汽车传动系冲击性能实验台控制系统设计 - 图文

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摘 要

汽车传动系作为汽车动力传动系统中的关键部件，主要由发动机、离合器、变速器、传动轴和驱动桥组成。为确保汽车的安全行驶，必须对汽车传动系零部件的冲击性能指标进行全面检测。汽车传动系冲击性能实验台的意义，在于全面、准确地测试传动系总成零件的耐冲击性及其相关特性，为驾驶员安全提供保障，为生产厂家提高产品质量。

实验中首先对汽车传动系的载荷进行分析，确定影响汽车传动系扭转冲击载荷的主要因素，结合突然接合离合器起步和不分离离合器紧急制动两个典型工况分析传动系冲击载荷情况。

通过对实验台模拟的典型工况及传动系的结构分析，确定实验台机械结构，并设计实验台控制系统。实验台的控制与监测系统采用PC+数据采集卡+PLC联合控制方式。PC作为上位机，PLC作为下位机，实现了系统的动作控制、监控和数据处理。

通过分析实验台控制系统的各组成环节，建立了控制系统的数学模型并进行了性能分析。将模糊控制与PID控制结合起来，提出了一种基于模糊参数自整定PID控制算法。仿真分析表明，设计的方法相对于传统PID法响应速度快，稳态精度和跟随精度高，有较好的鲁棒性。

基于LabVIEW技术，设计了双闭环汽车传动系冲击性能检测系统，实现了系统的数据采集、数据处理、数据库管理等功能。实验结果表明，控制与检测系统的各项性能指标达到了设计要求。

关键词：传动系；冲击性能实验台；控制系统；PID控制；LabVIEW

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Abstract

Automobile power train is the important component of automobile dynamic transmission automobile power-transmission system，including engine、clutch、transmission、transmission shaft and drive axle. In order to ensure the security of automobile driving, it is important to test the impacting durability performance index of automobile power train components. The automobile power train impacting performance test rig durability test rig is the test equipment to test power train performance, which can comprehensively and exactly test the impacting performance and relative characteristic of power train components，which provide security for the driverand improve product quality for manufacturers.

In order to stimulate real running conditions of automobile power train, Firstly the load characteristic of auto power train is analyzed. Confirming major factors effected impacting torque of automobile power train are running conditions of sudden jointing clutch start and no separating clutch emergency brake.

Through the test-bed to simulate the working conditions and the of power train structure analysis, to determine the mechanical structure of the principle, and test control system components required to control workpiece.The controlling and testing system control the test rig by personal computer allying with data collection board and program logical controller. PC is as host computer, and PLC is as slave system. It has achieved the action controlling, monitoring and data dealing.

Through analyzing all parts of test rig controlling system, mathematical models of controlling system are built. Based on PID controlling can’t satisfy the request of controlling, in order to adapt test rig’ inertia quality system and test environment changes, a new algorithm based on a parameter self-adjusting fuzzy PID is provided. The results of simulating are proved that the new algorithm has quickly speed response, high steady-state accuracy and high track accuracy to traditional PID method. It has good robust to model parameter changing.

The software of the system of test rig is built on the base of LabVIEW. The data is collected and analyzed by the software. It finished the data collecting and dealing. And the man-machine was built. The result is proved that the performance index of controlling system achieves to test rig designing demand.

Key word: Power train；Impact properties test rig；Control System； PID control；

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LabVIEW

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目 录

摘 要 .................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................. II 1 绪 论 ................................................................................................................................. 1 1.1开发汽车传动系冲击性能实验台的重要意义 ............................................................. 1 1.2国内外汽车传动系冲击性能实验台的开发现状及技术水平 ..................................... 1 1.2.1国内的研究现状 .......................................................................................................... 2 1.2.2 国外的研究现状 ......................................................................................................... 2 1.3 本论文的主要设计内容 ................................................................................................ 2 1.4 技术指标 ........................................................................................................................ 2 2汽车传动系冲击性能实验台的工作原理及总体设计 .................................................... 4 2.1实验台基本结构原理 ..................................................................................................... 4 2.2实验台的总体设计 ......................................................................................................... 4 2.2.1设计过程中需要解决的问题 ...................................................................................... 4 2.2.2实验台机械结构部分整体设计 .................................................................................. 4 2.2.3实验台控制系统部分的整体设计 .............................................................................. 5 3实验台机械结构部分的设计 ............................................................................................ 6 3.1实验台实验过程 ............................................................................................................. 6 3.2实验台机械部分使用要求 ............................................................................................. 6 3.3实验台机械结构部分的设计 ......................................................................................... 6 3.3.1实验台机械结构部分方案确定及组成 ...................................................................... 7 3.3.2动力部分 ...................................................................................................................... 7 3.3.3惯性飞轮组部分 .......................................................................................................... 9 3.3.4扭矩传感器部分 ........................................................................................................ 11 3.3.5联轴器部分 ................................................................................................................ 11 3.3.6驱动桥支撑和调整结构 ............................................................................................ 11 4汽车传动系冲击性能实验台控制系统设计 .................................................................. 13 4.1实验台过程分析 ........................................................................................................... 13 4.2实验台控制系统的机构及其功能 ............................................................................... 13 4.3实验台在两种工况下的控制系统过程分析 ............................................................... 14 4.3.1突然接合离合器工况的控制过程分析 .................................................................... 14 4.3.2紧急制动工况下控制过程分析 ................................................................................ 15 4.4可编程控制的概述 ....................................................................................................... 15 4.4.1可编程控制器的产生与发展 .................................................................................... 15 4.4.2可编程控制器的定义 ................................................................................................ 17

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4.4.3可编程控制器的特点 ................................................................................................ 17 4.4.4可编程控制器的应用 ................................................................................................ 18 4.4.5可编程控制器的组成 ................................................................................................ 18 4.5实验台控制系统主要硬件的选取 ............................................................................... 20 4.5.1直流调速系统的选择 ................................................................................................ 20 4.5.2 PLC选取及其开关量控制 ........................................................................................ 20 4.5.3 工业控制计算（PC）的选择 .................................................................................. 21 4.5.4 数据采集卡 ............................................................................................................... 21 4.5.5 传感器 ....................................................................................................................... 22 4.5.6 系统软件 ................................................................................................................... 22 5实验台测控系统建模及性能分析 .................................................................................. 24 5.1 实验台控制系统建模 .................................................................................................. 24 5.1.1直流电动机与惯性飞轮组系统 ................................................................................ 24 5.1.2 可控硅整流装置 ....................................................................................................... 28 5.1.3速度控制器和电流控制器建模 ................................................................................ 29 5.1.4电流、转速PID双闭环控制系统的动态性能指标分析 ........................................ 34 5.2电流控制器、转速控制器系统在Simulink环境下性能仿真分析 ........................ 36 6系统软件设计及实验验证 .............................................................................................. 40 6.1 LabVIEW简介 ............................................................................................................. 40 6.2软件开发体系与结构 ................................................................................................... 40 6.3 操作系统的人机界面 .................................................................................................. 45 6.4实验结果 ....................................................................................................................... 47 结 论 ................................................................................................................................. 49 致 谢 ................................................................................................................................. 50 参考文献 ............................................................................................................................. 51

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1 绪 论

传动系作为汽车的动力系统中的一个关键部件，将电动机发出的动力传递给车轮，从而使汽车启动行驶。在驱动的过程中，高速旋转的发动机突然接合离合器起步及突发的紧急制动等工况，都会对传动系产生很大的冲击扭矩，对其中部件产生巨大影响。另一方面，现代汽车技术的成熟带动传动系的结构变得日益复杂，对传动系的冲击性能也有了越来越高的要求。所以，研发出高精度、自动化程度高的汽车传动系冲击性能实验台具有广阔的应用前景。

1.1开发汽车传动系冲击性能实验台的重要意义

汽车传动系是将发动机所发出的动力传递到驱动车轮的装置。传动系具有减速、变速、倒车、中断动力、轮间差速和轴间差速等功能，与发动机配合工作，能保证汽车在各种工况条件下的正常行驶，并具有良好的动力性和经济性。但在实际应用中因为传动系质量不过关而导致的故障时有发生，比如半轴、驱动桥断裂等。这就为汽车的安全行驶带来了很多隐患，而汽车传动系冲击性能实验台就可对这些易于发生损坏的零部件进行检测，并研究其可靠性。

开发汽车传动系冲击性能实验台，可以在室内专门进行汽车传动系冲击性能的实验，通过实验分析考察大的冲击扭矩对传动系零部件疲劳破坏的“贡献” ，并可以与传动系常规寿命实验相结合，全面地分析汽车传动系上的扭转载荷[1]。

汽车传动系冲击性能实验属于强化实验[2]。在新产品开发过程中，它可以快速发现传动系的薄弱环节，暴露传动系的早期失效，将实验信息及时地反馈给设计等有关部门，及时更改，减少开发风险，缩短开发周期。

根据国外的使用经验，汽车传动系冲击性能实验的时间要比普通寿命实验短得多。通过室内实验台实验，可以对同一型号的不同供应商的传动系、总成或零部件等的冲击性能进行对比，快速地得出实验结果，便于企业做出生产决策。

在国内冲击性能实验台的使用也越来越多，但对此项目研究还处于发展阶段，技术水平与国外还有很大的差距。而国外对于我国技术转让存在壁垒，且国外的实验台价格十分昂贵[2]，所以就急需我们研究出具有自主产权的高水平实验台。

1.2国内外汽车传动系冲击性能实验台的开发现状及技术水平

随着科技的日益发展，世界经济的全球化，制造业的竞争也越来越激烈。制造业的发展水平也是一个国家工业现代化和国家经济实力的标杆，而汽车行业又最能体现制造业发展水平。因此汽车行业的发展对于国家经济实力提升有很大的作用。

