虛擬儀器在汽車發動機臺架試驗中的應用(畢業論文)(二)

圖2.1  發動機臺架簡圖
 發動機：待測發動機，固定在臺架底板上
 測功儀：與發動機主軸通過萬向節連接，形成發動機的負荷并能測量發動機的功率
 轉速表：連接在測公儀的輸出端，側量發動機輸出轉速
 油耗儀：串聯在發動機的燃油供給系統管路中，可以準確地測量出隨著時間燃油的消耗量
 空氣流量計：在發動機的進氣系統中測量發動機的空氣吸入量
 冷卻水系統：為發動機提供冷卻水的閉環循環系統
 排氣系統：將燃燒產生的廢氣直接導出試驗室，并進行適當的廢氣處理
 通過發動機臺架試驗，可以測定發動機的動力性能(如全負荷時的轉速特性一外特性，部分負荷轉速特性)、經濟性能(單位燃油消耗量)、機械摩擦損耗、啟動性能、可靠性等等。為了測定發動機的可靠性耐久性，通常需要對發動機進行幾百小時的多次循環試驗和上百小時的強化試驗。
2.3  試驗臺架的特點
 發動機臺架試驗是汽車發動機測試中的重要內容，通過發動機臺架試驗，可以測定發動機的動力性能(如全負荷時的轉速特性一外特性，部分負荷轉速特性)、經濟性能(單位燃油消耗量)、機械摩擦損耗、啟動性能、可靠性等等。
 但是發動機試驗臺架需要設在專門的發動機試驗室內，并配備測功機(水力或電力)、燃油供應系統、進氣系統、供水冷卻系統（包含冷卻水塔）、排氣系統、隔音設施、測量儀器儀表系統及控制室。結構復雜，各種管線繁多，且試驗時由于關鍵因素較多，不容易保證多次試驗條件的一致性。
 傳統的內燃機臺架實驗功能單一，測試效率低，實驗過程缺乏統一的數據處理系統。不同廠家生產的設備有不同的數據記錄格式，無論是軟件還是硬件都不兼容，因此不能共享軟硬件資源。產品開發周期長，設備升級能力及擴展性差，重復勞動較多，造成了較大的資源浪費。
 在使用傳統方法進行發動機臺架的各項試驗中，在操作測功儀和油門行程機構的同時，需要對溫度表、氣壓表、煙度計、空氣流量計等多個儀表進行讀取和記錄，記錄表格復雜，出現操作和記錄誤差的幾率高，后期的數據處理和繪制圖表過程復雜。
 因此，我們需要一種準確、高效的方法，代替手工操作來進行數據讀取、記錄、運算的工作。虛擬儀器為我們提供了可能。
2.3  發動機負荷特性試驗
2.3.1  發動機負荷特性的含義
 在了解負荷特性前，首先要知道有效比燃油消耗量是什么。衡量汽車耗油量大小一般用汽車在規定的速度下行駛100公里路程的實際耗油量（升）計算。例如汽車技術參數上常見有“90公里/小時等速”時100公里耗油量的參數，這是衡量汽車經濟性指標。衡量發動機經濟性指標，工程技術人員用有效比燃油消耗量這一個指標，簡稱油耗率，用be表示，它指每小時單位有效功率消耗的燃油量，單位是g/kw·h。
 發動機諸性能特性中有一個叫做負荷特性，它是指當發動機轉速一定時，經濟性指標的有效比燃油消耗量隨發動機負荷的變化關系。利用這一變化曲線，可最全面地確定發動機在各種負荷和轉速時的經濟性。
2.3.2  發動機負荷特性的特點和測試方法
 發動機分為汽油機和柴油機兩大類。汽油機是依靠節氣門調節負荷的，因此汽油機負荷特性又稱節流特性；柴油機是靠改變噴油量來調節負荷的，通過噴油量變化改變混合氣成份，因此柴油機負荷特性又稱燃油調整特性。
 由于發動機轉速是經常變化的，需要測定發動機不同轉速下的負荷特性，才能全面評價不同轉速和不同負荷下發動機的燃油經濟性。發動機負荷特性的讀取在試驗臺架上進行。以汽油機為例，啟動發動機后逐漸開啟節氣門，直至最大，同時調節載荷使發動機保持某一轉速穩定運行，測定此工況下發動機輸出功率及燃油消耗量。然后再關小節氣門，調整載荷使發動機保持轉速不變再測定。如此依次進行下去，直到發動機能保持穩定工作的最小節氣門開度，得到不同負荷和轉速下的燃油消耗量。不同轉速下的發動機負荷特性曲線變化的趨勢是差不多，只是具體數值的不同。
 普通汽油機負荷特性曲線的特征，開始啟動時be最大（此時需要濃混合氣），但隨節氣門逐漸開啟負荷增大而be減少直至最低點，此時節氣門接近全開。繼續開大節氣門，be又會開始上升，曲線呈現一條內凹拋物線。曲線的最小be值越低越好，同時be隨負荷的變化越平緩，發動機在不同負荷下工作的經濟牲越好。從曲線的形狀，可以分析出哪一個負荷區域是最經濟的。
               
