交流异步电力测功机系统的设计与建模.pdf

摘要随着摩托车应川的巳益广泛，人们对摩托车发动机的排放等性能要求巳趋严 格，而摩托车发动机的性能试验是其生产、维修和研究中不可缺少的一个环节。发动机实验台架是进行发动机性能试验的主要设备，是其它测试设备的基础。本 文重点阐述了基于摩托车发动机的交流异步电力测功机控制系统的仿真和研究。本文先介绍了基于摩托车发动机的交流异步电力测功机系统的基本工作原 理，分析了测功原理及系统各主要转矩量之间的关系，讨论了测功机稳定运行的 条件，为测功机系统的建立奠定了理论基础；然后从以下几方面对系统进行阐述：在硬件设计方面，本文介绍了基于摩托车发动机的交流异步电力测功机系统 的设计，阐述了双CPU系统的工作原理，设计了实时控制子系统和人机交互子系 统，分析了双口 RAM的工作原理。在此基础上，设计了基于模拟电路的油门控制 器控制电路，并对调试过程进行了分析。在软件设计上，设计了基于LabVIEW的人机交互上位机程序，根据交流异 步电力测功机系统的控制要求，设计了主程序流程图；根据LabVIEW软件编写的 特点，对上位机程序分模块进行阐述。通过审口通讯对数据进行采集，利川中值 滤波对数据进行处理，利川报表的方式对数据进行存储和图表显示。在仿真方面，对测功机各个模型进行分析，在此基础上建立了测功机系统的 数学模型，并利用Simulink建立了测功机系统的仿真模型，采川传统PID、单神 经元PID、改良的单神经元PID算法对系统进行仿真，得到仿真曲线。将仿真结 果进行比较和分析，选择适合于本系统的控制算法，通过仿真曲线与实验结果的 分析比较验证仿真模型的正确性。本文详略分明，对测功机系统进行了综合的阐述。最终试验证明，本系统仿真 模型的正确性和系统的设计能满足发动机台架试验的要求。关键词:油门控制器；发动机测试；交流电力测功机；速度特性；负荷特性；双CPU；单神经元PID 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.AbstractWith the widespread application of motorcycle,the requirement for discharge and other performance of motorcycle is becoming stricter and stricter.The motorcycle engine performance testing is an important step in manufacture,maintenance and research.The motorcycle engine testing table is a main equipment for engine performance testing,and a foundation of other testing equipments.This article focuses on simulation and research based on asynchronous exchange of motorcycle engine dynamometer power control systemFirstly,this article introduces the basic principles of the system,the operating principle and the relations among the main torques of the system and discusses the stability conditions of the system.All of the above lay a solid theoretical foundation for the systems set up.Secondly,this article elaborates the system from the following aspectsFrom the aspect of hardware designing,this article introduces the design of the system,elaborates the operating principle of the dual-CPU system,suggests a design method to the man-machine interface,and explains the working principle of dual-port RAM.After that,this article makes a detailed description of the design of the accelerator control