而汽车传动系冲击性能实验台式对汽车性能检测中的一个重要组成部分，在国内外许多企业、科研机构、大专院校都对此展开了深入的研究。

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1.2.1国内的研究现状

我国的汽车行业起步比较晚，而且初期发展缓慢，在改革开放之后才进入飞快的发展阶段，大小的汽车企业出现了许多，但真正具有核心自主知识产权的技术很少，随着国内汽车行业的发展，国内汽车检测技术也有了很大的发展，在传动系零部件检测方面，国内许多大学和企业也相继研制出了一些列离合器测试机，技术领先的单位主要由：重庆大学，东南大学，长春中联离合器实验设备研究所，黄石优福利自动化装备有限责任公司等。在汽车传动系冲击耐久性能检测方面，查阅的资料表明，国内对于大的冲击扭矩载荷在汽车传动系冲击耐久性能检测方面研究很少，没有看到有关开发雷斯是烟台的信息，汽车传动系冲击性能实验台的开发还是空白。 1.2.2 国外的研究现状

世界上一些发达国家的工业相当发达，汽车产业也相对的发达和成熟，一个重要原因就是拥有相当先进的产品检测手段及控制手段。如日本的AUTOMAX公司曾为日产柴开发过该类型的实验台，美国福特车桥实验方法包含汽车传动系冲击耐久实验项目，该实验台已经是常用设备。

在这些发达国家实验台应用已经很普遍，技术水平也相对成熟。而且检测精度也相对较高。

1.3 本论文的主要设计内容

论文课题需要解决的核心技术问题是：如何解决模拟汽车传动系的实际工况，开发高精度、高可靠性、高效的传动系冲击性能实验台控制系统设计。为此，本文在如下几个方面进行研究：

（1） 对论文课题的工程背景和国内汽车传动系冲击性能测试设备的研究现状及发展趋势进行资料收集和深入研究，确定论文课题的主要设计工作；

（2） 对汽车传动系实验台原理的陈诉及实验台机械系统和控制系统的初步设计；

（3） 考虑实验台适应不同型号的轻、中、重型汽车传动系的需要，设计实验台的台架及机械传动部分，实现对典型工况的模拟。减化、优化实验方法，提高了实验台的检测效率，为高精度、高可靠性、高效的实验台控制与检测系统的开发打下了基础；

（4） 实验台控制与检测系统的方案设计；

（5） 通过分析实验台控制系统各构成环节，建立了系统的数学模型，对系统进行控制性能仿真分析，研究系统控制存在的主要问题；

（6） 汽车传动系冲击性能实验台的软件设计与实验验证。

1.4 技术指标

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实验台要能够模拟突然接合离合器起步工况和不分离离合器紧急制动工况。还要具有自动和手动两种运行方式。实验台对两种工况可以随意选择，离合器、制动鼓和制动盘等均实现自动控制。实验台在实验过程中具有安全保护和报警功能。

主要的技术参数

1变速器输入转速控制范围及精度 0～±5000rpm；±5rpm.。 2变速器输入端扭矩范围及精度 0～±10000N·m；±1%F·S。 3驱动桥输入端扭矩范围及精度 0～±50000N·m；±1%F·S。 4油温测量范围及精度 0～150℃；±5℃。

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2汽车传动系冲击性能实验台的工作原理及总体设计

2.1实验台基本结构原理

汽车传动系冲击性能实验台的工作原理示意图如图2-1所示，是由代用离合器和代用变速器代替实际的离合器和变速器，由惯性飞轮组模拟所测汽车发动机的转动惯量。这些模拟方式与实际车辆运行方式是有所差异的，所以就需要依靠代用离合器、代用变速器和控制系统适当控制和调整，最后达到理想的模拟状态。

1-电机 2-皮带 3-惯性飞轮组 4-扭矩传感器 5-离合器

6-变速器 7-传动轴 8-驱动桥 9-支架 图2-1 汽车传动系冲击性能实验台的工作原理示意图

2.2实验台的总体设计

2.2.1设计过程中需要解决的问题

1.模拟真实汽车工况起动工况过程，由于不同类型的汽车的起动力矩差别很大，所以在工艺上很难实现；

2.智能化测试过程中，拟合曲线的计算及保证实时判别测试结果； 3.在检测过程中既要保证检测精度又要缩短检测时间； 4.Windows操作系统下的实时检测技术；

5.通过分析实验台控制系统各构成环节,建立了系统的数学模型,采用MATLAB对系统进行控制性能仿真分析；

6.传感器的选择及传感器安装位置的确定。 2.2.2实验台机械结构部分整体设计

国内此类实验台大部分为机械封闭式，这种实验台有以下不足之处：①机械结构复杂,易引起各种有害震动。②仅能做定转速、定扭矩排挡循环实验，实验结果与实际路试有很大差异。③其试件必须有一个主试，而另一个陪试。目前，总成实验已经淘汰了这种老式实验台。

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而此次所要设计的实验台，在检测工件之间，可以任意模拟工况，可施加多种要求的扭矩，具有一定的修正作用，在通过工业控制计算机控制伺服电机带动惯性轮转动，模拟发动机的转速和转动惯量，传递给离合器和变速器，再经过控制系统的控制满足所需要的工况。

2.2.3实验台控制系统部分的整体设计

实验台控制方案的设计是实验台开发的重要内容，因为它将直接影响实验的精度、结果的可信度以及实验时间和成本。

实验台控制方案设计遵循的原则是：合理简化汽车传动系的复杂使用工况，在确保实验精度的同时，降低测控系统的开发成本，具备完善的安全防护功能。

实验台的实验过程是制定实验台控制方案的基础，如何在实验台上用尽量简化的办法，模拟汽车传动系的实际使用工况，是实验台控制系统开发过程中需要首先解决的问题。

汽车传动系实际使用工况复杂，并存在许多随机因素。例如，在突然接合离合器加速起步工况下，真实驾驶中，驾驶员会在一档和二档或其他档位上经常变换。要在实验台上完全模拟真实情况，会使实验操作和控制过程变得非常繁琐，影响工作效率。

控制系统式实验台开发的关键技术之一，实验台的控制方案直接影响实验台的精度。如何在实验台上用尽量简化的方法，模拟与控制汽车传动系扭转冲击耐久实验工况，提出实验台控制系统原理，设计和选取控制系统的主要硬件，分析硬件之间的通讯方式，开发控制系统的软件，直接关系到实验台能够实现预定的控制功能。而且，深入探讨实验台的控制系统开发，不但可以完成预定的实验工况，提高实验结果的可信度，还可以节省实验时间和成本，提高经济效益。

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3实验台机械结构部分的设计

传动系冲击性能实验台是一个涉及到机械及动力传输、控制、计算机编程、通信和数据采集与传输的复杂实验设备，在室内模拟汽车传动系的前述两个冲击下的使用工况。实验台的机械系统式实验台的基础，实验台的动作最终要由机械系统加到被试的汽车传动系。

3.1实验台实验过程

在此，选择紧急制动工况的实验过程进行简要说明。控制系统发出指令，电动机通电开始工作，由电动机通过带传动，将动力传递到模拟发动机转动惯量和转速的转动惯量部分的惯性轴，惯性轴上安装有惯性盘。实验开始之前，已经根据与被试传动系相匹配的发动机的转动惯量，选择好该次实验惯性盘的转动惯量。当电动机达到预定的转速时，控制系统使电动机断电，2秒钟后，控制系统发出指令给制动处的电磁阀、离合器通电接通制动压缩空气，制动鼓作用，使驱动轮抱死，在惯性飞轮组部分、离合器主动部分及离合器后传动系自身转动惯量的惯性力的作用下，在被试的汽车传动系中产生一个很大的冲击扭矩。安装在离合器前端的扭矩传感器测量出整个扭矩-时间过程信号，特别是捕捉到峰值转矩信号，并将扭矩-时间信号经过处理传递到工控机上，以曲线形式实时地输出实验信号（转速、扭矩等）。

3.2实验台机械部分使用要求

从上述的实验过程的简单叙述可以看出,实验台机械部分[3]是实验台的基础需要满足下面的使用要求：

（1）模拟与被试传动系相匹配的发动机的转动惯量和转速，并直接作用于被试的汽车底盘传动系，转动惯量应该能够根据实验要求，在实验前进行调节，转速则在每次冲击实验中能够调节；

（2）动力部分要提供可靠的动力源，功率要满足实验台开发任务书中的要求，使传动系的转速能够在90秒内达到规定值，转速能根据实验需要进行调节，并有良好的制动控制；

（3）变速器和驱动桥在实验的过程中润滑油的温度要与实际车辆运行时相近，不能出现润滑油温度过高，使变速器和驱动桥内的零部件润滑条件变得恶劣，造成零部件的早期损坏，而不能正确反应实际使用中冲击载荷对传动系造成损伤的现象；

（4）要适应轻、中、重型车的实验要求，保证实验精度，使实验台平稳可靠运行。

3.3实验台机械结构部分的设计

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3.3.1实验台机械结构部分方案确定及组成

经过多个方案分析、论证与设计，最终确定了实验台机械部分的方案，并且绘制出了机械部分的原理图。

机械部分如图所示，它由以下六部分组成：

（1）动力部分：由电动机1、电动机联轴器2、电动机皮带3和电动机皮带轮4组成；

（2）惯性飞轮组部分：由惯性轴的带轮5和惯性轴及惯性盘6组成； （3）扭矩传动器部分：由扭矩传动器8和扭矩传感器的联轴器9组成； （4）联轴器和变速器的支撑结构：由组成联轴器和变速器的支撑机构10、离合器11和变速器12；

（5）驱动桥支撑和调节机构：由主减速器外壳支撑和调整机构14和驱动桥支撑机构15组成；

（6）底座及旋转件的安全防护装置：由扭矩传感器防护罩7和传动轴及防护罩13组成。

除此之外，实验台的机械系统还有一些辅助装置，不再赘述。 3.3.2动力部分

动力部分[4]包括：电动机及其调速装置等相关设备、电动机皮带轮、传送带、联轴器、电动机机座及其位置调节装置等。

从实验台对动力的要求可以看出，选择直流电动机比较好，因为直流电动机具有大的启动转矩，调速性能好，符合实验台的动力需求。

在选择确定直流电动机后，接下来要确定电动机的功率，根据实验台开发任务书中的规定，在90秒内能使实验台的转速达到5000rpm。确定直流电动机的功率和转速的关键在于两个方面：一是实验工况，二是被试汽车传动系的转动惯量及与其相匹配的发动机转动惯量两者之和的大小。

