發(fā)動機(jī)測試臺恒溫與冷熱沖擊控制分析

盧偉 呂毅

【摘 要】文章介紹了發(fā)動機(jī)性能測試臺進(jìn)行發(fā)動機(jī)性能試驗及冷熱沖擊試驗時出水溫恒控制及對象的建模，針對試驗室要求較高的特點，構(gòu)造了一種新型恒溫與冷熱沖擊系統(tǒng)，利用專家控制思想，運用PID控制算法，根據(jù)溫度變化實現(xiàn)PID控制，用模塊化的控制實現(xiàn)冷熱沖擊試驗，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。經(jīng)實際使用表明，達(dá)到了發(fā)動機(jī)的設(shè)計測試需求。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動機(jī);冷熱沖擊;PID控制

【中圖分類號】U467.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）02-0091-03

0 引言

汽車發(fā)動機(jī)的相關(guān)研發(fā)過程需根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)行，必須滿足特定試驗要求與環(huán)境下方可進(jìn)行發(fā)動機(jī)相關(guān)性能試驗的測試，在測試滿足標(biāo)準(zhǔn)后可判定發(fā)動機(jī)研發(fā)合格。一般而言，發(fā)動機(jī)測試的主要條件包括發(fā)動機(jī)循環(huán)水溫度、回油溫度、恒定控制中冷后進(jìn)氣溫度[1-2]。該研究的控制分析亦根據(jù)國家對內(nèi)燃機(jī)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行[3-4]，同時針對玉柴發(fā)動機(jī)企業(yè)規(guī)范，在發(fā)動機(jī)性能測試試驗過程中需保證發(fā)動機(jī)出水溫度控制范圍為（85±2）℃，進(jìn)行發(fā)動機(jī)冷熱沖擊試驗時，發(fā)動機(jī)出水溫度應(yīng)控制在42 ℃以下，熱沖擊時保持發(fā)動機(jī)在出水口處溫度在90～95 ℃范圍內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)如圖1所示。

發(fā)動機(jī)測試臺架測控儀采集模塊水恒溫與冷熱沖擊系統(tǒng)上位機(jī)（臺架工控機(jī)）人機(jī)界面，數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)管理，圖像輸出，報表打印;數(shù)據(jù)采集發(fā)動機(jī)測試臺架測控儀采集模塊水恒溫與冷熱沖擊系統(tǒng)上位機(jī)（臺架工控機(jī)）人機(jī)界面，數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)管理，圖像輸出，報表打印，數(shù)據(jù)采集。

整個發(fā)動機(jī)水恒溫與冷熱沖擊系統(tǒng)采用了上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)形式。上位機(jī)采用工控機(jī)，利用Delphi匯編語言編程研發(fā)。上位機(jī)的功能體現(xiàn)為：滿足人機(jī)交互界面視覺、試驗等數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)采集處理、系統(tǒng)綜合控制、圖像處理等功能。下位機(jī)包括測功器控制系統(tǒng)（測控儀）、水恒溫與冷熱沖擊系統(tǒng)等單元。上位機(jī)跟測控儀采用Rs—232串行通信方式交換各種命令和測試數(shù)據(jù)，跟恒溫與冷熱沖擊系統(tǒng)通過Rs—485串行通信方式交換命令和測試數(shù)據(jù)[5-6]。

本文主要以發(fā)動機(jī)循環(huán)水溫度控制策略及效果為對象進(jìn)行介紹。

1 進(jìn)行恒溫水控制分析

發(fā)動機(jī)的冷卻功能來源于發(fā)動機(jī)的循環(huán)水，出水溫度值被設(shè)置為控制變量，其影響因素包括被測發(fā)動機(jī)環(huán)境溫度、被測發(fā)動機(jī)負(fù)載、被測發(fā)動機(jī)進(jìn)口處水溫、加熱器等;恒溫水控制控制邏輯如圖2所示。由圖2可知，T1～T5為溫度傳感器，此處選用靖江傳感器公司出品的pt100溫度傳感器。W為“水將流動”傳感器，這是由于在沒有冷卻水條件下，被測發(fā)動機(jī)處于未開機(jī)或未加載狀態(tài)。換而言之，W對被測發(fā)動機(jī)起保護(hù)作用。其他元器件標(biāo)注如圖2所示。