system and analyzes the debugging process.From the aspect of software designing,this article focuses on the host computer program design based on the Labview,lists the main program flow chart,and makes a detail classification description introduction to modularization of software design.Collects data through the serial ports communication,processes data through the 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.median filtering,and storages and charts data through statements.From the aspect of simulation,this article sets up mathematical model for dynamometer system on the basis of analysis of various models.The simulation was set up through Simulink.This article uses a certain kind of method to make a simulation of the system,and then the simulation curve is obtained.At last,comparing the simulation results to experimental results,verifies the correctness of the mathematical model.It has a guide sense to the system controlling.This article makes a comprehensive elaboration to the dynamometer system.The experimental results verifies the simulation moders correctness and the design of the system can achieve the requirement of the engine testing.Keywords:throttle controller;engine testing;AC Power Dynamometer;speed characteristics;load characteristics;Dual CPU;single neuron PID 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.目 录摘要.IABSTRACT.II第1章绪论.11.1 本文背景和国内外发动机测试的发展与现状.11.2 国内外测功机及其控制技术的发展和现状.21.2.1 水力测功机.21.2.2 电涡流测功机.31.2.3 电力测功机.31.3 本文涉及的基本问题和研究对策.51.3.1 电力测功机系统以及油门控制器的设计.61.3.2 电力测功机系统的原理、数学模型与仿真验证.61.4 本文的课题来源及主要内容安排.7第2章 交流异步电力测功系统的基本原理.92.1 交流异步测功机系统测功原理.92.1.1 测功（即发电）运行稳态转矩分析.102.1.2 拖动（即电动）运行稳态转矩分析.112.2 电力测功机系统工作稳定性分析.132.2.1 测功运行工作稳定性分析.132.2.2 拖动运行工作稳定性分析.15 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.2.3发动机性能测试内容与要求.15231.