实验室的目标转速直接影响电动机功率和转速的选取。同时，实验时变速器处在不同档位时，变速器输出端后转速不同。如果将实验台和被试传动系的转动惯量都换算到电动机转轴上，那么变速器档位越高，换算后的转动惯量就越大，达到同一电动机转速时，对电动机的功率需求就越大。在实验台所模拟的两个工况中，突然接合离合器起步工况，被试的传动系除了离合器主动部分外，被试传动系的其他旋转部分都处于静止状态，显然旋转质量要比紧急制动工况少得多，电动机的输出功率相对也少。

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图3-1机械系统装配图

发动机的转速变化范围很大，就实验台所模拟的两个工况中，发动机原本处于一个高转速范围，根据工程实践，选取电动机的转速为3000rpm。

根据以上分析，最后确定使用由西安西玛机电有限公司提供的Z4-160-32他励直流电动机。电机主要参数是：PN=55KW、UN=400V、nN=3010r/m、R=0.0434Ω、

IN=151A、η=0.87、GD=0.88kg·m、L=1.52×1022?3。该直流电动机转动惯量小，

具有较高的动态性能，并能承受较高的负载变化率。在电动机上还装有测速发动机，用来测量电动机的实时运行速度。与该电机配套使用的直流调速装置，选用siemens 6RA70全数字直流调速装置。该装置具有性能可靠，操作舒适和运行平稳等优点，关于直流调速等控制部分，将在以后章节中详细说明。

电动机机座调节是靠两个调整螺栓，螺栓的旋入和旋出可以使电动机在机座上沿

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着垂直于惯性轴方向来回移动，以调解皮带的张紧力。 3.3.3惯性飞轮组部分

惯性飞轮组[5]主要包括：惯性轴皮带轮、惯性轴、惯性轴的两个支架、四个惯性盘、惯性盘安装调整机构、四个惯性轴轴承、制动钳盘机构等，如图3-2所示。

1-皮带轮 2-轴承盖（2个）3-惯性盘A 4-惯性盘B 5-惯性盘C 6-惯性盘D7-制动盘 8-制动盘支架

图3-2惯性飞轮组部分的装配图

惯性飞轮组主要的功能是模拟发动机的转动惯量，并将动力经由扭矩传感器传递给被试的汽车传动系。由于发动机型号不同，其转动惯量变化较大，为了适应这种变化，在实验台的开发过程中，设计了四个惯性盘：惯性盘A。转动惯量为0.1kg·m2；惯性盘B，转动惯量0.2kg·m2；惯性盘C转动惯量为0.2kg·m2；惯性盘B，转动惯量为0.2kg·m2；惯性盘D，转动惯量为0.5kg·m2。

从图3-2可以看出，惯性盘从左到右按照惯性盘A、惯性盘B、惯性盘C和惯性盘D的顺序排列，惯性盘B与惯性轴上的法兰盘固连在一起，其他三个为可移动的惯性盘，实验前分别通过螺栓安装在惯性轴的支座上。三个可移动的惯性盘A、C、D，通过螺栓可以与惯性盘B连接，从而可以使连接后惯性盘总的转动惯量有：0.2、0.4、0.5、0.7、0.9、1.0六个值（单位:kg·m2）从最小值0.2kg·m2到最大值1.0kg·m2。六个转动惯量间隔也比较均匀，便于在实验时，可以根据与被使汽车传动系相匹配的发动机的转动惯量，进行适当选取。

为了安装方便可移动的惯性盘A、C、D，设计了专门的安装调整机构。在A、C、

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D三个惯性盘的外缘上，开了一个环形槽，使安装调整机构上四个小轮可以讲惯性盘托起，顺利地安装在惯性盘B上。

1-惯性盘 2-支撑滚轮（4个） 3-支撑臂（2个） 4-丝杠手轮（3个）

图3-3惯性盘的安装调整机构

惯性轴的支架固定在实验台的底座上，在设计时充分考虑两个支架要稳定和可靠支持其上高速旋转惯性轴的要求。惯性盘的安装调整机构如图3-3所示。由于实验前A、C、D三个惯性盘都连接在惯性轴的支架上，在确定实验所需要的转动惯量后，为了将惯性盘平稳顺利的与惯性盘B连接，专门设计了这套惯性盘安装调整机构。该机构由一个半圆形结构支持，上面的四个小轮卡在惯性盘的槽内，以稳定地支撑惯性盘沿着惯性轴来回移动。该机构既可以通过转动丝杠一起前后移动，也可以左右移动，托着惯性盘，使操作者可以很容易地将惯性盘固定在惯性盘B或惯性轴支架上。制动盘机构由制动盘、制动钳和制动钳支架组成。制动盘安装在惯性轴的末端，与惯性轴通过键连接，在制动盘两侧，各有一个制动钳，制动钳采用某车型的实车制动钳，安装在制动钳支架上。

在一次实验的过程中，运转的实验台系统出现紧急故障时，如转速严重超过目标转速，是实验台的振动传感器测量到振动超过限定值，实验台控制系统就给控制制动钳压缩空气的电磁阀通电，制动钳动作，时高转速的实验台快速停下来，避免发生意外。

由于惯性飞轮组在实验的过程经常在高转速下工作，转动惯量很大，为了保证实验台在工作时运转平稳，提高实验台本身的寿命，避免由于惯性飞轮组部分的不平衡质量产生过大的附加力矩，在加工后，要对惯性飞轮组部分做动平衡实验。

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3.3.4扭矩传感器部分

扭矩传感器部分由扭矩传感器及其支架、传感器两端的联轴器组成。扭矩传感器是测量部分的核心，它的两端，都通过联轴器连接，前端与惯性轴相连接，后端与连接轴相连。

1-连接轴支架 2-连接轴 3-连接周盖 4-左连接法兰 5-右连接法兰 6-变速器支撑架 7-离合器壳连接盘 8-离合器支撑架调整丝杠

图3-4连接轴与变速器支撑机构

3.3.5联轴器部分

图3-4所示是连接轴[6]和变速器的支撑机构，主要由连接轴、左右连接法兰、变速器支撑架和离合器连接盘组成。

连接轴是实验台将动力传递给被试汽车传动系的连接机构。对该部分设计应充分考虑强度的要求。由于各种离合器壳体前段的尺寸不同，前端面与飞轮端面之间的轴向尺寸也不同，在实验台设计时，重点解决这个问题。

根据目前最大的离合器壳体数据设计了变速器支撑架的轮廓尺寸、离合器的连接盘尺寸可以根据具体的离合器壳的端面螺栓口的尺寸来确定。连接盘上可以由常见的离合器壳的连接尺寸，做出几组连接螺纹孔。变速器的支撑架可以通过转动丝杠而前后移动，以便使左右法兰连接顺利。 3.3.6驱动桥支撑和调整结构

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如图3-5所示，驱动桥支撑和调整结构主要由后桥两端支架(2个)、后桥中间支架（2个）、主加速器外壳支架及这5个支架的调整丝杠组成。

1-后桥两端支架 2-后桥中间支架 3-主加速器外壳箍紧带

4-主加速器外壳支架 5-丝杠（5个） 6-底座

图3-5驱动桥支撑和调整机构

此处省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩

实验时，实验台会产生很大的冲击力。因此，各支撑架应将驱动桥可靠地固定在底座上。同时，由于不同车型的变速器和驱动桥纵向尺寸不同，所选用的传动轴也有差别，为了保证顺利连接，转动每个支架的丝杠可以使支架前后移动，以弥补在选定传动轴后驱动桥和变速器之间尺寸的不足或过大问题。

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4汽车传动系冲击性能实验台控制系统设计

4.1实验台过程分析

实验台的实验过程是实现汽车的两种工况，一类为突然接合离合器工况，表示在坡道起步、加速换挡、在泥泞的道路上满载起步或车轮下陷等情况导致汽车不能用正常方式起步，而在发动机达到很高转速下，突然接合离合器使汽车起步的工况；另一类是紧急制动工况，表示在紧急情况下，驾驶员来不及踏下离合器踏板而进行制动的工况。

而在整个实验过程中，控制系统需要对实验台进行全程控制，对实验台器件进行控制，完成一系列模拟工况[7]的操作。采集传感器的数据，并进行数据传输，传输到工控机上。

工控机是整个系统数据处理的中心，可以提供良好的人机界面，输入和储存 被试汽车传动系的测试数据，编写和储存实验的程序加载谱。每次进行实验时，工控机读取程序加载谱，给出每次实验的目标扭矩值。工控机还通过与直流调速系统及PLC间的通信，对实验过程进行实时监控。将实验结果（数据-扭矩传感器的扭矩信号，转速传感器的转速信号等）显示在工控机人机界面上，并将实验结果以曲线形式实时输出。在实验的过程中，当工控机收到振动传感器的振动信号超过限定值时，工控机将信息传输给PLC，PLC控制实验台停止工作，直到排除故障之后继续工作。

PLC的主要功能是对实验台进行自动化控制。通过与工控机之间的通信，控制直流调速系统、离合器、鼓式制动鼓和制动盘出的电磁阀，时这些设备按照实验要求实时进行工作。同时，在实验台防护罩接合部位的接触式行程开关没有接触，或者驱动桥和变速器出的油温超过限定值时，就会给PLC一个开关信号，自动地停止实验，直到故障得以解决。

实验台共有三个转速传感器，分别安装在实验台的直流电动机前端、离合器的输入端、变速器的输出端。在直流电动机前端的转速传感器是发电式的传感器，是直流调速器、双闭环调速系统的外环中的重要环节。PLC通过控制柜中的继电器等电器，控制直流调速电机、离合器、制动器和制动盘等器件。直流调速器给直流电动机供电，并可以在工控机和PLC的共同控制下实时调节电动机转速。

