程学院，广东珠海519090)
【摘要】针对发动机测控系统的恒转速测试，用LabVIEW 的PID 控制器设计了发动机恒转速控制系统。系统通过调节数采卡的模拟电压输出调节励磁电流的方式对测功系统负载进行控制，调节数采卡的脉冲输出和控制数字I/O 的方式控制步进电机的运转从而实现对油门位置的控制，采用数字PID 控制器。通过试验验证了系统的可行性。
【关键词】发动机测控系统;LabVIEW ；数字PID ;
恒转速
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2数字PID 控制器设计
系统的反馈执行机构可以按照系统的指令运行，但怎么运行才能达到试验的规定要求使系统能按照要求进行测试，这就需要考虑系统控制方式的选择，也就是系统控制包的设计问题。由于PID 是目前工业控制系统中比较成熟的技术，因此系统采用PID 作为首选的控制方式。
2.1PID 控制
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的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5所示。
图5数字控制系统典型结构
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。
PID 控制器是根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏差:e(t)=r(t)-y(t)，将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。其控制规律为
u(t)=K p e (t )+1T i
t
0∫
e (t )dt+T d de (t )dt [
]
(1)式中,u(t)为控制器的输出信号,K p 为比例系数,T i 为积分时间常
数,T d 为微分时间常数。
由于计算机控制是一种离散控制，模拟PID 控制算法必须离散化，设采样周期为T，以kT 代表连续时间t，将式(1)离散化，并适当变换后可以得到式(2)、式(3)所示的数字形式离散的位置式PID 和增量式PID 两种算法(张桂香等,1999)。
u(kT)=K p e (kT )+T
T i
k
j =0
∑e (j )+T
d
T
e (kT )-e (k-1)T []
{
}
(2)
Δu (k )=K p Δe (k )+K 1e (k )+K D Δe (k )-Δe (k-1)[](3)式中,K 1为采样后的积分系数,K 1=(K p T )/T i ;K D 为采样后的微分系数,K D =(K p T d )/T ;Δe (k )=e (k )-e (k -1),Δe (k -1)=e (k -1)-e (k -2)。设Δu p (k )=K p e (k )-e (k -1)[],Δu D (k )=K D e (k )-2e (k-1)+e (k-2)[],Δu I
(k )=K I e (k )，将式(4.3)改写为
Δu (k )=Δu p (k )+Δu I (k )+Δu D (k )
(4)增量式PID 算法输出的是控制量的增量Δu (k )，控制量为u (k )=Δu (k )+u (k-1)(5)从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，数字PID 控制系统各系数K P ,K I ,K D 的整定十分重要，参数整定的好坏直接影响到系统的调节品质和PID 控制器的控制效果。一般系统的K P ,K I ,K D 是用临界比例法、阶跃响应曲线法等实用工程方法整定，另
外还有Ziegler-Nichols 归一参数法、Cohen-Coon 法、稳定边界法等整定方法(黄忠霖,2001)。但是，这些方法都要求对被控对象进行现场实测之后，才能确定K P ,K I ,K D 等参数，而且传统的PID 控制器参数一旦整定后，在整个调节过程中始终保持不变。因此，对于变参数、非线性系统，常规PID 控制适应能力不强。
本系统在测功器的电流控制和油门执行器的步进电机控制中采用了常规的数字PID 控制。
2.2PID 控制在LabVIEW 下的实现
在LabVIEW 的环境中，通过PID 控制工具包分别实现了测功器和油门执行器的数字PID 控制的设计。
LabVIEW 的PID 控制包是单独购买的非LabVIEW 组件，它有PID 控制和Fuzzy Logic 控制两种功能VI，如图6所示。
图6PID 控制包及其功能VI
测功器恒转速控制系统结构框图如图7所示。转速采样得到的实际值n p 与设定的转速值n s 比较后将差值e n 作为PID 控制器的输入量，经PID 运算后的输出量为0~5V 的电压V f ，用V f 控制华泰电源的输出电流。因此数采卡输出电压的大小调节了电涡流缓速器励磁电流大小，从而调节了测功器的负荷大小。