负荷特性.152.3.2速度特性.162.4本章小结.17第3章 交流异步电力测功机系统的设计.183.1 控制系统组成.183.2 实时控制子系统.193.2.1 转矩检测及其处理模块.193.2.2 转速检测及其处理模块.203.3 人机交互子系统.213.4 控制系统软件结构.223.5 本章小结.23第4章油门控制器的设计.244.1 油门控制器的作川和在系统中的关键地位.244.2 油门控制器设计方案的比较和选择.244.2.1 油门控制器的工作原理.244.2.2 油门控制器设计方案的比较.254.2.3 基于模拟电路的油门控制器控制电路的组成.274.2.4 调试中出现的主要问题及解决方法.314.3 实验结果分析.324.4 本章小结.32第5章 交流异步测功机系统的上位机程序设计.33 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.5.1虚拟仪器技术及其开发平台.335.2 程序模块的划分.355.2.1 电力测功机系统的主程序模块.355.2.2 系统试验界面的设计.375.2.3 初始化模块设计.375.2.4 数据采集模块的设计.385.2.5 报表处理模块的设计.405.3 本章小结.41第6章 测功系统的数学模型与模拟仿真.426.1 交流异步电力测功机的仿真模型.426.1.1 三相坐标系中的数学模型.426.1.2 两相坐标系中的数学模型.446.1.3 交流异步电力测功机系统仿真模型的建立.486.2 变频器的仿真模型.496.2.1 变频器的数学模型.496.2.2 变频器的仿真模型.506.3 发动机模型的建立.516.3.1 歧管动力学子模型.526.3.2 曲轴动力学子模型.536.3.3 燃油动力学子模型.556.3.4 摩托车发动机的整体模型.556.3.5 油门控制器的数学模型.566.4 系统的整体仿真模型.56 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.6.5 系统仿真的控制算法.586.5.1 传统PID算法.586.5.2 单神经元PID算法.616.5.3 单神经元PID算法的改良设计.656.6 本章小结.67第7章 模型仿真结果与实验结果的分析与比较.687.1 模型仿真与试验具备的条件.687.1.1 试验条件.687.2 负荷特性实验与仿真.697.3 速度特性实验与仿真.707.4 结果分析与结论.72结论.73参考文献.75致谢.78附录A攻读学位期间所发表的学术论文目录.79附录B交流异步电力测功机的S函数.80附录C单神经元PID的S函数.82 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.拒&图索引图L1交流同步电力测功机系统原理图.4图L2 交流异步电力测功机系统原理图.4图2.1转速转矩测定法示意图.9图2.2平衡式电力测功机测功运行时的转矩关系.10图2.3平衡式电力测功机电动机运行时的转矩关系.12图2.4测功机作测功运行时系统工作稳定性分析.14图2.5电动运行系统工作稳定性分析.15图2.6负荷特性试验中测功机一发动机调节情况.16图2.7速度特性试验中测功机一发动机调节情况.17图3.1 交流异步电力测功机系统.18图3.2 控制系统框图.19图3.3 转矩调理电路原理图.20图3.4 E2PROM的扩展.20图3.5 键盘电路连线图.21图3.6 双口 RAM 电路连线图.22图3.7系统软件结构框图.23图4.1 基于PLC的油门控制器系统图.25图4.2控制器的软件设计主流程图.26图4.3油门控制器执行结构示意图.27图4.4 随动系统结构框图.27图4.5油门控制器的电源设计电路.28 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.图4.6 电压比较电路.29图4.7 模拟PID控制电路.30图4.8 三角波产生电路.30图4.9 脉宽调制原理图.31图4.10功放驱动电路.31图5.1 虚拟仪器示意图.34图5.2 虚拟仪器系统的体系结构.35图5.3 电力测功机的主程序界面.36图5.4电力测功机控制系统主程序流程图.37图5.5 电力测功机试验操作界面.38图5.6 电力测功机初始化设置界面.39图5.7 CRC校验的LAB VIEW 程序实现.40图5.8 采集数据的滤波处理函数.41图5.9报表生成程序.42图6.1 三相异步电动机物理模型.43图6.2 电路三相（a、b、c）坐标系与附0坐标系的关系.46图6.3 异步电机等效电路.46图6.4交流异步电力测功机仿真模型.49图6.5简化的变频器数学模型.51图6.6 变频器的仿真模型.51图6.7电机变频器仿真曲线.52图6.8歧管动力学模型.54图6.9曲轴动力学模型.55 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.