4.2实验台控制系统的机构及其功能

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转速传感器1 转速传感器2 扭矩信号 被测件信息 振动信号 声光警告 显示器 转速传感器 打印机 故障解除开关 PC 直流电机 行程开关 直流调速器 油温信号1 油温信号2 PLC 控制柜内各用电器对应的继电器 蜂鸣器 离合器电磁阀 油泵电机 制动盘 油泵电机 鼓式制动器电磁阀 图4-1实验台控制系统的结构原理图

如上图4-1所示，工控机（PC）和PLC事控制系统的核心。

4.3实验台在两种工况下的控制系统过程分析

4.3.1突然接合离合器工况的控制过程分析

在突然接合离合器起步工况，实验开始前，将被试汽车传动系相关信息输入到PC中，如变速器的档位和主减速器传动比、发动机的最大转矩。将这些信息作为输入的主要原因是，传感器测量的只是离合器输入端的扭矩——时间历程，变速器处在不同的档位时，输出端扭矩峰值就不同，对变速器后面的传动系影响就不同，同样，主减速器的传动比直接影响半轴上的扭矩峰值。实验过程时，控制系统发出指令，电动机通电开始工作，同时，电动上的转速传感器测量电动机的转速，并将转速信号回馈给直流调速装置。安装在离合器输入端的转速传感器将转速信号传递给计算机，在计算机内经过换算，认定电动机达到目的转速时，计算机控制程序发出对电动机挺值

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[8]

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得信号给控制系统，电动机断电，2秒钟后，控制系统发出离合器助力器的控制开启指令，离合器开启电磁阀动作时离合器突然接合，在被试汽车传动系中产生大的冲击扭矩。串联在被试传动系上的扭矩传感器测量整个过程中的扭矩-时间历程，通过采集卡及A/D转换处理，将信号传递给计算机，以曲线形式实时地输出实验数据。

实验过程中，实验台的安装控制装置在数据超过限定值时，及时的发出信号，使实验停止。当实验台振动传感器检测到振动超过限定值时，就发出信号，停止下一次冲击实验，变速器和后桥中的油温传感器在监测到油温超过150℃时，即停止下一次的实验，在终止实验的同时，工控机发出信号给PLC，PLC控制实验台的声光报警系统开关闭合，发出警报，直到故障解决为止。 4.3.2紧急制动工况下控制过程分析

在紧急制动工况，控制系统发出指令，电动机通电开始工作，由电动机通过带传动，将动力传递到模拟发动机转动惯量和转速的转动惯量部分的惯性轴，惯性轴上安装有惯性盘。实验开始前，已经根据与被试传东西相匹配的发动机转动惯量，选择好该次实验惯性盘的转动惯量。当电动机达到预定的转速时，控制系统使电动机断电，2秒钟后，控制系统发出指令给制动鼓处的电磁阀，电磁阀通电接通制动压缩空气，制动鼓作用，使驱动轮抱死，在惯性飞轮组部分、离合器主动部分及离合器后传动系统自身转动惯量的惯性力的作用下，在被试的汽车传动系中产生一个很大的冲击扭矩。安装在离合器前端得扭矩传感器测量出整个扭矩-时间过程信号，特别是捕捉到峰值转矩信号，并将扭矩-时间信号经过处理到工业控制计算机上，以曲线形式实时地输出实验数据（转速、扭矩等）。

4.4可编程控制的概述

4.4.1可编程控制器的产生与发展

可编程控制器[4]式为了适应工业控制的需要，在传统控制手段的基础上，借助于数字技术开发出来的。

（1） 可编程控制器的产生

早期的工业控制中采用的继电器控制系统属于固定界限的逻辑控制系统，控制系统的结构随功能的不同而不同。系统中采用的机械电气式期间本身的不足影响了控制系统的各种性能，无法适应现代工业发展的需要。20世纪60年代，晶体管等悟出点期间的应用促进了控制装置的小型化和可靠性的提高。60年代中期，小型计算机被应用到过程控制领域，大大提高了控制系统的性能，但当时计算机价格昂贵，编程不方便，输入/输出信号与工业现场不兼容，因而没能在工业控制中得到推广和应用。

20世纪60年代末期，美国通用公司（Generral Motors Corporation,GM）为了在激烈的市场竞争中战胜了对手，制定出多种、小批量、不断推出新车型来吸引顾客的战略。但原油的控制系统由继电器和接触器等组成，灵活性差，不能满足生产工业不断更新的需要。1968年，GM公司为了改造汽车生产设备的控制方式，要求采用新

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型的控制装置取代传统的继电器控制装置，提出了以下10条招标的技术指标：

① 简单方便，可在现场修改程序； ② 硬件维护简单，采用模块化设计； ③ 可靠性要高于继电器控制系统； ④ 体积小于继电器控制系统； ⑤ 可将数据直接送入管理计算机； ⑥ 成本可与继电器控制系统竞争； ⑦ 输入可以是交流115V；

⑧ 输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀和接触器等； ⑨ 在进行扩展中，原有的系统只需要很小的改动； ⑩ 用户程序储存器的容量至少可扩展到4KB。

1969年，美国的数字设备公司（Digital Equipment Corporation,DEC）开发出世界上第一台能满足上述要求的样机，并在GM公司的汽车装配线上获得成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、使用灵活、体积小、寿命长等一系列有点很快就推广应用到食品、饮料、冶金、造纸等其他工业领域。随后德国、日本等国相继引进这一技术，迅速在工业控制中得到了广泛的应用。我国从1974年开始研制，1977年开始应用于工业领域。

（2） 可编程控制器的发展过程、

虽然PLC的应用时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模和超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断发展，PLC的发展也极为迅速。其发展过程大致分为三个阶段：

① 第三代PLC（20世纪60年代末～70年代中期）

早期的PLC作为继电器控制系统的替代物，其主要功能只是执行原先继电器完成的顺序控制和定时控制等任务。

② 第二代PLC(2O世纪70年代中期～80年代后期)

20世纪70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。各个PLC制造 商先后采用微处理器作为PLC的中央处理器（Central Processing Unit,CPU）, 使PLC的功能大大增强。

③ 可编程控制器的发展方向（20世纪80年代后期至今）

20世纪80年代后期，，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的价格大幅度下降，各种PLC采用的微处理器的性能普遍提高。

（3） 可编程控制器的发展方向

现代PLC的发展有两个主要趋势。其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、良好的兼容性和多功能方面发展，趋向于当前工业控制计算机（Industrial Personal Computer,IPC,即工

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控机）的性能。

① 微型、小型PLC功能明显增强，很多知名的PLC制造商相继推出了小型、特别是微型、高性能的PLC。

② 集成化发展趋势增强

③ 由于控制对象的复杂化和高难度化，使PLC向集成化方向发展。PLC与PC集成、PLC与DCS集成、PLC与PID集成、PLC与现场总线集成等，并增强了通信和网络能力，尤其是以PC为基础的控制产品增长迅速。

④ 向开放型转变

⑤ PLC存在的严重缺点主要是PLC的软、硬体系结构是封闭的而不是开放的，绝大多数的PLC 采用专用总线、专用通信网络协议。 4.4.2可编程控制器的定义

在可编程控制器的早期设计中，虽然采用了计算机的设计思想，但只有用来代替继电器实现逻辑（开关量）控制，主要用于顺序控制，所以被称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称PLC。随着技术的发展，这种装置的功能早已大大超过了逻辑控制的范围。美国电气制造商协会（National Electrical Manufacturers Association,NEMA）经过调查，将其正式命名为Programmable Controller,简称PC。由于PC容易与个人计算机（Personal Computer）的缩写相混淆，因而人们仍沿用PLC作为可编程控制器的简称。

国际电工委员会（International Electrorechninal Commission,IEC）颁布的PLC的定义为：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出来控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 4.4.3可编程控制器的特点

PLC把微型计算机技术和继电器控制技术融合在一起，兼具计算机的功能完备，灵活性强、通用性好以及继电器接触器控制系统的简单易懂、维修方便等特点，主要体现在以下几个方面：

①编程简单易学 ②可靠性高 ③功能强

④安装简单，维修方便 ⑤采用模块化结构 ⑥接口模块丰富 ⑦系统设计与调试周期短

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4.4.4可编程控制器的应用

经过长期的工程时间，PLC的上述特点越来越为广大技术人员所认识和接受，已经广泛地应用到石油、化工、机械、钢铁、交通、电力、轻工、采矿、水力、环保等各个领域，包括从单机自动化到工厂自动化，从机器人、柔性制造系统到工业控制网络。从功能上看，PLC的应用范围大致包括以下几个方面：

?逻辑（开关量）控制 ?定时控制 ?计数控制 ?步进控制

?模拟量处理与PID控制 ?数据处理 ?通信和联网功能 4.4.5可编程控制器的组成

PLC的产品型号很多，发展非常迅速，应用日益广泛，不同的产品在硬件结构、资源配置和指令系统等方面各不相同。但从整体来看，不同厂商的PLC在硬件机构和指令系统等方面大同小异。下面主要介绍三菱公司FX系列的PLC得硬件组成、工作原理和系统资源配置等内容。

图4-2 PLC的组成

PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在系统硬件结构上基本相同、整体式PLC一般由CPU板、I/O板、显示面板、内存和电源等组成，一般按PLC性能又分为若干型号，并按I/O点数分为若干规格。模块式PLC一般由CPU模块、I/O模块、内存模块、电源模块、底板或机架等组成。无论哪种结构类型的PLC，都属于总线式的开放结构，其I/O能力多数可根据用户需要进行扩展与组合。PLC组成如图4-2所示。CPU224 AC/DC继电器基本数据如表4-2。