图7电涡流测功器转速闭环控制结构框图
在LabVIEW 中运用PID 工具包的PID 功能VI 编译了电涡流测
功器的转速控制VI。程序的流程图如图8所示。首先设定转速最大值n max (发动机的最大转速，本系统试验的发动机最高转速为2500rpm),
将设定值和实际值转换成与最大转速相对应的0~100的值(n
s n max ×
100=N s ,
n p
n max
×100=N P ,N S ,N P ∈0,100[]，有利于PID 的运算)，接着根据经验和计算结果得出PID 系列参数(用分段PID 算法，根据N P 的值
选择PID 参数，如表1所示)。PID 运算后的输出值u i 在-100~100之间，因为控制电压是正值因此将u i 取绝对值u i ，并将此值按照线性对应关系转化成0~5渐变的值u 0输出给数采卡控制模拟电压的输出值。程序框图如图9所示。
图8电涡流测功器转速PID
控制程序流程图
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表1测功器PID 参数表
图9电涡流测功器转速控制程序框图
油门执行器的PID 控制器设计和测功器的基本相同，图10是系统结构框图。
图10油门PID 控制系统结构框图
图11油门执行器PID 控制流程图
图12油门执行器PID 控制程序框图
油门PID 控制的实现过程跟测功器PID 控制的实现过程是相似的，不同的地方有:
1)PID 参数值不同，具体的参数如表2所示;
2)经PID 运算后输出值转化后的值是0~64，这是步进电机驱动脉冲频率的百分之一，通过控制步进电机脉冲的大小来实现油门位置动作快慢的控制，且e n ∈[-10,10]时输出值为0，电机停止;
3)e n 的值为正时，布尔量输出为T，电机正传，油门开度增大。反之则相反;
4)根据e n 的值来选择PID 参数。
油门PID 控制的流程如图11所示，其程序设计框图如图12所示。根据N p 的值分段用试凑法确定PID 的参数，确定后的参数如表2示。
表2油门执行器PID 控制参数表
3PID 控制效果验证试验
3.1测功器PID 控制试验方案
将发动机油门调到最大位置，并保持不变，转速从2500rpm 开始，按250rpm 逐渐递减直到1000rpm，总共六个点，测试时间总共35分钟，试验前确保电涡流缓速器没有发热。3.2油门执行器PID 控制试验方案
开始时将油门调到最大，转速达到2500rpm，然后让数采卡输出1.1V 的控制电压使华泰电源给测功器提供6.5A 左右的励磁电流，并保持此电流值不变。转速降至2400rpm，稳定后按照200rpm 逐渐递减，直到油门到达最小位置，总共六个点，测试时间总共40分钟，试验前确保电涡流缓速器没有发热。
4结果与分析
4.1测功器PID 控制的测试结果与分析
测功器PID 控制的测试结果部分如图13和14所示。
图13测功器PID 控制效果(设定值为2000rpm )
图14测功器PID 控制效果(设定值为1000rpm )
分析图13，得出系统的最大超调量δ等于5%，下降时间等于0.17s，调整时间等于1.08s，超调次数υ等于2；分析图14，得出系统的最大超调量δ等于7.5%，下降时间等于0.14s，调整时间等于0.89s，超调次数υ等于1。由此可看出用PID 控制测功器能达到系统的测试要求，且频响特性非常好。但是试验时间越长电涡流缓速器的发热量就越大，热衰退的现象严重，需要的激励电压越来越大(output 是励磁电流的激励电压)，并且不是线性增加，因此在没有加冷却装置的情况下，不能长时间进行试验。
4.2油门执行器PID 控制试验结果与分析(下转第96页)
N
p K c
T i T d 0~40
200.0080.00140~7015
0.01
0.00170~100
100.0150.001
N
p K c T i T d 0~40
60.0080.00440~708
0.004
0.00270~100
100.0020.001
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温还会升高，直至推土机无法行走。推土机休息片刻，待油温降低后又可以行走，但行走一段时间油温又会升高。
3.2.2结构原理
该推土机变速泵通过粗滤油器从变速器油底内吸出油液，再通过细滤油器进行过滤。细滤油器输出的压力油经变速溢流阀调压(设定在0.72~0.85MPa)后进入变速控制阀，用于控制变速器自动换挡。
变速溢流阀溢流出的压力油进入变矩器进口安全阀，安全阀压力设定为0.21~0.32MPa。压力油经安全阀后输入变矩器，变矩器出口设有出口压力调节阀，该阀将变矩器内的压力设定为0.12MPa。变矩器进口安全阀及出口压力调节阀的作用是保证变矩器内具有适当的压力。该变矩器出口压力调节阀溢流的油液进入润滑回路，对液力传动各部位轴承进行润滑。推土机变矩器工作正常(油温为90℃左右)时，变矩器油温表指针应在绿区域内。