图6.10燃油动力学模型.56图6.11发动机的整体模型.56图6.12负荷特性控制框图.57图6.13速度特性控制框图.58图6.14交流异步电力测功机系统负荷特性试验仿真模型.58图6.15交流异步电力测功机系统速度特性试验仿真模型.58图6.16 PID控制系统结构框图.59图6.17传统PID控制恒速控制曲线.60图6.18传统PID控制目标转速突变控制曲线.61图6.19传统PID控制加载突变控制曲线.61图6.20单神经元PID测功机控制系统.62图6.21单神经元PID仿真模型.64图6.22单神经元PID控制恒转速控制曲线.65图6.23单神经元PID控制负载突变控制曲线.65图6.24单神经元PID控制转速突变控制曲线.65图6.25改良的单神经元PID测功机控制系统.66图6.26改良的单神经元PID控制转速曲线.67图7.1负荷特性恒速仿真曲线图.70图7.2负荷特性转速突变仿真曲线图.71图7.3 速度特性恒速仿真曲线图.72图7.4 速度特性转速突变曲线图.73 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.附表索引表6.1变频调速电机仿真电气参数.49表6.2钱江125发动机的性能参数.53 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.第1章绪论1.1 本文背景和国内外发动机测试的发展与现状随着人们经济收入的不断提高，摩托车作为方便快捷的交通工具，巳益受到 人们的青睐，需求量增加的同时也促进了中国摩托车行业的迅速发展。1993年我 国的摩托车产量已达到334.1万辆，超过巳本当年产量，首次产量位居世界第一山；1995年产量为786.6万辆，超过巳本历史的最高水平；1996年我国的摩托车产量突 破1000万辆大关。但与此同时摩托车排放的废气污染物对环境的污染也越来越被 政府和人们所重视，世界各国对摩托车废气排放限制也越来越严格。为适应摩托 车产品废气排放在新形势和未来形势条件下的要求，改进和完善各种排放是法规 验证需要的试验手段。发动机试验是发动机生产、维修和研究中不可缺少的一个 环节，在设计和生产过程中，许多重要的性能参数都是通过发动机试验的方法获 取，利川测得的性能数据，绘制出各种特性曲线，对发动机整机运行状态与调整 方向进行详细地了解，从而对改进发动机设计具有重要的指导意义。发动机实验台架是进行发动机性能试验的主要设备，是其它测试设备的基础。它主要对发动机进行转速、扭矩测试和各种性能试验，也可以川于其它原动机和 电机、齿轮箱、油泵油嘴调速器等零部件的性能试验、耐久试验。因此广泛应川 于企业、科研机构、大专院校实验室。早期的发动机试验台架大多采川水力测功机作为耗能装置，其负荷的调整完 全靠手动调节完成；转矩的测量是借助于加载磅锤的偏转所形成的力矩，由偏转 的指针在表盘上对应的读数来反映转矩的大小，用这种完全手动的操作方式形成 稳定工况需要很长的时间，且操作和数据记录很不方便，需要人手也较多。在计 算机技术和电子技术广泛应用之前，大多数内燃机生产厂家和科研机构进行发动 机测试试验时，测试参数都是采用人工记录，并由人工进行数据处理，再由人工 整理成数据表格，然后进行试验曲线绘制。这样的测试手段必然导致试验和开发 周期较长，人工环节较多而导致原始数据记录和数据处理误差较大等缺点，很难 满足发动机自动化测试和研究的要求。90年代，国外发动机行业在市场竞争和环境保护的双重压力下，产品综合技 术水平有了很大提高。一方面发动机的研制开发对测试技术提出了更高的要求；反过来，测试水平的提高又为研制开发高性能发动机提供了可靠的技术保证。因 此，许多国外发动机厂商和研究机构都非常重视发展和完善各种先进的测试技术。近年来，发动机测试技术与现代动力工程技术的发展相适应，产生了飞速发 展。随着电子技术、传感器技术、计算机技术和控制技术的推广与应川，以前采1 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.用人工采集处理测试数据、手工绘制曲线和人工操作控制发动机及能耗装置等测 试技术手段正被计算机自动测控系统所代替，测量和控制精度、可靠性、稳定性 和灵活性都有了很大提高。从早期利川测功机进行手动的单一项目的测试，到目前完善的自动测试系统，发动机试验台架在不断地应用科技发展的新成果。现代的发动机测试台架集数学、自动控制、信号处理、人工智能、电子技术等各种现代科学技术于一体，其解决 的主要问题是：（1）发动机的运行参数监测与控制；（2）测功机阻力矩的实时控制；（3）测控参数的高速采集；（4）测试数据的分析及图形处理等。日本渊野公司ESF-100型发动机台架试验系统，采川计算机集成控制，能够 对各种测试参数进行实时采集，并且能够实现数据处理、特性曲线绘制等功能；同时，采川MC技术的发动机台架试验系统使川高速交换以太网构成的现场信息 总成，通过数据分布处理技术，实现了多个测控系统数据的实时监控与集中处理，并能完成数据库的实时建立与管理，使系统可扩展性与升级能力得到了很大程度 的提高。在国外，发动机测试设备的主要生产厂家有:日本小野测器，奥地利AVL,策 尔纳等。目前国际上应用广泛的是奥地利AVL公司的产品Bl。AVL的发动机测试 设备种类齐全，适川范围广，测试精度高，技术先进，是国外内燃机测试行业的 首选设备。