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(duì)世界石油資源的匱乏和全球環(huán)境的惡化，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的要求越來(lái)越高，尤其是面對(duì)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用電控系統(tǒng)控制排放是大勢(shì)所趨.相比汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的廣泛度，我國(guó)在以摩托車及農(nóng)用機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的單缸小排量發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)方面的開(kāi)發(fā)應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠.

而在發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，記錄各種相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，分析各工況運(yùn)轉(zhuǎn)特性，為發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的不斷修正和改進(jìn)提供依據(jù).筆者針對(duì)小排量單缸發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一套界面良好、功能完善的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便［1－2］.

1 發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單缸發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定［3］.基于單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的特性，其目標(biāo)怠速相對(duì)多缸發(fā)動(dòng)機(jī)要高.為保證運(yùn)行的穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)怠速閥的控制來(lái)調(diào)節(jié)怠速進(jìn)氣量，使發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，下位機(jī)為發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)的電控系統(tǒng).在ECU中設(shè)計(jì)串口通信模塊，通過(guò)中間的接口電路，與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.上位機(jī)為基于PC機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)監(jiān)控軟件.發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要功能有:運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的采集、顯示、在線調(diào)整(主要針對(duì)怠速和不穩(wěn)定工況)及儲(chǔ)存和離線分析.

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主控芯片為MC9S12XS128單片機(jī)，內(nèi)含2個(gè)串行通信接口(SCI).SCI為一個(gè)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(yàn)采用SCI作為通信接口［4］.

1.2.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

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(lái)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(jì)主要是針對(duì)應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計(jì).

本次試驗(yàn)通信協(xié)議設(shè)計(jì)見(jiàn)表1.經(jīng)驗(yàn)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(jī)和上位機(jī)的設(shè)計(jì)

下位機(jī)是ECU內(nèi)和上位機(jī)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(jī)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(jī)用VB串口控件MSComm實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信.

1.2.3 上位機(jī)的軟件架構(gòu)

基于VB開(kāi)發(fā)的上位機(jī)要用到時(shí)間控件，該控件可以設(shè)定一個(gè)固定的時(shí)間觸發(fā)一個(gè)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(shí)間繪圖等流程.時(shí)間控件的觸發(fā)頻率可以改變.針對(duì)下位機(jī)100 ms的發(fā)送頻率，設(shè)定時(shí)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(jī)的人機(jī)界面

系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)如圖2所示.由圖2可知，該監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、圖形的顯示以及后臺(tái)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(mén)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(zhǎng)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(jī)監(jiān)控界面

2 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速PID參數(shù)整定

2.1 PID 原理

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

試驗(yàn)中采用固定PID參數(shù)，并采用對(duì)計(jì)算出的怠速閥開(kāi)度進(jìn)行干擾項(xiàng)補(bǔ)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(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)臺(tái)架采用嘉陵600單缸水冷摩托車發(fā)動(dòng)機(jī).試驗(yàn)中，通過(guò)上位機(jī)設(shè)定目標(biāo)怠速.

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

在PID控制器參數(shù)整定的過(guò)程中，充分體現(xiàn)了該監(jiān)控系統(tǒng)的方便性，增加了步長(zhǎng)設(shè)置的靈活性，大大節(jié)省了整定時(shí)間.通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線.

圖4 PID怠速控制實(shí)測(cè)曲線

由圖4可知，該怠速控制系統(tǒng)成功地將發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性.

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出一套發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng).該監(jiān)控系統(tǒng)基于 VB6.0，使用了MSComm控件實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與下位機(jī)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(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和電控發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的標(biāo)定及優(yōu)化提供了理想的平臺(tái).經(jīng)驗(yàn)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(shí)時(shí)、精確、高效.

［1］龔長(zhǎng)青，韓加蓬，高松.摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)電噴開(kāi)發(fā)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的研究［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2006，35(4):42－44.

［2］劉炳國(guó)，趙以強(qiáng).電控汽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009(5):14 －16.

［3］顧建斌，時(shí)凱.模糊PID控制在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制中的仿真［J］.現(xiàn)代車用動(dòng)力，2007(3):29－31.

［4］鄭俊強(qiáng).氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)［D］.鄭州:華北水利水電學(xué)院，2011.

［5］徐翠琴，吳蕾，全書(shū)海.基于VB的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(3－1):21－23.

［6］樊林，裴普成，楊武，等.電控汽油機(jī)怠速控制方式［J］.汽車工程，2002，24(6):490 －493.

［7］程慶，黃河，吳平友.發(fā)動(dòng)機(jī)怠速智能控制系統(tǒng)的研究［J］.傳動(dòng)技術(shù)，2003，17(4):31 －34.