汽油機負荷特性曲線                              柴油機負荷特性曲線
圖2.2  汽油機和柴油機負荷特性曲線圖

3  虛擬儀器技術概述
3.1  虛擬儀器系統的組成和特點
 虛擬儀器是傳統儀器與計算機技術深層次結合的產物，它由計算機、軟件包、儀器硬件組成。其基本思想是用計算機管理和組織儀器系統，通過應用程序將計算機與通用模塊硬件結合起來，用戶可以通過友好的圖形界面來操作這臺計算機，完成數據采集、分析、顯示和存儲等功能。相對于傳統儀器，虛擬儀器具有價格低、重復用、可重配置性強、開放、靈活等優勢基于虛擬儀器的測量技術在機械測試、汽車試驗等方面得到了很好的應用。
3.1.1  虛擬儀器的硬件結構
 虛擬儀器測試系統是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、過程通訊及圖形化用戶界面的軟件組成的測控系統，是一種由計算機操控的模塊化儀器系統。從構成要素講，虛擬儀器測試系統是由計算機、應用軟件和儀器硬件組成的；從構成方式講，則有以DAQ板和信號調理為儀器硬件而組成的PC—DAQ測試系統．以GPIB，VXI，PXI，Serial和Fieldbus等標準總線儀器為硬件組成的GPIB系統、VXI系統、串口系統和現場總線系統等多種形式：無論哪種虛擬儀器系統，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、臺式PC或工作站等各種計算機平臺上，有了計算機硬件平臺，虛擬儀器還必須配備外圍硬件設備，如各種計算機內置插卡或外置測試設備以及相應的傳感器，才能構成完整的硬件系統。[10]
3.1.2  虛擬儀器的軟件結構
 虛擬儀器軟件結構主要包含兩個層次：用戶應用程序和設備驅動程序。其中，用戶應用程序是用戶為實現特定的目的而編寫的程序；設備驅動程序是聯系用戶應用程序與底層硬件設備的基礎。虛擬儀器通過底層設備驅動軟件與真實的儀器系統進行通信，并以虛擬儀器面板的形式在顯示器上顯示與真實儀器面板操作元素相對應的各種控件。在這些控件中集成了對應儀器的程控信息，所以用戶用鼠標操作虛擬儀器面板就如同操作一臺自己定義、自己設計的測量儀器一樣真實、方便。
3.1.3  虛擬儀器的特點與應用
 虛擬儀器技術使現代測控系統更靈活、更緊湊、更經濟、功能更強;而圖形編程方式使系統軟件開發更省時、更省力、更容易；無論是測量、測試、計量，或是工業過程控制和分析處理，還是其它更為廣泛的測控領域，虛擬儀器都是理想的高效率的解決方案。
 隨著計算機技術在測繪系統的廣泛應用，傳統的儀器設備缺乏相應的計算機接口，因而配合數據采集及數據處理十分困難。而且，傳統儀器體積相對龐大、設備數量繁多。然而在集成的虛擬測量系統中，測量人員不僅從繁復的儀器堆中解放出來，而且還可實現自動測量、自動記錄、自動數據處理。
 虛擬儀器的應用使設備成本大幅降低。一套完整的傳統實驗測量設備少則幾萬元，多則幾十萬元。在同等的性能條件下，相應的虛擬儀器價格要低二分之一甚至更多。虛擬儀器強大的功能和價格優勢，使得它在儀器計量領域具有很強的生命力和十分廣闊的前景。
 在專用測量系統方面，虛擬儀器的發展空間更為廣闊。環顧當今社會，信息技術的迅猛發展，各行各業無不轉向智能化、自動化、集成化，無所不在的計算機應用為虛擬儀器的推廣提供了良好的基礎。因此，虛擬儀器適合于一切需要計算機輔助進行數據存儲、數據處理、數據傳輸的計量場合，使數據的獲取、存儲、處理、分析一條龍操作，既有條不紊又迅捷快速。推而廣之，一切計量系統，只要技術上可行，都可用虛擬儀器代替，由此可見虛擬儀器應用空間的寬廣。
 在自動控制和工業控制領域，虛擬儀器同樣應用廣泛。極大部分閉環控制系統要求精確的采樣、及時的數據處理和快速的數據傳輸。虛擬儀器系統恰恰符合上述特點，十分適合測控一體化的設計。尤其在制造業，虛擬儀器的卓越計算能力和巨大數據吞吐能力使其在汽車測試系統、溫控系統、在線監測系統、電力儀表系統、流程控制系統等工控領域發揮更大的作用。
 遠程測控是虛擬儀器的重要發展方向