但是它也毫不例外的具有进口设备的通病:价格昂贵，因此目前在国内 使用较少。1.2 国内外测功机及其控制技术的发展和现状测功机是发动机测试的重要设备，作为发动机测试系统中的能耗装置，它不 仅川来吸收被测发动机输出的功，而且通过控制测功机可以改变发动机的负荷及 转速，形成所需的测试工况，以测定发动机实际使川的各种运行状态下的性能指 标。因此，测功机检测和控制技术的发展对发动机测试显得尤为重要。国内外发 动机试验台架常用的测功机可分为水力测功机、电涡流测功机、直流电力测功机 和交流电力测功机等。1.2.1 水力测功机水力测功机因其单位转动惯量的扭矩吸收能力强，长期以来成为大功率内燃 机试验优先采用的设备。目前主要有定充量水力测功机和变充量水力测功机。定 充量水力测功机的吸收腔内始终充满具有一定压力的水，通过调节测功机的闸套 开合位置（即调节测功机转子与定子间的工作面积）来改变测功扭矩大小，这类测功 机稳定性好，但结构复杂。变充量水力测功机又称水涡流测功机。它是通过进、出水阀来调节水力测功机吸功腔内水量的多少，以达到改变其制动扭矩大小的目2 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.的。变充量水力测功机工作时水压高，噪声大，而且在转速高、制动扭矩小的区 段几乎不能稳定工作。目前，主要采取如下措施解决其工作不稳定的问题:采川 闭环控制发动机的油门或风门来控制发动机的转速；采用闭环控制测功机水门 来控制测功机的制动扭矩；采川水力测功机的工作介质与冷却介质分离的方法（双介质法）。把前两种方法结合起来，采川双闭环控制测功系统转速和扭矩是当今 世界水力测功机的先进控制方法四。目前，国内杭州奕科机电已开发出WE系列 水涡流测功机产品。1.2.2 电涡流测功机电涡流测功机利川涡电流效应吸收发动机输出转矩和功率，具有低惯量、高 精度、高稳定性、结构简单等特点，适川于操作控制的自动化，并且功率范围也 较宽，转速较高，响应速度较快，测试工艺比较成熟，是目前各内燃机制造厂主 要使用的测功机之一。基于其良好的控制性、可调性以及负载稳定性，电涡流测 功机较合适川于发动机的开发和试验。此外，它也适川于发动机零部件的开发研 究试验，汽车风阻、变速器、后轮轴的模拟试验及完整的传动系统模拟实验等。但是，传统的电涡流测功器吸收功率较小，技术水平偏低，自动调节系统动态结 构中“恒流控制”和“恒速控制”两个调节闭环共川一只调节器，导致恒转矩控制和恒 转速控制达不到精度要求。而且，与水力测功机一样，电涡流测功机只能吸收原 动机的功，将其全部转化为热能消耗而不能回收，也不能作为电动机驱动发动机 工作。由于其性能的限制，使得其精度的提高和实际应川受到限制。1.2.3 电力测功机电力测功机的基本结构和普通电机相似，由转子和定子构成，但与普通电机 不同的是这种电力测功机的定子及其外壳不是固定在机座上，而是可以自由摆动。转子通过轴承支撑在定子外壳上，定子外壳通过滚动轴承浮动的支撑在支座上，定子外壳与电机底座之间川拉压传感器相连接。由于定子川轴承浮动支撑，所以 拉压传感器产生的转矩与定子上所作用的转矩平衡，其大小由拉压传感器测出，故也称为平衡式电力测功机，它分为直流电力测功机和交流电力测功机。1.2.3.1 直流电力测功机直流电力测功机采川复式激励的直流电机，利川电枢绕组切割磁力线而产生 感应电动势的原理，根据在不同电磁力作川下所产生大小不同、与转向相反的制 动力矩来控制测功机的运行状态。直流测功电机由于控制简单、调速平滑，性能 良好，一直占据主导地位。然而，直流测功电机结构上存在机械换向器和电刷，因此具有一些无法克服的固有缺点，如造价偏高，维护困难，寿命短，单机容量3 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.和最高电压以及最高转速都受到定的限制等等，导致直流电力测功电机在大容量、高速测功系统中难以广泛应用。1.2.3.2 交流电力测功机交流电力测功机按照电机类型的不同又可以分为同步电力测功机和异步电力 测功机两大类。交流同步电力测功机系统原理如图1.1所示。同步方案测功电机 采用绕线式异步电机。由发动机直接驱动测功电机在发电机状态下运行，KI、K3 断开K2闭合，提供直流励磁电流给测功机转子，作同步发电机运行方式，定子发 电产生电能由电阻负载消耗或由整流、逆变系统回馈电网。在K2断开，KI、K3 闭合时，测功机可作为具有启动电阻R的三相绕线式异步电动机运行，可川于发 动机冷磨合试验。交流同步测功机转矩控制可以通过调节励磁电流和负载电阻来 实现，测功机本体发热较低，功率范围较大，操作简单，使川方便。由于具有电 刷、滑环及其绕线式的转子结构，测功机运行速度受到限制。