基于VB的發(fā)動機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和試驗

路 斌，孟育博，李清博，楊 光

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045)

面對世界石油資源的匱乏和全球環(huán)境的惡化，對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放性能的要求越來越高，尤其是面對日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，發(fā)動機應(yīng)用電控系統(tǒng)控制排放是大勢所趨.相比汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用的廣泛度，我國在以摩托車及農(nóng)用機械發(fā)動機為代表的單缸小排量發(fā)動機電控系統(tǒng)方面的開發(fā)應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠.

而在發(fā)動機電控系統(tǒng)開發(fā)過程中，需要對發(fā)動機的各種運行參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，記錄各種相關(guān)試驗數(shù)據(jù)信息，分析各工況運轉(zhuǎn)特性，為發(fā)動機控制策略的不斷修正和改進(jìn)提供依據(jù).筆者針對小排量單缸發(fā)動機電控系統(tǒng)，設(shè)計開發(fā)出一套界面良好、功能完善的發(fā)動機運行監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便［1－2］.

1 發(fā)動機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

單缸發(fā)動機運行工況復(fù)雜，運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定［3］.基于單缸發(fā)動機的特性，其目標(biāo)怠速相對多缸發(fā)動機要高.為保證運行的穩(wěn)定性，通過對怠速閥的控制來調(diào)節(jié)怠速進(jìn)氣量，使發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)穩(wěn)定在目標(biāo)怠速附近.

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)功能

發(fā)動機監(jiān)控系統(tǒng)由上位機和下位機組成，下位機為發(fā)動機電控系統(tǒng)主控單元(ECU).該ECU為自主研發(fā)的基于飛思卡爾MC9S12XS128單片機的電控系統(tǒng).在ECU中設(shè)計串口通信模塊，通過中間的接口電路，與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.上位機為基于PC機的發(fā)動機試驗監(jiān)控軟件.發(fā)動機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要功能有:運轉(zhuǎn)參數(shù)的采集、顯示、在線調(diào)整(主要針對怠速和不穩(wěn)定工況)及儲存和離線分析.

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

該系統(tǒng)主控芯片為MC9S12XS128單片機，內(nèi)含2個串行通信接口(SCI).SCI為一個通用的異步接收器/發(fā)送器的異步通信接口，支持RS－232串行通信協(xié)議.試驗采用SCI作為通信接口［4］.

1.2.1 通信協(xié)議設(shè)計

該系統(tǒng)的串口通信協(xié)議包含有:物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層等.

物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議即為底層通信協(xié)議，規(guī)定了電子電氣方面的特性及原始位流在物理鏈路上的傳輸，提供了原始位流的傳輸通道.應(yīng)用層協(xié)議定義了數(shù)據(jù)幀作為信息傳輸單元，用來區(qū)別不同數(shù)據(jù)類型，保證傳輸通道可靠有效.通信協(xié)議的設(shè)計主要是針對應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計.

本次試驗通信協(xié)議設(shè)計見表1.經(jīng)驗證這樣的通信協(xié)議為數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸提供了充足的信息，能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?］.

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

表1 應(yīng)用層通信協(xié)議

1.2.2 下位機和上位機的設(shè)計

下位機是ECU內(nèi)和上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和接收的通信模塊，采用查詢發(fā)送和中斷接收方式，每100 ms向上位機發(fā)送一次基于應(yīng)用層通信協(xié)議打包好的數(shù)據(jù).

上位機用VB串口控件MSComm實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信.

1.2.3 上位機的軟件架構(gòu)

基于VB開發(fā)的上位機要用到時間控件，該控件可以設(shè)定一個固定的時間觸發(fā)一個事件，在該事件里包含了數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、速度－時間繪圖等流程.時間控件的觸發(fā)頻率可以改變.針對下位機100 ms的發(fā)送頻率，設(shè)定時間控件100 ms觸發(fā)一次該事件，即可滿足要求.

1.2.4 上位機的人機界面

系統(tǒng)界面設(shè)計如圖2所示.由圖2可知，該監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、圖形的顯示以及后臺數(shù)據(jù)的保存.其中，圖形顯示可以較直觀的方式反映轉(zhuǎn)速的變化、油門踏板位置和工況等.該監(jiān)控系統(tǒng)的修正和發(fā)送按鈕可分類設(shè)置，并可調(diào)整步長把發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包顯示在主控界面上，以便檢查和調(diào)整.

圖2 PC機監(jiān)控界面

2 發(fā)動機怠速PID參數(shù)整定

2.1 PID 原理

發(fā)動機怠速系統(tǒng)為一個非線性系統(tǒng)，受怠速閥響應(yīng)特性、進(jìn)氣壓力波動、燃燒特性、慣量動態(tài)特性等影響，其控制算法十分復(fù)雜.目前，發(fā)動機的怠速控制主要采用 PID 控制［6－7］.

試驗中采用固定PID參數(shù)，并采用對計算出的怠速閥開度進(jìn)行干擾項補償?shù)姆绞竭M(jìn)行控制.控制系統(tǒng)如圖3所示.其中，PID調(diào)節(jié)器采用增量式PID控制算法.

圖3 PID怠速控制系統(tǒng)

2.2 試驗結(jié)果分析

試驗臺架采用嘉陵600單缸水冷摩托車發(fā)動機.試驗中，通過上位機設(shè)定目標(biāo)怠速.

采用經(jīng)驗試湊法對PID控制器的參數(shù)進(jìn)行整定.使用監(jiān)控系統(tǒng)界面，對PID參數(shù)逐步進(jìn)行修改優(yōu)化，同時觀察監(jiān)控系統(tǒng)圖形界面速度曲線的波動趨勢，最終使速度曲線在目標(biāo)怠速處上下波動，并趨于穩(wěn)定，此時即可確定PID控制器的3個參數(shù).

在PID控制器參數(shù)整定的過程中，充分體現(xiàn)了該監(jiān)控系統(tǒng)的方便性，增加了步長設(shè)置的靈活性，大大節(jié)省了整定時間.通過發(fā)動機監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及離線分析，得到圖4所示的發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線.

圖4 PID怠速控制實測曲線

由圖4可知，該怠速控制系統(tǒng)成功地將發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制在1 600 r/min的目標(biāo)怠速附近，確保了摩托車發(fā)動機運行的穩(wěn)定性.

3 結(jié)語

針對摩托車發(fā)動機電控系統(tǒng)開發(fā)出一套發(fā)動機實時監(jiān)控系統(tǒng).該監(jiān)控系統(tǒng)基于 VB6.0，使用了MSComm控件實現(xiàn)了上位機與下位機的串行通信，界面友好，操作便捷，為摩托車等小排量單缸發(fā)動機電控系統(tǒng)的開發(fā)和電控發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)的標(biāo)定及優(yōu)化提供了理想的平臺.經(jīng)驗證，該監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，數(shù)據(jù)采集實時、精確、高效.

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