推土机无法行走、油温升高过快的原因可能是变矩器内油量不足、变速泵损坏、进油管吸空、滤油器堵塞，或者是某个控制阀故障，造成变矩器内油液不足或油液过多。
3.2.3故障排查
首先，查看变速器的油位正常。
其次，检测变速溢流阀压力正常，由此可排除变速泵、进油管、滤油器存在故障的可能。
再次，检测变矩器进口安全阀压力低于规定值，而变矩器出口压力调节阀压力正常。
然后，将变矩器进口安全阀拆检，发现该阀的阀芯卡死。
最后，将该阀清洗后装复试机，推土机能够正常行驶，变矩器进口安全阀压力及变矩器油温均恢复正常。
3.2.4原因分析
变矩器进口安全阀阀芯卡死后，油温较低时变矩器进口安全阀泄漏量较少，变矩器能够较好地传递动力，推土机行驶有力。当油温升高后，输入变矩器的油液通过变矩器进口安全阀泄漏量增大，由此造成变矩器传动无力，同时变矩器进口安全阀压力出现过低现象。3.3故障三：液压泵吸空导致“等挡”
3.3.1故障现象
推土机工作1600h后，出现启动后“等挡”现象，即挂挡后推土机不行走，需要等待一段时间后才能行走。若等待一段时间后推土机仍不能行走，操作人员需在变速油路的细滤器测压口处排气，该推土机方可行走。而该推土机行走后各项动作正常。
3.3.2故障排查
首先，更换粗滤器及变速泵吸油口的O形密封圈后试机，推土机“等挡”现象依然存在。
其次，检查变速泵吸油胶管，并对吸油胶管进行打压试验，结果表明该管无破损。
再次，拆检变速泵，发现骨架油封并未损坏，为确保装配后不发生“吸空”现象，换上1个新的变速泵，但推土机“等挡”现象依然存在。
然后，在安装变速泵时偶然发现，转向泵吸油口处漏油，转向泵吸油管紧固螺栓有松动。
最后，更换转向泵吸油口的O形圈，对转向泵吸油管锁紧螺栓进行紧固，推土机“等挡”现象消失。
3.3.3原因分析
“等挡”的原因可能是启动时推土机变速泵吸油油路中吸入空气。启动后变速泵边排油、边排气，待变速泵吸油路中的空气排净后，变速泵输出的油压才能建立起来。该推土机的变速油路和转向油路共用一个粗滤器，转向泵吸油管位置较低，变速泵吸油管位置略高。转向泵吸油管紧固螺栓松动后，造成了吸油管漏气。当停机一段时间后，空气从漏气部位进入吸油管，粗滤器内油液流回油底。当再次启动时，位置较高的变速泵出现“吸空”。而位置较低的转向泵由于“吸空”现象不明显，没有出现无法转向现象。
以上从三个方面对推土机常见故障进行了分析，力求出解决问题的常规维修方法，探讨一些共性的东西。
现代工程机械基本上是由电子控制系统、液压驱动系统、机械执行机构组成的有机整体。为此，在机械故障的处理过程中，我们首先要判断故障是由机械部件引起的，还是电子控制系统或液压系统引起的，然后再进一步分析故障原因。先从简单的问题入手，再复杂的原因，一步步把原因出来，有时需要我们耐心地反复查原因。发动机启停技术
[1]许安.工程机械维修[M].人民交通出版社,2004-08-01.
[2]山推股份总厂TY220型推土机说明书[Z].2002.
[3]重庆康明斯发动机说明书[Z].1998.
[责任编辑：汤静]
(上接第100页)油门执行器的试验结果部分如图15和16所示。
图15油门PID控制效果(设定值2000rpm)
图16油门PID控制效果(设定值为1200rpm)
分析图15，得出系统的最大超调量δ等于7.5%，下降时间等于0.11s，调整时间等于2.38s，超调次数υ等于4；分析图16，得出系统的最大超调量δ等于10%，下降时间等于0.15s，调整时间等于2.79s，超调次数υ等于5。
从上可以看出测功器PID控制器的控制效果要比油门执行器PID控制器的控制效果要好。但是总的来说，系统控制的频响特性要已达到目前国内的同类型发动机测控设备控制的频响特性，说明系统是可行的。
【
】
[1]马驰，肖兴明.LabVIEW中通用采集卡驱动程序设计[J].矿山机械,2004(6):56-58.
[2]王宏伟，丁喆.虚拟仪器技术在发动机测试系统的应用研究[J].机电工程
, 2001,18(4):25-27.
[3]王荣吉，王冰.基于虚拟仪器的汽车电动摇窗机测试系统[J].机电工程,2005,22 (1):16-18.
[4]王维强.虚拟仪器与网络技术在汽车发动机故障远程诊断中的应用[J].内燃机,2006(8):55-57.
[5]付仙兰.虚拟仪器技术在汽油发动机综合性能检测系统中的应用研究[D].长沙：中南林学院,2003:1-40.
[6]田玲，王传杰.虚拟仪器技术在液压泵性能测试系统的应用[J].液压与气动, 2006(1):34-37.
[7]任自中.虚拟技术在内燃机试验研究中的应用[J].内燃机学报,2001(4):56-58.
[8]刘玉梅，王庆年，魏传峰，等.基于虚拟仪器的车辆性能测试系统[J].吉林大学学报,2005,35(5):462-466.
[责任编辑：薛俊歌]
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