被测发动机 测功电机 整流器 逆变器图1.1交流同步电力测功机系统原理图交流异步电力测功机系统原理如图1.2所示：回馈逆变图L2交流异步电力测功机系统原理图异步方案测功机采川鼠笼式交流异步电机，定子三相绕组和三相变频电源连 接，当三相变频电源驱动电机转子的转速与转向与被测动力机械相同时，被测机 械输出接近空载。当三相变频电源降低频率，旋转磁场同步转速低于测功机转子 转速时，测功机工作于发电机状态，产生的电磁转矩方向与被测机械输出转矩方 向相反，即向被测试机械施加负载。此时，测功机将被测试机械输出的能量转换 4 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.成电能，通过输出给大功率电阻消耗或者回馈电网网。在国外研制或生产的电力测功机系统中，以AVL公司的APA系列、德国 SCHENCK公司的HT、LI系列产品为代表，基本实现了测功机系统的自动控制，有较好的综合性能，并取得了良好的经济效益，但价格昂贵，在国内的应川不多身。与各类水力测功机及电涡测功机相比，交流电力测功机测功范围宽，而且可 在测定原动机性能参数的同时，还以发电的形式回收能量，电能回收率可达 80%10；与水力测功机相比，它节约了水资源及相应的配套设备，试验场地干净，对环境无污染，转矩控制响应迅速而且测量精度高；与直流电力测功机相比，也 无需经常保养，空间小、成本低。另外，平衡式交流电力测功机还可以作电动机 运行来拖动发动机，实现发动机电起动、冷磨合、摩擦功率和机械损失测量。近几年来随着电机控制技术和电力电子技术的发展，交流传动系统在动、静 态性能上得到了显著提高，因此对交流测功机的研究成为主流趋势。目前，交流测功机并已广泛用于发动机、汽车底盘、电动汽车、电机性能试 验、电机M-S曲线试验、液力变矩器、动力换档变速箱、液力变速器总成、汽车 变速箱、船川齿轮箱、减速器和其它传动装置的功率和效率测试，为各种动力机 械及传动装置的研究开发开辟了新的应用领域。在国外研制或生产的交流电力测功机中，由AVL和ELIN公司联合生产的APA 系列测功电机具有一定的代表性，它是摇篮式笼形异步电机，主电路为交直交系 统，以计算机为中心，进行数据采集、处理与工况自控。另外，还有德国中克、西门子、巳本小野测功器等公司的产品。上述公司的电力测功机基本实现了自动 控制，有较好的综合性能，并取得了良好的经济效益，但价格昂贵。我国从70年代开始研究交流电力测功机，在此之前测功机多从国外进口。1974 年，湖南大学开始研究交流电力测功机，在异步方案的基础上研究成功“同步方案”测功机，先后研制成功15KW、28KW、40KW、160KW等规格的交流电力测功机。近年来与湘潭电机厂合作，研制了交流变频电力测功机和双馈电力测功机。湖南 大学研制的CY110、CY160系列交流变频异步电力测功机通过了鉴定，并已申请 专利。这些在低成本高性能的测功机及其测控系统领域所做的研究，对我国减少 对进口产品的依赖，发展民族汽车工业具有极大的经济价值和实际意义。1.3 本文涉及的基本问题和研究对策本文交流电力测功机系统由若干功能模块组成，其基本组成包括:交流电力测 功机、耗能负载电阻、各种传感器、信号调理模块、油门控制器、直流力矩电机、变频器、单片机控制模块（A/D输入、D/A输出、10模块）等。电力测功机作为发 动机的负载，测功时在发电状态运行，所产生的电能由负载电阻消耗。测功机系 统是一个复杂的多模块系统，需要进行研究和深入探讨的问题和理论有很多，本5 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.文针对测功机系统研究中的以下几个部分展开论文的撰写:重点介绍了测功机的工 作原理，系统整体数学模型的建立和仿真验证，简要介绍了系统的组成和硬件软 件的有关设计，详细地阐述了油门控制器的方案选择和基于模拟电路方案的设计 与调试，给出了交流电力测功机系统的上位机程序的编写方法并对系统的实验与 仿真结果进行了分析。1.3.1 电力测功机系统以及油门控制器的设计测功机系统要对数据进行采集和处理必须设计相应的硬件与软件系统，测功 机测试及控制系统硬件主要包括:转矩、转速、温度、电压与电流等传感器及相应 的信号调理电路、单片机控制板各模块，键盘和LCD屏以及油门控制器及其执行 机构等。本文根据实际应用对系统的硬件设计进行了有重点性的介绍，详细的介 绍了双CPU系统的工作原理，对油门控制器的设计方案进行比较，选择了模拟电 路搭建油门控制器的方法并对最终的设计方案进行了详细的阐述。本文中采川 Lab VIEW编写电力测功机系统上位机程序，上位机程序通过与单片机进行通讯控 制试验的过程，实现操作人员对试验过程的交互式的控制，通过前面板对试验的 数据进行实时显示并同时进行监测，一旦数据异常则进行报警提示并同时终止有 危险的实验步骤的继续运行，对试验的数据进行采集滤波并保存。整个程序采用 模块化设计，对实验的各种相关信息进行保存，极大的方便了实验过程和结果查 询。