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表4-1PLC现场控制系统信号总表 信号 紧急停止信号 预防喘振信号 防喘振信号 上限信号 下限信号 阀门接触信号 阀门位置信号 转速信号 手动/自动转换信号 自动提升信号 机组异常信号 电动机正转信号 电动机反转信号 维持电磁吸合信号 提升电磁吸合信号 信号位置 风机 机械运动机构 差压传感器 手动控制柜 电气控制柜 机械运动机构 信号特性 输入4～20mA 输入24VDC 输出24V 备注 每组系统各一 共计28个数字输入 10个数字输出 2个模拟量输入 RS485通信信号 监控系统 100～230V AC 14个 10个 表4-2 CPU224DC继电器输出数据 电源 数字量输出端口 数字量输入电压额定值 数字量输出电压范围 带屏蔽输入输出电缆长度 程序存储器 数据存储器 位操作执行时间 计数器 定时器 24V DC～230V AC（继电器隔离） 500m 8k字节 2.5k字节 0.37μS 256个，计数范围256，可扩充 256个，定时范围1ms到54分钟 19

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4.5实验台控制系统主要硬件的选取

系统硬件结构如图4-3所示

图4-3控制系统硬件结构图

4.5.1直流调速系统的选择

根据实验台的相关要求，调速系统应具有调速准确和抗干扰性能。因为双闭环直流调速系统具有以上性能，所以就选取双闭环直流调速系统作为实验台的调速系统。

全数字直流调速装置采用Siemens6RA70全数字直流调速器。Siemens6RA70是一个以电流环为内环，速度环为外环的双闭环调速系统，采用逻辑无环调速方案。 4.5.2 PLC选取及其开关量控制

在实验台PLC硬件设计的过程中，充分考虑了实验台的控制方案及控制过程，以使PLC硬件设计满足实验台的控制要求，由于I/O点数较少，所以选择小型的整体式PLC。实验台选用的是PLC是三菱FXIN-60MR系列，主机为CPU224，直流输出。它能扩展7个模块，同时配备数字量输入扩展模块EM221和模拟量输入扩展模块EM231，组成电控部分PLC控制系统。PLC可以和控制系统的RS485进行通信，信号列表如表4-2所示。

PLC控制系统组成为：CPU224AC/DC/继电器+数字量输入扩展模块EM221+模拟量输入扩展块EM231。

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表4-3 实验台PLC的I/O点分配

输入端信号 功能指示 X0 后桥制动 X1 后桥制动释放 X2 直流电动机启动 X3 直流电动机停止 X4 直流电动机制动 X5 变速箱润滑 X6 变速箱润滑停止 X7 实验启动 X10 实验停止 X11 离合器接合 X12 离合器停止 X13 离合器分离 X14 后桥润滑启动 X15 后桥润滑停止 X16 手动/自动 X17 急停 输出端子号 功能指示 Y0 测量板启动 Y1 实验启动（PC） Y10 后桥制动 Y11 直流电动机启动 Y12 直流电动机制动 Y13 电动机锁定 Y14 变速箱润滑 Y15 离合器接合 Y16 分离 Y17 后桥润滑 Y20 电源指示灯 Y21 急停指示灯 Y22 防护罩指示灯 Y23 蜂鸣器 Y24 实验启动指示灯 Y25 实验停止指示灯 Y26 接合指示灯 Y27 分离指示灯 4.5.3 工业控制计算（PC）的选择

为了保证实验台可靠的运行，选用SYS-1U1000-3A01型研华工控机作为系统的上位机。由于上位机要完成数据的分析处理，同时完成与实时控制部分的高速数据交换，选用性能良好的Pentium M 1.8GHzCPU作为处理器，系统有PCI插槽可以用于采集卡的安装。操作Windows XP系统，利用其Windows XP平台丰富的软件，为系统构建检测数据保存、查询、汇总信息系统、建立企业级网络管理交互接口提供了便利的条件。 4.5.4 数据采集卡

数据采集卡选用了用研华PCI-1714ADC,该采集具有如下优点：

一、领先同业的采样速度（Sampling Rate），最高速可达每秒读取3000万次（30MS/s），内含四个独立模拟数字量转换器（ADC），可使四个通道同步取样；

二、内建可容纳32000笔取样数据（32K）先进先出（FIF0）内存，允许使用者做急速采样时，有足够的缓冲区可供暂存，以维持数据采集的速度及完整性；

三、提供多种输入范围，包含±5V、±2.5V、±1V、±0.5V等，使用者透过工具程序即可轻松完成设定；

四、研华专属的板卡装置识别码（Board ID）,当客户同时插入多张板卡时，可做硬件组态设定，轻易辨别每张板卡；

五、高达六种触发模式，方便客户依要求自行设定。包含软件触发、Pacer、Post-Trigger、Pre-Trigger、Delay- Trigger及About- Trigger;

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六、支持Windows 2000/XP驱动程序。 4.5.5 传感器

感器选用的是北京三晶创业科技集团有限公司生产的JN338-AN系列转速和扭矩传器。该系列传感器主要功能为：

①数据取样时间可达到1ms，并且可以根据需要在1-1000ms之间设定； ②测量算法先进，数据信号的测量误差可减小到±1Hz；

③通过数字总线接口信号将转速、转矩的测量数值直接传送至计算机等网络控制设备；

④测量参数可以通过计算机等控制设备进行远程修改，断电后参数可以完整保存；

⑤具有多种智能功能，如过载警报、故障检测、状态指示等。 4.5.6 系统软件

测试机采用NI公司的LabVIEW+LabVIEW RT作为系统用户界面和实时控制程序的开发环境实现系统开发效率和实时特性的完美结合。软件的系统结构如图4-4所示，软件分为运行于PC机的LabVIEW RT用户界面和数据处理模块和运行于数据采集控制卡的RT Engine实时操作系统下的实时数据采集和控制程序两部分。两个模块通过全局共享变量传递数据实现PC和数据采集控制卡的数据交换。

位移、转矩实时控制 22

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传感器实时数据采集 局 变 量 RT Engine LabVIEW RT 用户界面程序操作指令发送 命令处置模块 数据处理状态模块 曲线、数据状态显示 全 局 变 量 图4-4系统软件结构图

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5实验台测控系统建模及性能分析

本章主要建立汽车传动系总成冲击性能实验台测控系统的数学模型[]，并应用PID控制算法对系统性能进行分析。根据建立的数学模型的目的不同，建立包含系统各主要环节的详细模型、研究和次要因素的简化模型系统算法设计。本章仅讨论实验台控制系统建模和性能仿真分析。

5.1 实验台控制系统建模

如上一章中所述汽车传动系总成冲击性能实验台控制系统设计主要是控制直流电动机和惯性飞轮组系统，使惯性飞轮组达到实验所要求的转速和转矩。根据载荷谱对实验台进行速度给定或者转矩给定，使实验台的惯性系统能够模拟汽车发动机的转速或者转矩。设计的汽车传动系总成冲击性能实验台控制系统的结构图如图5-1所示，它主要有两个闭环系统组成：速度闭环和电流闭环系统。实验台的转速系统由速度给定输入，由可控硅整流装置对电动机进行供电，控制电动机电枢电流和电压输出，电动机带动惯性飞轮组转动，当飞轮组达到预定转速，电动机断电空转，利用惯性飞轮组的惯性对实验台进行冲击实验。

速度设定 速度调节器 电流调节器 可控硅整流装置电流反馈直流电动机惯性飞轮组n(t)速度反馈

图5-1 实验台控制系统结构图

5.1.1直流电动机与惯性飞轮组系统

图5-2所示为直流电动机和惯性飞轮组组成的惯性质量系统，其主要功能是模拟发动机的转动惯量,并将动力传递给被试的汽车传动系。直流电动机与惯性飞轮组之间的拖动利用窄V带对惯性飞轮组进行增速。

i,?nnmTL,Jm 图5-2 实验台惯性质量系统

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（1）电动机模型

RLTLEIdUd0Mn,Te

图5-3 电动机等效电路

直流电动机等效电路图如图5-3所示，可得电枢回路的电压平衡方程式为：

Ud0(t)?E?RId(t)?L?dId(t) (5-1) dt将T0看成负载的一部分，则有：

Te(t)?CmId(t) (5-2)

E?Cen (5-3)

GD2dn (5-4) Te(t)?TL(t)??375dt式中：Ud0(t)——输入理想空载整流电压；

Id(t)——Ud0(t)在电枢回路中产生电枢电流； R——电枢回路电阻；

L——电枢回路电感； GD2——飞轮矩；

E——电动机反电动势；

Te——励磁转矩

Ce——电机额定励磁下电动势转速比； Cm——电机额定励磁下转矩电流比； TL——动态转矩。

将以上三式代入式(5-4)整理得：

dT(t)d2ndnTlTm2?Tm?n?K1Ud0(t)?K2L?K3TL(t) (5-5)

dtdtdt25

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式中K1?1，K2?CeLCeCm2，K3?R，Tm?GDR为电机及机电时间常数，Tl?1CeCm375CeCmCe为电枢回路电磁时间常数。

在工程应用中电枢电感L较小，可忽略不计，式(5-5)可简化为：

Tmdn?n?K1Ud0(t)?K3TL(t) (5-6) dt由以上各式可知：

dId(t)Ud0(t)?E?R(Id(t)?Tl?) (5-7)

dtId(t)?IdL(t)?TmdE (5-8) Rdt式中IdL(t)?TL(t)/Cm为负载电流。

在零初始条件下，分别取式(5-7)、(5-8)的拉式变换，得电枢电压和电流之间的传递函数：

Id(s)1/R (5-9) ?Ud0(s)?E(s)Tls?1电枢电流和电动势之间的传递函数为：

E(s)R (5-10) ?Id(s)?IdL(s)Tms将以上的传递函数结合在一起，并考虑n?E/Ce，即得额定励磁直流电机的动态结构图，如图5-4所示。

图5-4直流电动机动态结构图

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（2）转矩折算

在实际的拖动系统中，电动机与负载之间往往装有变速装置，即系统中包含有以不同速度转动的部件，形成多轴或多速系统。分析这种系统的运动状态时可以对各转轴分别列出运动方程式，然后联立求解。为简化计算，可以从联立方程组导出等值折算的方法，即将各个不同转速轴上的转矩折算到某个基准转速的转轴上，一般是折算到电动机轴上。这样，多轴多速系统就简化为等值的单轴单速系统。