被測發(fā)動機(jī)在進(jìn)行規(guī)定試驗時，技術(shù)員擬通過上位機(jī)（工控機(jī)）對被測發(fā)動機(jī)下達(dá)啟動命令與測試目標(biāo)，執(zhí)行電機(jī)在收到測試信號由循環(huán)水溫度控制器依據(jù)需求對進(jìn)水電動閥進(jìn)行開度控制，此時恒溫系統(tǒng)開始工作，因為水開始流動，W傳感器發(fā)送信號給恒溫系統(tǒng)，水泵開始工作，由于剛剛開始，水溫沒有達(dá)到設(shè)定值，加熱器開始工作，直到加熱到設(shè)定值后啟動測功器并進(jìn)行負(fù)荷加載，再進(jìn)入正常的測試程序。由此可知，影響被測試發(fā)動機(jī)出水溫度T2的因素主要有測功器所施加的負(fù)載力矩和進(jìn)水溫度T1。

為了使被測發(fā)動機(jī)恒溫水控制得到簡化，需降低對3個控制變量之間的耦合關(guān)聯(lián)度關(guān)系。換言之，被測發(fā)動機(jī)需根據(jù)發(fā)動機(jī)所處環(huán)境溫度對熱水箱溫度調(diào)節(jié)到合適值進(jìn)行獨立控制。當(dāng)熱水箱溫度值處于某一恒定數(shù)值時，而控制變量參數(shù)中比例閥處于最小增益，此控制方程下可使發(fā)動機(jī)在空載時出水溫度高于85 ℃。通過控制閥增益的增大，對由于增加負(fù)載所導(dǎo)致的出水溫度升高可通過增益補償獲得，在此因素作用下，熱水箱溫度（T3）對被測發(fā)動機(jī)出水溫度（T1）有較小程度的弱耦合擾動。當(dāng)被測發(fā)動機(jī)處于滿負(fù)荷工況時，若比例閥增益處于最大而T2無法再降低時，則需對被測發(fā)動機(jī)熱水箱水溫值進(jìn)行下調(diào)處理，反之亦然。劉長壽等人的試驗表明[4]，影響發(fā)動機(jī)水箱溫度參數(shù)設(shè)定的主要因素有發(fā)動機(jī)型號、測試環(huán)境溫度和是否測第一臺發(fā)動機(jī)等。

發(fā)動機(jī)在進(jìn)行試驗測試時，操作人員通過上位機(jī)（工控機(jī)）對發(fā)動機(jī)下達(dá)測試要求與啟動命令，在收到測試信號后循環(huán)水溫度控制器依據(jù)需求對進(jìn)水電動閥進(jìn)行開度控制，此時恒溫系統(tǒng)開始工作，因為水開始流動，W傳感器發(fā)送信號給恒溫系統(tǒng)，水泵開始工作，由于剛剛開始，水溫沒有達(dá)到設(shè)定值，加熱器開始工作，直到加熱到設(shè)定值后啟動測功器并進(jìn)行負(fù)荷加載，再進(jìn)入正常的測試程序。由此可知影響被測試發(fā)動機(jī)出水溫度T2的因素主要有測功器所施加的負(fù)載力矩和進(jìn)水溫度T1。

2 PID智能控制策略

針對圖2所示的系統(tǒng)設(shè)計可近似為解耦模型，因此采用PID智能控制策略，由上位機(jī)來完成計算量較大的解耦算法分配，下位機(jī)則實施具體的實時采樣、分析及在線控制功能分配。

2.1 熱水箱溫度控制

TS為熱水箱溫度設(shè)定值是由上位機(jī)送來或者在下位機(jī)上設(shè)定，如圖3所示，一般情況下，天熱時，外循環(huán)冷卻水的溫度T4升高，冷卻效果下降，這時熱水箱所設(shè)定的水溫值TS應(yīng)低于預(yù)期;在環(huán)境溫度較低時，外循環(huán)冷卻水溫度有所下降，冷卻效果上升，這時熱水箱的設(shè)定溫度應(yīng)該高一些。而當(dāng)系統(tǒng)正常運行了一段時間，比如10 h之后，整個測試系統(tǒng)達(dá)到了熱平衡，設(shè)定值又可以降低一些。這些都是上位機(jī)采集到熱水箱T3，其控制算法為積分分離的數(shù)字型（對比于模擬型）比例積分（PI）方程，且通過控制周波與過零觸發(fā)的雙向晶體管進(jìn)行熱水箱中6 kW加熱器的閉環(huán)控制，可達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。