1.3.2 电力测功机系统的原理、数学模型与仿真验证在进行测功系统控制研究时，首先要认识被控系统各部分的运动规律、各量 之间的因果关系或定量关系以便于分析、设计。因此，必须建立系统主要物理量 变化规律的数学模型。本文首先分析了测功系统工作的原理，围绕测功电机运行 时定、转子上各转矩之间的定量关系进行了详细的讨论，在此基础上进一步对测 功电机模型进行了深入的研究，寻求出测功系统转速、转矩控制方案。交流电力测功机系统由若干功能模块组成，包括变频器、摩托车发动机、电 力测功机、油门控制器等。各个模块在输入条件发生改变的情况下，模块的输出 值呈现有一定规律却非线性的变化，为了更深入了解系统各个模块之间输入输出 量的关系以及对他们采用控制算法后系统输入输出量的变化，观测系统的整体响 应以及对系统测量数据的影响，在对系统的数学模型进行分析和有针对的简化的 基础上，建立系统各个模块的数学模型，利用Simulink建立系统的整体仿真模型，通过给定输入信号与相应的控制算法对系统进行仿真，得到系统相关参数的曲线，为实际控制方案的选择提供一定的理论依据。6 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.1.4 本文的课题来源及主要内容安排本文研究课题是以湖南大学机械与汽车工程学院承担的北方发动机研究所的 横向课题“交流电力测功机及其测控系统开发”为研究背景，具有实际的工程背景 和应川价值。根据作者的开发实践与心得，从该系统的技术理论基础、软件和硬 件开发等方面进行全面陈述。本文下面的结构和主要研究内容安排如下：第一章阐述了本文的研究背景、国内外发动机测试的发展和现状，以及本文 研究的现实意义；讨论了发动机测试中最主要的设备一一测功机，以及其控制技 术在国内外的发展和研究状况，重点讨论了本文研究的交流电力测功机的特点、测功方案和系统工作原理。最后，对本文研究的主要内容、难点以及研究对策等 方面详细地进行了总体概述，提出了本文的研究背景、意义和课题来源。第二章详细讨论了测功系统工作原理，详细分析了测功系统内部各转矩量之 间的关系，研究了系统的测功原理，提出了通过测量转矩和转速的间接测量系统 功率的方法。然后根据情况对系统的工作稳定性进行了说明，介绍了发动机测试 系统的速度特性实验和负荷特性试验的具体内容和控制要求，为后续章节的研究 打好理论基础。第三章对测功机系统相应的硬件与软件系统进行了介绍，测功机测试及控制 系统硬件主要包括:转矩、转速、温度、电压与电流等传感器及相反的信号调理电 路、单片机控制板各模块，键盘和LCD屏等。本文给出了双CPU控制系统的硬 件组成，针对控制系统实验的需要，给出了系统的软件结构，同时对系统中关键 的部分进行了详细的阐述，对硬件设计中的一些问题进行了说明。第四章介绍了油门控制器的设计。油门控制器是由直流力矩电机和控制电路 组成，油门控制器在系统中的作川十分重要，它的稳定性决定了整个系统的性能 和实验结果的好坏。它的波动会直接影响油量的进给，进而对发动机的输出功率 产生影响，导致实验数据的波动。油门控制器的设计原则就是要保证它的稳定性,在给定了控制量以后能在最短的时间内达到控制的要求而且在没有新的给定量出 现的时候能一直保持该值不发生变化。油门控制器的设计核心就在于控制直流力 矩电机的控制电路，本文中给出了控制电路的各个模块和对其工作原理进行了阐 述，给出了调试的过程。第五章介绍了电力测功机的上位机程序的设计。重点介绍了系统的主程序模 块，给出了主程序的控制流程。对初始化模块、实验主界面模块、数据采集模块、报表生成模块的设计做了详细的说明，对系统的通讯安全性问题进行了研究。同 时对系统采集数据的处理和保存也进行了说明。第六章介绍了交流电力测功机系统数学模型，针对数学模型根据系统的实现7 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.情况进行了推导和有针对的简化，利用Simulink建立了系统的仿真模型，包括交 流电力测功机的仿真模型、变频器的仿真模型、发动机的仿真模型以及根据交流 电力测功机系统的工作原理，将各个仿真模型的输入输出量联系起来，根据发动 机性能测试的要求和系统工作的实际情况，选择了适当的控制算法对系统的控制 量进行控制，建立了整个系统的仿真模型。根据对系统的仿真进行控制，得到了 系统仿真的数据曲线，通过对仿真曲线的各种控制算法的分析与比较选择最适合 测功机系统的控制算法，通过仿真曲线与实验得到的数据曲线进行比较，验证了 数学模型正确性。第七章在系统软硬件满足实验条件和交流异步电力测功机系统的仿真模型建 立好的基础上，进行了系统的速度特性和转速特性的试验和仿真，对实验和仿真 的结果进行比较和分析，验证数学模型的正确性和选择更好的控制算法。8 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.第2章交流异步电力测功系统的基本原理交