转矩折算的理论根据动力学功率不变及能量平衡原则，对单一转轴系统，若将式(5-4)两端乘以?，得到功率平衡方程式为：

T??TL??J?d? (5-11) dt式中：T?——电动机轴功率P；

TL?——负载功率PL； d?——旋转系统所储存动能的变化量。 J?dt设初始条件t?0时，??0，将式(5-1)积分可得能量平衡关系为：

?t0Pdt??PLdt??J?00ttt?td?1dt??PLdt?J??d???PLdt?J?2 (5-12)

000dt2或 W?WL?1J?2 (5-13)

2式中：W——输入电动机的动能；

WL——负载吸收的动能；

1J?2——系统储存的动能。 2旋转系统中任一转轴均具有式(4-12)和式(4-13)所示的功率、能量平衡关系。折算的实质就是将动力系统中各转轴上的功率流和能量流归算到某个单—的基准轴上，从而使计算简化。为此，需进行负载转矩和动态转矩的折算。

①静态转矩(负载转矩)折算

静态转矩折算根据力学中的功率不变原则，即将负载转矩从一转轴折算到另一转轴时必须保持功率相等，一般还需考虑功率传递中的机械损耗功率。将生产机械轴上的负载转矩折算到电动机轴上时，可按下列公式计算：

TL'?m??TL?d (5-14)

即 TL'?TL/i? (5-15)

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式中：TL'——折算到电动机轴上的负载转矩；

TL——工作机械轴上的负载转矩；

?m——电动机轴的角速度；

?d——工作机械轴的角速度；

?——传动机构的传动效率；

?ni?m?——电动机与工作机械之间的传动比；

?dndn、nd——分别表示电机和工作机械轴的转速。

如果电动机以发电方式运转，则功率传递方向是从生产机械经电动机至电网，此时传动中的机械损耗功率将由生产机械(负载侧)负担。因此，将负载转矩折算到电动机轴上时，应按下式计算：

'TL?TL? (5-16) i②动态转矩的折算

动态转矩反映拖动系统中储存动能的变化。根据力学中的能量平衡原则，动态转矩折算时应保持系统的动能不变。设工作机构轴上的转动惯量为Jd，角速度为?d，折算到电动机轴上的等效转动惯量为J'，电动机轴的角速度为?，则有：

1'212J??Jd?d (5-17) 22即 J'?Jd(?d2Jd)?2 (5-18) ?i由此可见，动态转矩的折算就是转动惯量的折算。由于惯量恒为正值，因而折算后系统的动态转矩要根据电动机轴上原有的转动惯量及折算到电动机轴上的转动惯量之和进行计算。

根据以上分析可得惯性质量系统的转动惯量为：

JdJ?2?Jm (5-19)

i5.1.2 可控硅整流装置

可控硅触发整流装置[8]环节的输入量是触发电路的控制电压Uct，输出量是理想

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空载整流电压Ud0。如果把它们之间的放大系数Ks看成是常数，则可控硅触发整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节，其滞后作用是由可控硅装置的失控时间Ts引起的。考虑到Ts很小，则可控硅触发整流装置的传递函数可以近似成一阶惯性环节。

Ud0(s)?Uct(s)Ks (5-20)

Tss?15.1.3速度控制器和电流控制器建模

为了使转速和电流满足控制要求[9]，设置电流负反馈和转速负反馈的双闭环的串级调速系统，根据各个环节的传递函数，绘出双闭环系统的动态结构图，如图5-5所示。

E(s)IdL(s)Un(s)Ui(s)Uct(s)Udo(s)WASR(s)Un(s)WACR(s)Ui(s)KSTSS?11/RTlS?1Id(s)RTmS1C?n(s)??

图5-5 双闭环直流调速系统结构图

图中：

Ks、Ts——触发整流环节的放大系数和时间常数；

Tl?Id——主回路电磁时间常数； RGD2RTm?375CeCm——电力拖动系统的机电时间常数；

Cm?30?Ce?9.55Ce——额定励磁下电动机的转矩电流比；

GD2——电力拖动系统运动部分折算到电动机轴上的总飞轮惯量；

??Un(s)n(s)、??Ui(s)——测速发电机、电流互感器放大系数。 Id(s)一般来说，双闭环调速系统具有比较令人满意的效果。内环电流调节器具有如下作用：

①对电网电压波动起及时抗扰作用； ②起动时保证获得允许的最大电流；

③在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化；

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④当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。

转速调节器具有的作用：

*①使转速n跟随给定电压Un变化，稳态无静差；

②对负载变化起抗扰作用；

③其输出限幅值决定允许的最大电流。

在转速、电流双闭环调速系统中，电动机、晶闸管整流器及其触发电路都可按负载的工艺要求来选择和设计，转速和电流反馈系数可以通过稳态参数计算得到，所剩下的转速和电流调节器的结构和参数则应在满足稳态精度的前提下，按照动态的方法确定。对于多环控制系统，应先设计内环，后设计外环。即先设计电流调节器，然后把整个电流环当作转速调节器系统中的一个环节，再设计转速调节器。

在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。典型模拟PID控制系统原理框图如5-6图所示。系统由模拟PID控制器、执行机构、被控对象及敏感元件组成。

spne(t)pv(t)M(t)PID控制器执行机构被控对象C(t)敏感元件

图5-6 连续闭环控制系统

M(t)?Kc[e(t)?1TI?T0e(t)dt?1de(t)/dt]?M0 （5-21） TD式中：

M(t)——控制器的输出量，M0为输出的初始值；

e(t)?sp(t)?pv(t)——误差信号；

Kc——比例系数； TI——积分时间常数； TD——微分时间常数。

式(5-21)的右边前三项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差的积分和微分成正比。如果取其中的一项或两项，可以组成P、PD、或PI控制器。 （1） 按工程设计方法设计电流PID调节器

一般来说，许多控制器的开环传递函数都可以用式(5-22)表示：

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W(s)?K(?1s?1)(?2s?1) （5-22） sr(T1s?1)(T2s?1)其中，分母中的sr项表示系统在原点处有r重极点，根据r取值的不同，确定典型系统。通常为了保证稳定性和一定的稳态精度，多用于典I系统和典II系统。

典I系统，其开环的传递函数为：

W(s)??K （5-23）

s(Ts?1)典II系统，其开环传递函数为：

W(s)??K(?s?1)s2(Ts?1) （5-24）

典I系统在动态跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差。电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而在突然加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好，从这个角度出发，把电流环校正成典I系统。

在设计电流环时，由于电流检测信号中常含有交流分量，必须加入低通滤波，其滤波时间常数为Toi，但它同时也把反馈信号带来延迟。为了平衡这一延迟作用，在给定信号通道上加入相同时间常数的给定滤波环节。忽略电动势的影响，电流环节如图5-7所示：

Ui*(s)?Tois?1Uct(s)ACRKsTss?1Ud0(s)1/RTls?1Id(s)?Tois?1

图5-7电流环节图

U(s)所示：把给定滤波和反馈滤波等效到环内，得到图5-8K/R ??ctU(s)*iTois?1U(s)*iACRsId(s)(Tss?1)(Tls?1)??Tois?1U(s)ctACRKs/R(Tss?1)(Tls?1)Id(s)

Ui*(s)Ui*(s)图5-8 电流环简化处理

d??I(s)Tsoi/，?KR电流环结构最终简化如图接下来做小惯性环节处理，令T?Ts?5-9所示，

?ACR图4-10表明要将电流环校正成典I系统，显然要采用PI调节器，即

WACR(s)?Kpi(Ts?1)(Tls?1)??is?1 （5-25） ?is31

?学士论文

Ui*(s)Tons?1Id(s)?K?Ks/R?ipi?s?1)s(TId(s)/R)(Tls?1)Id(s)图5-9 电流环结构最终简化

为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数，选择?1?Tl，电流环较正成典I系统 ，其动态结构如图5-10所示。

Ui*(s)?Kpi?Ks/R?is(T?s?1)Id(s)Id(s)? RTmSR?1典I系统的闭环传递函数为

W(s)Wct(s)??1?W(s)?1C??图5-10电流环动态结构图及其简化

R(Tls?K/T? (5-26) 1s2?s?K/T?T?1/RS?1可将它写成标准的二阶系统传递函数的形式，即 ?RTmS1C?2?n (5-27) Wct(s)?22s?2??ns??nR(T式中：?n?K——自然振荡角频率； TS??121——阻尼比。 KTS在一般情况下，希望电流超调量σ%≤5%，可取阻尼比??0.707，KTS?0.5，则

K??c?1 （5-28） 2T?32

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代人K及?i公式，可得：

Kpi??iR2?KST? （5-29）

（1）按工程方法设计转速PID调节器

典型II系统的超调量相对于I系统来说稍大，但抗干扰性能却比较好。转速环应该校正成典型II系统，这首先是基于稳态无静差的要求，在从动态性能上看，调速系统首先应有较好的抗扰性能。

在设计转速环时，与电流环内加入滤波环节同一个道理，同样增设了转速滤波和给定滤波环节。用电流环的等效环节代替初始的电流闭环后，整个转速调节系统的动态结构如图5-11所示。和电流环一样，经过等效变换和小惯性环节合并，令

Tn?Ton?Ti，则可将转速环节进一步简化成图5-12所示。 ??IdL(s)*Un(s)?Tons?1ASRId(s)1/?2Tis?1?RCeCms?Tons?1