2.2 發(fā)動機(jī)進(jìn)水箱溫度控制

經(jīng)過熱水箱的控制之后，熱水箱溫度基本穩(wěn)定在設(shè)定值TS，這時，再經(jīng)過進(jìn)水箱，進(jìn)水箱的作用主要是預(yù)防熱水箱超調(diào)，引起發(fā)動機(jī)的進(jìn)水溫度過高，此時溫控系統(tǒng)從T2采集到出水的溫度，在熱水箱的水進(jìn)入進(jìn)水箱后，經(jīng)過外循環(huán)水的冷卻，同時由于使用智能PID控制[5-6]，根據(jù)反饋的T2的值，跟設(shè)定的出水溫度的限值TG，提前打開或關(guān)閉電動比例閥?？刂葡到y(tǒng)如圖4所示。

2.3 發(fā)動機(jī)冷水箱溫度控制

根據(jù)冷熱沖擊試驗可以知道，發(fā)動機(jī)在冷沖擊的時候，負(fù)荷關(guān)閉，發(fā)動機(jī)怠速運行，此時發(fā)動機(jī)進(jìn)水溫度趨向平衡，所以，通過采集發(fā)動機(jī)的出水溫度T2，調(diào)節(jié)冷水箱的溫度T5即控制了整個冷循環(huán)的出水溫度。

2.4 冷熱沖擊試驗

發(fā)動機(jī)進(jìn)行冷熱沖擊試驗的時候，隨著工況改變，溫度改變幾乎同時進(jìn)行。在圖5所示控制中，由上位機(jī)給測控儀和恒溫冷熱沖擊系統(tǒng)發(fā)送指令，測控儀改變發(fā)動機(jī)的工況，恒溫冷熱沖擊系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的指令同步轉(zhuǎn)換發(fā)動機(jī)的進(jìn)水。若為冷沖擊，則進(jìn)水箱的電動閥關(guān)閉，冷水箱的進(jìn)水電動閥打開，由冷水箱給發(fā)動機(jī)供水。同時，發(fā)動機(jī)的出水回到冷水箱冷卻。熱沖擊的時候，進(jìn)水箱的進(jìn)水電動閥打開，冷水箱的進(jìn)水電動閥關(guān)閉，發(fā)動機(jī)出水回到熱水箱。根據(jù)上面的各個水箱的溫控，系統(tǒng)自動進(jìn)行設(shè)定溫度的轉(zhuǎn)換，確保在冷熱沖擊狀態(tài)下，系統(tǒng)仍然能夠在同一工況下實現(xiàn)恒溫功能，完成試驗。

3 運行情況和小結(jié)

采用上述智能PID控制方案研制成功的發(fā)動機(jī)出水恒溫及冷熱沖擊系統(tǒng)在某柴油發(fā)動機(jī)廠穩(wěn)定運行1年多，共配套生產(chǎn)了多臺。圖6為上位機(jī)智能控制界面圖，整個控制完全由計算機(jī)與單片機(jī)完成。一般測試情況下可將發(fā)動機(jī)出水溫度控制在（85±2）℃范圍，超調(diào)量約1 ℃。而附加的冷熱沖擊系統(tǒng)，歷經(jīng)過多次500 h的冷熱沖擊試驗，說明系統(tǒng)的可行性與可靠性較高，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目的，滿足了柴油發(fā)動機(jī)設(shè)計測試需求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]黃海燕.汽車發(fā)動機(jī)試驗學(xué)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[2]王建昕.汽車發(fā)動機(jī)原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[3]GB/T 1105.3—1987，內(nèi)燃機(jī)臺架性能試驗方法——測量技術(shù)[S].

[4]劉長壽，陸小明，雷健明.汽油機(jī)臺架冷卻系統(tǒng)的改造[J].內(nèi)燃機(jī)，2012（2）：8-11，19.

[5]姜述剛.電控發(fā)動機(jī)控制參數(shù)臺架自動化標(biāo)定技術(shù)的研究[D].北京：清華大學(xué)，1999.

[6]劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]