发动机性能虚拟仪器测试系统设计

 　　（4）测功机

　　测功机是根据作用力与反作用力平衡原理设计的。当发动机测功机的定子受到的转矩与被测发动机的转矩相等时，由单片机数据采集系统直接精准地读出被测发动机的转矩值。当被测发动机旋转带着测功机的转子旋转时，若给测功机加入直流励磁电压，测功机中有磁场存在，此时测功机转子旋转且切割磁力线产生电枢电流，电枢电流和磁通相互作用产生制动转矩，同时测功机定子受到一个相反方向的转矩作用，便在测功机传感器轴上产生压应力，在正常工作范围内，压应力与传感器轴所承受的转矩成正比。如果在传感器轴产生最大压应力方向上粘贴电阻应变片，则应变处的电阻值就随着压应力的大小而变化，再将应变片接入一定的桥式电路就能将压应力的变化转化为电压信号，从而即能测量出转矩的大小。

　　发动机转速的测量使用光电式转速传感器，测速分辨力高、惯性小、应用广泛，利用单片机和光电式传感器相配合，使待测量发动机转速简便、抗干扰能力强。光电式传感器在发动机轴上装一个边缘有N个均匀分布锯齿的圆盘，通过光线投射到光敏管上，当发动机转动一周，就得到N个脉冲信号，测量脉冲信号的频率或周期，就可得到发动机的转速。

　　（5）控制机柜

　　控制机柜主要由控制开关、开关电源、滤波器以及连接线路组成，是为各路传感模块提供相应的多路接口，使之与待测发动机连接，并提供安全的系统供电、信号隔离、幅度调节以及风冷控制等辅助功能，为整个发动机测试系统提供强电支持及系统应急措施。

　　4 软件结构及算法

　　（1）软件结构

　　发动机性能虚拟仪器测试系统总体采用一种基于TCP/IP协议的客户机/服务器（CS）结构。服务器架构为NI cFP分布式I/O体系，利用其内嵌的独立式实时系统实现目标参量的信号采样，并完成对目标参量的实时监测和控制；客户机则采用通用的PC机结构，运行 Windows 多线程操作系统，使用LabVIEW虚拟仪器平台，借助TCP/IP协议实现，与服务器之间控制参量及检测数据的通信，并提供GUI图形化用户界面，实现人机交互，完成控制参数的输入，以及检测数据的分析、运算和图表显示。

　　系统操作流程为，上电后服务器自动启动存储器中内建的LabVIEW RT实时程序，并实时侦听客户机“开始测试”的命令；客户机开机运行发动机性能虚拟仪器测试主程序，完成用户登录、硬件配置、选择测试项目、设置测试参数后，启动测试程序；服务器侦听到客户端“开始测试”命令后，按照客户制定的硬件配置、测试项目以及测试参数开始实时控制与数据采集，并通过TCP/IP协议将实验数据发送给客户机；客户机发出PID控制命令，并对服务器发送的实验数据进行分析处理，完成PID控制后，按照测试项目进行测试，分析处理测试数据，并以图表方式显示实验结果；完成测试后，客户机发出结束测试的命令，经服务器接收确认后，结束测试。

　　（2）PID控制算法

　　本系统试验了3种PID控制算法：位置式PID控制算法、增量式PID控制算法和积分分离PID控制算法。

　　1） 位置式PID控制算法

　　该算法的优点是原理简单，只是将经典的PID算法理论离散化，运用于计算机辅助测量，结构简单易于实现；缺点是每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e（k）进行累加，计算机运算工作量大；而且，因为计算机输出的u（k）对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u（k）的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。

　　2） 增量式PID控制算法

　　该算法的优点是，由于计算机输出增量，误动作时影响小，必要时可以用逻辑判断的方法去掉；手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换，此外当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持原值；算式中不需要累加。控制增量Δu（k）的确定，仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。增量式控制也有不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。

　　3）积分分离PID控制算法

　　5 结 论

　　该发动机性能虚拟仪器测试系统，实现了对发动机的多路压力、扭矩、转速、功率以及温度实时监测，并利用TCP/IP协议实现主控机对多路信号的远程操控以及测试数据的网络共享；该系统具有测量精度高、运行稳定性强，适用于多种类型发动机综合性能测试。