 基丁lnternet的遠程測控是現代測試技術和虛擬儀器技術的發展方向之一。LabVIEW具有強大的網絡通信功能，這使得用戶可以編寫出功能強大的具有剛絡通信能力的LabVIEW應用軟件，以實現遠程洲控。具體可以通過以下兒種方式實現網絡化測控：1）利用Windows系統的遠程桌面，2）利用DalaSocket技術實現數據共享，3）利用網絡協議進行通信，4）最直接的NI遠程發布。[11]
3.2  虛擬儀器系統的總線接口技術
3.2.1  PC總線系統虛擬儀器
 基于PC的儀器在20世紀80年代后期開始流行，那時有幾百家小公司為IBMPC生產各式各樣的時域采集插卡，起始是為ISA總線，然后是為EISA。基于PC的儀器在價格方面比其它體系結構有明顯的優勢，它們能方便地使用現有的計算機主板作電源和數據傳輸。這種方法自然能實現高速插卡到計算機存儲器的數據傳輸。在某些場合，PC插卡還能直接對存儲器進行高速傳輸而不需要CPU介入。對只需較少測量通道的應用，這些插卡提供了最低價格的實現方法。PC插卡的缺點在于所處的計算機環境。這一環境決不是為要求大功率、高質量冷卻、仔細考慮RFI/EMI屏蔽的復雜而精密的儀器所設計。插卡的連線也可能受所用的計算機型號的限制。[12]
3.2.2  VXI總線系統虛擬儀器
 VXI是一種模塊化儀器的標準。其具有穩定電源、強勁的冷卻能力及嚴格的RFI/EMI屏幕。自測試功能使每一模塊在運行前經過校驗。設計良好的軟件協議確保了正確的總線仲裁。主要的數據采集公司都把VXI用于它們最精確的高性能系統。在一個VXI機架上可插入多達13塊插卡。VXI允許把機架連到一起，構成數千個通道的數據采集系統。帶有引線連接器的VXI插卡設計，方便了接入，使它成為經常需要改變測量接線這類工作場合的普遍選擇。在時間因素十分關鍵的應用中，VXI配置的系統能方便地斷開有數百個接點的終端塊，更換插卡，無需重新接線。C尺寸VXI的面積約為PC 插卡的兩倍，能為更多的信號提供調節，數據轉換可直接在VXI卡上進行。通過所插的信號調理子板，能在一塊VXI卡上執行多種測量。HPE1419A智能測量和控制卡可不需要計算機介入而進行實時分析和判定。使用100MHz的VXI局部總線，數據可在插卡之間傳輸，以進行附加的處理或在其他VXI插卡上高速存儲。高速總線、觸發線和智能VXI插卡的組合使VXI成為實時多通道應用的一種優選方案。
3.2.3  PXI總線系統虛擬儀器
 PXI標準吸取了PC機技術、Windows圖形化操作系統和儀器技術的特點，把這些技術相結合并且使高速PCI技術和抗惡劣工業環境性能相適應。PXI的出現使應用PC平臺組建測量與自動化系統變得輕而易舉。PXI是在VXI總線技術之后出現的，它吸取了VXI總線的技術特點和優勢。VXI總線技術是在工業標準VME總線和程控儀器標準IEEE488協議基礎上發展起來的接口總線技術，實現了模塊化儀器接口總線技術，實現了模塊化儀器結構，具有數據吞吐快、模塊化結構好、開放性強、即插即用等特點。
3.3  虛擬儀器軟件開發平臺LabVIEW
3.3.1  LabVIEW的含義
 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器集成環境）是一種圖形化的編程語言（又稱G語言），它是由美國NI公司推出的虛擬儀器開發平臺，也是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件集成開發環境。
 LabVIEW作為一種強大的虛擬儀器開發平臺，廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，被視為一個標準的數據采集和一起控制軟件。LabVIEW集成了GPIB，VXI，RS-223C，USB的硬件和數據采集卡通信的全部功能，而且它還內置了便于應用TCP/IP，ActiveX等軟件標準的庫函數。因此，LabVIEW是一個功能強大且靈活的軟件，利用它可以方便地組建自己的虛擬儀器。

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