图5-11转速调节系统的动态结构

IdL(s)*Un(s)?ASR?/?Tns?1?Id(s)RCeCmsn

图5-12转速调节系统的动态结构简化图

由图5-12可以看出要将转速环节校正成典型II系统，ASR也应采用PI调节器 ，其传递函数为：

?ns?1WASR(s)?Kn （5-30）

?ns令KNKn?R?，不考虑负载扰动，校正后的调速系统动态结构如图5-13?n?CeTm33

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所示：

*Un(s)?KN(?ns?1)s2(Tns?1)?n

图5-13 校正后的调速系统动态结构

5.1.4电流、转速PID双闭环控制系统的动态性能指标分析

一般的系统具有给定和扰动两种不同的输入，以下主要介绍一下跟随性能指标和抗扰性能指标。

①跟随性能指标

跟随性能指标是描述系统队给定输入信号R(t)的跟随能力的动态性能指标，通常用系统在单位阶跃输入R(t)之下的输出相应C(t)来表征，如图5-14所示。根据此曲线，定义出下列跟随性能指标：

*Un(s)??/?Tns??Id(s)RCeCmsn

图5-14输入阶跃响应曲线

i、上升时间tr。即为输出量C(t)从零起到第一次上升到稳态值C?所经过的时间。 ii、超调量?%。即为C(t)超出C?的最大偏离量与C?之比，以百分数表示。

Cmax?C??100% (5-31) C??%?iii、调节时间ts。即为从给定量R(t)阶跃变化时开始，到输出响应曲线C(t)进入到不再超出C?的?5%(或?2%)范围的最早时刻为止所需的时间。

iv、振荡次数k。即为在整个过渡过程时间ts内，输出响应曲线C(t)穿越C?次数的半数。

在上述各指标中，tr、ts反映系统动态过程的快速性，其值越小则动态过程越快；

?%反映系统的相对稳定性，其值越小，则稳定性越好；k值反映系统的阻尼特性，

其值越大，则ts就越长，系统动态性能变差。

②抗扰性能指标

抗扰性能指标是描述系统抵抗扰动能力的动态性能指标。通常用突加约定的阶跃扰动N(t)系统的输出响应C(t)的特征来表征，如图5-15所示。

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图5-15阶跃输入响应曲线

i、最大动态降落?Cmax%。系统稳定运行时，突加阶跃扰动N(t)，在过渡过程中输出量的最大降落值?Cmax称为最大动态降落，用输出量稳态值C?1的百分数表示，即

?Cmax%??CmaxC?1?100% (5-32)

对调速系统而言，相应地称为最大动态速降?nmax%。

ii、恢复时间ts。即从输入阶跃扰动N(t)开始，到输出量C(t)距新稳态值C?2之差进入某预定的基准量Cb的?5%(或?2%)范围之内所需的最短时间。

iii、动态降落时间tm。即产生最大动态降落时对应得时间。

以上是时域指标。在动态设计中有时还需要用到频域指标，即根据开环对数幅频特性L(?)而定义的?(?c)、截止频率?c、中频宽h和根据闭环幅频特性M(?)而定义的谐振峰值Mr、谐振频率?r和频带宽?b等。如图5-16所示：

图5-16 闭环系统的幅频特性

Mr反映系统的振荡程度，表示系统的稳定性，亦称振荡指标。其值越小，则系

统越稳定。它与?(?c)、?%密切相关，对tr也有影响。?c反映系统的快速性，其值越小，则系统快速性越好，tr越小。

典型II系统是三阶系统，对于三阶及三阶以上的高阶系统一般难以找出动态性能指标与系统参数之间的数学关系，但对于特定的典型II系统却可以采用振荡指标法中所用的闭环幅频特性峰值Mr最小准则，找出其参数h和?c 之间的关系，使系统具有最好的动态跟随性能。对于一定的h值在满足振荡指标Mr为最小值的原则下，

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Mr、?c、?1、?2与h之间存在 如下关系，即

h?Mr?1 （5-33） Mr?1?2Mr?12h?? （5-34） ?cMrh?1?cMrh?1?? （5-35） ?1Mr?12于是根据给定振荡指标Mr，由式（5-33）立即可计算得出h值，然后利用式（5-34）和式（5-35）求出系统的参数?和K值为

??hK （5-36）

h?1K?22 （5-37）

2hT典II系统在扰动作用下的动态性能，与扰动量N(t)本身及其作用点有关 。如同典I系统一样，现在就图5-17所示，典II系统采用类似方法可求出在阶跃扰动

NN(s)?作用之下的抗扰性能指标与系统参数之间的关系。

sW1(s)R(s)=0K1(hTs?1)s(Ts?1)N(s)W2(s)K2s?C(s)

图5-17典II系统在一种扰动作用下的动态结构图

5.2电流控制器、转速控制器系统在Simulink环境下性能仿真分析

Simulink[10]环境是1990年前后由Mathworks公司推出的产品，是用于MATLAB下建立系统框图和仿真的环境。该环境刚推出时的名字叫作similab，由于其名字很类似于当时一个很著名的语言-simulab语言，所以次年更名为Simulink。从名字上看，立即就能看出该程序有两层含义，首先，，“simu”一词表明它可以用于计算机仿真，而“link”一词表明它能进行系统连接，即把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。可以利用这一有效的工具用图形的方式描述各种各样的微分方程，从而求解相应的微分方程。正是由于它的这两大功能和特色，使得它成为仿真领域的首选的计算机环境。

Simulink的功能远不止微分方程的求解，它提供了各种可用于控制系统仿真的模块，支持一般的控制系统仿真，此外，还提供了各种工程应用中可能使用的模块，如电机系统、机构系统、通信系统等的模块集，直接进行建模与仿真研究。Simulink

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的功能十分强大，可以借用其本身或模块集对任意复杂的系统进行仿真。

（1）电流环系统仿真

电流环控制对象的数学模型为：

G?s??Ks/R(Tss?1)(Tls?1)?24.5/0.0434(0.0000795s?1)(0.035s?1) （5-38）

在Simulink环境汽车传动系总成冲击耐久性实验台测控系统电流环仿真模型如图5-18所示。该系统由电流PID控制器、可控硅装置、电机电枢、零阶保持器组成。

图5-18电流环仿真模型

电流环控制器的仿真结果如图5-19和图5-20所示：

图5-19 电流给定输入响应曲线

图5-20电流响应误差曲线

图（5-19）为电流给定输入响应曲线，图（5-20）为电流响应误差曲线。从仿真

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结果可以看出,电流环控制系统的超调量为4.78879%，峰值时间为0.16990s，5%误差带调节时间为0.38087s，控制性能满足系统设计要求。

（2）速度环系统仿真

速度环控制对象的数学模型为：

G?s??R/?0.0434/??CeTms(T?ns?1)0.015Tms(0.035s?1) （5-39）

速度环系统在Simulink环境下的仿真模型如图5-21所示。该控制系统包含电流控制器、转速控制器、直流电动机惯性质量系统、零阶保持器等环节。系统速度的给定输入由实验台要求输入3000rpm，系统的响应为实验台所需转速。

图5-21速度环系统在Simulink环境下的仿真模型

转速控制器的仿真结果如图5-22和图5-23所示，该系统反映的是实验台惯性质量系统的惯性矩GD2?2.8275Kg?m2情况下的响应。图（5-22）为给定输入转速响应曲线，图（5-23）为系统响应误差曲线。从仿真结果可以看出,转速控制的超调量为3.04844%，峰值时间为1.70816s，2%误差带调节时间为1.46633s。

图5-22 给定输入转速响应曲线 图5-23系统响应误差曲线

22当系统的惯性质量随着实验的需要发生变动时，即GD?4.4475Kg?m时，模型

在不改动PID参数情况下，系统的速度响应曲线变为如图5-24所示。

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图5-24 当惯性矩GD2?4.4475Kg?m2系统速度响应曲线

图5-25为系统在有加载或者扰动运行工作的情况下，实验台控制系统响应误差变化曲线超过了系统的目标要求，为此在下章节讨论采用参数自整定模糊PID控制算法对系统进行仿真研究，并将仿真结果与常规PID控制响应的结果比较。

图5-25实验台速度PID回路在加载和扰动作用下的误差曲线

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6系统软件设计及实验验证

硬件构成了控制与检测系统的基础，而软件则完成控制系统的数据采集、转换、滤波、绘图、系统与用户之间的信息交换等各方面的协同工作。因此，整个控制与检测系统的性能在很大程度上取决于其软件的研究和开发质量。本课题以当前应用最为广泛的测试系统的测试仪器开发软件LabVIEW为基础，详细介绍了汽车传动系总成参数测试系统软件的开发过程，并对设计的控制与检测系统进行实验验证。

6.1 LabVIEW简介

随着测控系统的发展，实时控制系统的应用越来越广泛。实时系统的开发和应用与传统的基于Windows平台的测控系统有很大不同，尤其是以实时系统建立在实时操作系统的基础之上。实时测控系统的开发对熟悉Windows平台的开发人员来说，提出了新的更高的要求。LabVIEW是应用于Windows平台上的图像化编程语言，广泛地应用于测控系统发开中。但是基于LabVIEW开发的测控系统很难实现准确的定时控制，实时响应速度较低，很难满足高速实时控制系统的要求。LabVIEW RT模块通过将LabVIEW[11]实时操作系统的巧妙结合，提供了一个较为方便的开发高速实施测控系统的途径。一般LabVIEW程序建立与通用的操作系统之上，如Windows系统、Linux系统等，因此这些系统仍然无法提供很高的实时运行性能。LabVIEW RT系统通过在普通的LabVIEW开发环境中增加了RT实时模块，最终可以将开发完成的程序下载到制定的硬件环境中（成为目标环境），下载到目标环境的程序运行于目标环境中运行的实时操作系统中，从而实现了图形化的开发和很好的实时特性。在目标机和上位机之间，可以通过TCP/IP协议、PCI/PXI总线等方式完成数据传递和人机交互、上微机监控等功能。这样既保证了系统的实时特性，又保证了系统开发的简便高效。LabVIEW RT的系统如图6-1所示。

