一种基于CAN总线的发动机台架综合测试控制系统的制作方法

本发明涉及发动机台架综合测试控制技术领域，尤其涉及一种基于can总线的发动机台架综合测试控制系统。

背景技术：

我国有数百家内燃机制造企业，每家企业都拥有不同数量的柴油机试验台架，再加上各有关科研院所以及高等院校，各大小柴油机试验台架有上千台。但其发展水平参差不齐，有些试验台架还处于手工调整工况，目前处于采用目测读数和手写记录的原始状态，已经远远不能满足现代汽车行业对其性能的测试要求。为此，迫切的需要在目前计算机和电子技术迅速发展的背景下，设计出一个自动化程度较高、算法较优越、测量和控制精度比较高、人机界面比较友好，功能比较完善的柴油发动机试验台架测控系统。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于can总线的发动机台架综合测试控制系统，能够通过执行适当的控制策略来自动的调整和监控发动机的运行状态。

本发明的实施例提供一种基于can总线的发动机台架综合测试控制系统，包括发动机、与所述发动机同轴连接且用于对所述发动机施加阻尼矩的测功机和控制所述发动机功率的油门，还包括下位机和与所述下位机通过can总线双向通信的上位机，所述下位机包括策略模块，所述策略模块中含有多种控制策略，部分所述控制策略采用增量pid控制算法来通过调整所述发动机的油门开度和所述测功机的励磁来控制所述发动机的转速和扭矩，其余所述控制策略采用模糊pid控制算法来通过调整所述发动机的油门开度和所述测功机的励磁来控制所述发动机的转速和扭矩，所述上位机连接所述策略模块以将控制程序写入所述策略模块使所述策略模块执行相应的控制策略。

进一步地，多种所述控制策略分别为自然调位、自然调节、恒转调位、恒转调节、恒扭调位和恒扭调节，所述自然调位、所述自然调节、所述恒转调位和所述恒扭调位采用所述增量pid控制算法来控制，所述恒转调节和所述恒扭调节采用模糊pid控制算法来控制。

进一步地，所述下位机包括内含所述增量pid控制算法的励磁控制器、转速控制器、油门控制器和油门执行器，所述自然调节包括励磁控制回路和转速控制系统，采用所述自然调节时，所述励磁回路为开环控制回路，包括相互连接的所述励磁控制器和所述测功机，所述上位机通过将给定的励磁输入到所述励磁控制器来控制所述测功机输出的阻尼矩，所述转速控制系统为双闭环回路，包括油门控制回路和转速控制回路，所述油门控制回路为内环，包括相互连接的所述油门控制器和所述油门执行器，所述转速控制回路为外环，包括所述转速控制器和通过所述油门控制回路与所述转速控制器连接的所述发动机，所述上位机通过将给定的转速输入到所述转速控制器并通过所述转速控制回路和所述油门控制回路来控制所述发动机实际输出的转速。

进一步地，所述下位机包括内含所述增量pid控制算法的励磁控制器、油门控制器和油门执行器，所述自然调位包括励磁控制回路和油门控制回路，采用所述自然调位时，所述励磁回路为开环控制回路，包括相互连接的所述励磁控制器和所述测功机，所述上位机通过将给定的励磁输入到所述励磁控制器来控制所述测功机输出的阻尼矩，所述油门控制回路为单闭环回路，包括相互连接的所述油门控制器和所述油门执行器，所述上位机通过将给定的油门开度输入到所述油门控制器并通过所述油门控制回路输入到所述发动机来控制所述发动机的功率。

进一步地，所述下位机包括内含所述增量pid控制算法的励磁控制器、励磁执行器、转速控制器、油门控制器和油门执行器，所述恒转调位包括油门控制回路和转速控制系统，采用所述恒转调位时，所述油门控制回路为单闭环回路，包括相互连接的所述油门控制器和所述油门执行器，所述上位机通过将给定的油门开度输入到所述油门控制器并通过所述油门控制回路输入到所述发动机来控制所述发动机的功率，所述转速控制系统为双闭环回路，包括励磁控制回路和转速控制回路，所述励磁控制回路为内环，包括相互连接的励磁控制器和所述励磁执行器，所述转速控制回路为外环，包括所述转速控制器和通过所述励磁控制回路与所述转速控制器连接的所述发动机，所述上位机通过将给定的转速输入到所述转速控制器并通过所述转速控制回路和所述励磁控制回路来控制所述发动机实际输出的转速。