主机 （Windows操作系统）

LabVIEW RT开发系统

RT系列硬件（实时操作系统）

RT Engine

图6-1 LabVIEW RT的系统结构图

6.2软件开发体系与结构

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在汽车传动系总成冲击耐久性能检测虚拟仪器系统中，软件部分是整个系统的核心，在软件部分要完成有关硬件的驱动和参数设置、各检测任务所需要的性能检测模块、应用程序人机交互界面和帮助文档。本虚拟仪器系统是在对应用程序的功能需求做了深入分析的基础上，根据LabVIEW应用程序编制开发模式的特点和常用模式进行开发，具有以下需求要点：

①应用程序具有良好的人机交互界面； ②硬件配置简单，管理方便；

③各检测功能模块相对独立，操作简便，功能完善； ④实验检测报告符合标准、生成样式多样、完善； ⑤检测结果准群、数据分析手段丰富； ⑥具有较强的功能扩展性；

⑦应用程序具有一定的可移植性，可用于相近检测平台。

基于以上要点，本应用程序开发体系采用总分式，由带有菜单的人机交互主界面作为主程序，通过菜单加在各子程序，并负责数据在子程序中的传输；由功能相对独立和单一的子程序，完成数据的采集、信号的生成、各个特定的性能检测功能、结果的分析、处理、存储和报告的生成。涉及懂啊不同子程序之间传输的数据主要采用全剧变量和文件的方式，以确保数据流向清晰、可靠，程序代码简练易读。本虚拟仪器系统的主程序框架图6-2所示。

应用程序主界面硬件配置文件管理数据采集信号生成控制信号输出时域分析阀域分析性能检测报告生成帮助

图6-2 应用程序主框架

（1）硬件配置

硬件配置模块主要是完成数据采集卡（DAQ）的设置和管理。DAQ数据采集时应用程序被测信号的接口部件，DAQ本身的配置正确、合理对测试精度有很重要的作用。本虚拟仪器系统中主要研究研华公司数据采集卡的使用，以PCI-1714为例作出具体说明。对DAQ的管理分两部分完成：一是驱动部分，在使用DAQ的计算机上需要安装厂商提供的驱动程序，一旦驱动成功后使用其中的MAX程序可以查看、配置、修改各模拟输入输出、数字输入输出通道的具体参数。二是在应用程序中创建所需的模拟或

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数字的输入输出通道并进行设置，但使用完成后一般需要撤销这些资源。但是在实际检测中，会遇到根据实验条件的不同更换DAQ的情况，这种情况下必须对应用程序进行修改编程，而修改程序的工作只能由开发人员完成，显然是不利于应用程序的使用。

（2）文件管理

文件是监测数据的存储载体，通过对文件的管理来完成对数据的控制、转换和保存。

①打开波形文件。在实际检测中，数据大多是以数组的形式出现，同时还需要采集通道、单位、采样频率、实验时间等相关参数，为更好的组织这些数据，本监测系统中采用“波形数据”作为基本单位记录所有信息。

波形数据实际是一个结构体，在LabVIEW程序中称为“簇”，它包含采样时间、采样间隔、采样数据，另外还包括一个称为“属性”的结构体，其中记录了数据采集卡型号、通道号和单位信息，但属性是一个可选项参数，不是必需的、在检测时每一个通道中的数据作为一个波形数据，如果是多通道同时采样则形成一个波形数据组，在连续采集的情况下，实验数据形成一个波形矩阵。打开波形文件子程序的作用是将计算机中存储的波形文件读入内容，这样波形文件的数据就成为应用程序的当前数据，实验人员可以分别调用各种分析方法进行数据处理，避免了每进行一次分析都要打开同一文件。

②数据转换。文本格式的文件时记录实验数据的一种常用格式，它便于实验人员用各种文本程序打开，实验数据符合认知习惯，也便于和其他不同的实验平台共享数据。为此本监测系统用此模块完成数据和波形数据的转换，以增强平台的适应能力。

③文件标定。实验室所测的是具体的物理信号，比如位移、力、速度、加速度等等，它们具备各自的工程单位，如米、牛顿、米/秒等等。

而实验通过DAQ记录的是电信号，比如电压、电流。因此需要在实验中进行工程单位与电信号单位的标定，它们的转换关系可以通过建立坐标文件来确定，实验结束后可以根据这一标定文件再将电信号转换为工程单位。标定文件主要记录实验所采用的传感器类型与倍率、放大且定量程，也可以利用以前建立的标定文件进行修改，完成后保存。

④数据提取和传感器标定[18]。前面提到实验结果是波形数据的数组或矩阵形式，而每个通道所测得物理信号是不同的，需要将某一通道数据从中提取出来，并将同一通道数据合成一个新的数据以利于分析处理。实验时需要将检测的电信号转换为工程单位，这个字程序完成这些功能。子程序界面如图6-3所示。

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图6-3建立标定文件界面

（3）数据采集

在计算机数据采集控制系统中，为了减少干扰对测量信号的影响，提高系统的可靠性，在硬件上可接入一个RC低通滤波器来抑制工频及其以上频率的干扰，但对于频率很低的干扰却难以达到抑制的目的。因此，在软件上常常需要采用数字滤波的方法对所采集的数据进行进一步的滤波。

所谓数字滤波，就是通过一定的计算程序，对采样数据进行平滑加工，用于消除干扰或减少干扰在有用信号中所占的比例，以保证计算机系统的可靠性。它不需要增加任何硬件设备，只占用计算机执行数字滤波程序的时间，所以目前在生产过程中的计算机控制系统中得到广泛的应用。

数字滤波的方法有各种各样，可以根据生产过程不同的测量参数以及系统所存在的干扰进行选择，在本系统软件中，采用了在工业测控系统应用较为广泛的中值滤波器。中值滤波法就是对某一被测参数连续采样N此（一般N取奇数），然后把N次的采集值从小到大排序，再取中间值作为本次采样值。下图6-4示了数据采集的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。

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图6-4数据采集系统结构

（4）波形生成

根据前面介绍的汽车传动系总成性能检测方法可知，实验中通常需要多种类型的控制型号送到执行机构，这些信号是通过DAQ卡的DA功能实现的，因此产生形成信号波形的数字序列是DA的基础。按照模拟信号的分类，本模块中可以产生的注资信号包括规则周期波（正弦波、三角波、锯齿波、方波）、多正弦合成波、白噪声、高斯白噪声、正弦扫频波和绘制波形（实验人员绘图产生）和频域的特定功率谱波形。实验时可以在保证幅值不超过量程的条件下将产生的时域信号叠加进而产生复杂波形作为某一DA通道的信号波形。参数设置包括数据长度、采样率、频率（周期数）、相位、幅值等等，这些参数与DA部分的参数一起形成所需要的物理电信号。

（5）信号输出

信号输出只需要设定数据更新速率和输出方式（连续或定长），经DA输出形成的电信号由下式决定：实际频率=更新速率*波形周期数/波形长度。其他参数均已有硬件配置完成。

（6）数字滤波

数字滤波是数字信号处理领域中重要的组成部分，应用也相当广泛，数字滤波器可以看作是具有选频特性的离散系统（一般指稳定因果的线性非时变系统），具有模拟滤波器所起的限定一定频率分量通过的作用。数字滤波器哦也分为低通、高通、带通、带阻四种类型，但它的频率一般是指数字频率，并且指其主值区间[-π，+π]。由于数字滤波器可以看作是一种稳定的因果离散线性非时变系统，因此可以用时域的冲击响应来进行设计和分析，从而它的设计方法分为两类：一类是IIR滤波器，即它的冲激响应是无限的因果序列；另一类是FIR滤波器，即它的冲激响应时有限长的因果序列。

（7）时频域分析

在这个功能模块中完成对采样序列的数据分析，提供时域和频域两种选择，可以计算序列的幅度特征（均值、方差、最大最小值）、自相关函数、互相关函数、频率、相位、互功率谱等等。在相关的数学理论和数字信号处理理论中，都有比较详细的介绍，本系统按有关公式编制相应的子程序。

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（8）性能检测

这个功能模块是执行特定检测任务的模块，主要完成第三章中介绍的汽车传动系总成冲击耐久性实验台在突然接合离合器启动和不分离离合器紧急制动两种工况下的性能分析。

（9）报告生成

实验报告是对被测部件在实验中性能参数的描述、结果记录和判断，是具有重要意义的文档。各种汽车传动系总成零部件的性能检测规范对实验报告有较为明确的规定和要求，在报告生成子程序中主要按照特定的格式完成实验参数的填写、存储和相关信息的记录，报告格式主要采用两种，一种是文本文档格式，即通常的方框；另一种是WEB格式，将文本文档转换成网页格式，以利于网络发布实现数据共享。

（10）帮助

帮助是所有应用程序中重要的组成部分，通过随机帮助文档，使用人员可以了解应用程序的结构、功能和使用方法，并可以随时解决实验中出现的应用程序问题，同时也可以了解应用程序的编写信息、版本情况和有关专利情况。

6.3 操作系统的人机界面

操作系统的人机对话界面应该具有简单易懂、操作方便、测试过程清晰明了等特点。本系统数据采集模块前面板的设计充分考虑了这一点。在制作过程中，力求简洁，同时又保证其必须满足数据采集控制显示存储的整体要求。本系统的数据采集模块主界面如图6-4示。面板区域主要有三部分组成，分别是初始化设置区、动态曲线显示区以及特征参数显示区。

1.初始化设置区

程序在运行前，首先根据测试对象及测试速度对控制系统进行初始化设置。设置范围包括采集器件的设备号、通道、采集率、扫描率、数据的保存路径等。

（1）设备号

设备号是指DAQ卡的设备编号，在同一台微机内部可能装有多个DAQ卡。该参数告诉LabVIEW使用的是什么卡，它可以使采集V1自身独立于卡的类型，也就是说，如果稍后使用了另一种卡，并且赋予它同样的设备号，本系统的V1程序可以正常工作无需修改。

（2）通道号

指定输入通道的字符串。在LabVIEW中，一个通道或一组通道都用一个字符串来指定。

（3）扫描数

扫描数是指进行多通道采样时，每个通道要采集的样本数，其缺省值为1000。 （4）缓冲区的大小

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