进一步地，所述下位机包括内含所述增量pid控制算法的励磁控制器、励磁电流控制器、扭矩控制器、油门控制器和油门执行器，所述恒扭调位包括油门控制回路和扭矩控制系统，采用所述恒扭调位时，所述油门控制回路为单闭环回路，包括相互连接的所述油门控制器和所述油门执行器，所述上位机通过将给定的油门开度输入到所述油门控制器并通过所述油门控制回路输入到所述发动机来控制所述发动机的功率，所述扭矩控制系统为双闭环回路，包括励磁控制回路和扭矩控制回路，所述励磁控制回路为内环，包括相互连接的励磁控制器和所述励磁电流控制器，所述扭矩控制回路为外环，包括所述扭矩控制器和通过所述励磁控制回路与所述扭矩控制器连接的所述测功机，所述上位机通过将给定的扭矩输入到所述扭矩控制器并通过所述扭矩控制回路和所述励磁控制回路来控制所述测功机实际输出的扭矩。

进一步地，所述下位机包括内含所述模糊pid控制算法的励磁控制器、励磁电流控制器、扭矩控制器、转速控制器，油门控制器和油门执行器，所述恒转调节包括相互耦合且均为双闭环回路的扭矩控制系统和转速控制系统，采用所述恒转调节时，所述扭矩控制系统包括油门控制回路和扭矩控制回路，所述扭矩控制系统中所述油门控制回路为内环，包括相互连接的油门控制器和油门执行器，所述扭矩控制系统中所述扭矩控制系统为外环，包括所述扭矩控制器和通过所述油门控制回路与所述扭矩控制器连接的所述发动机；所述转速控制系统包括励磁控制回路和转速控制回路，所述转速控制系统中所述励磁控制回路为内环，包括相互连接的所述励磁控制器和所述励磁电流控制器，所述转速控制系统中所述转速控制回路为外环，包括所述转速控制器和通过所述励磁控制回路与所述转速控制器连接的所述测功机；所述上位机通过将给定的扭矩输入到所述扭矩控制器并通过所述扭矩控制回路和所述油门控制回路来控制所述发动机实际输出的扭矩，所述上位机通过将给定的转速输入到所述转速控制器并通过所述转速控制回路和所述励磁控制回路来控制所述测功机实际输出的转速，且所述油门控制系统通过油门对转速的传递函数来对所述转速控制系统的输出施加外加干扰，所述励磁控制回路通过测功机励磁对扭矩的传递函数来对所述扭矩控制系统的输出施加外加干扰。

进一步地，所述下位机包括内含所述模糊pid控制算法的励磁控制器、励磁执行器、扭矩控制器、转速控制器，油门控制器和油门执行器，所述恒扭调节包括相互耦合且均为双闭环回路的扭矩控制系统和转速控制系统，采用所述恒扭调节时，所述扭矩控制系统包括励磁控制回路和扭矩控制回路，所述扭矩控制系统中所述励磁控制回路为内环，包括相互连接的励磁控制器和励磁执行器，所述扭矩控制系统中所述扭矩控制系统为外环，包括所述扭矩控制器和通过所述励磁控制回路与所述扭矩控制器连接的所述测功机；所述转速控制系统包括油门控制回路和转速控制回路，所述转速控制系统中所述油门控制回路为内环，包括相互连接的所述油门控制器和所述油门执行器，所述转速控制系统中所述转速控制回路为外环，包括所述转速控制器和通过所述油门控制回路与所述转速控制器连接的所述发动机；所述上位机通过将给定的扭矩输入到所述扭矩控制器并通过所述扭矩控制回路和所述励磁控制回路来控制所述测功机实际输出的扭矩，所述上位机通过将给定的转速输入到所述转速控制器并通过所述转速控制回路和所述油门控制回路来控制所述发动机实际输出的转速，且所述油门控制系统通过油门对扭矩的传递函数来所述扭矩控制系统的输出施加外加干扰，所述励磁控制回路通过测功机励磁对转速的传递函数来对所述转速控制系统的输出施加外加干扰。

进一步地，所述下位机采用stm32f407系列高速arm中的一种作为控制芯片，所述下位机包括所述测控模块，所述测控模块包括用于测量所述测功机的励磁的电流传感器、测量所述测功机扭矩的应变式传感器、测量所述发动机转速的霍尔传感器和测量所述油门开度的电位器，所述测控模块连接所述上位机以向所述上位机传送其测控信息。

进一步地，所述发动机上设有pt100铂热电阻、热电偶和压力变送器，所述pt100铂热电阻通过热电阻测温模块ican5502连接所述上位机以将其测量的低温信号上传至所述上位机，所述热电偶通过热电偶测温模块ican6605连接所述上位机以将其测量的高温信号上传至所述上位机，所述压力变送器通过模拟量输入模块ican3800连接所述上位机以将其测量的压力信号上传至所述上位机；通过电子称来测量油耗，所述电子称连接所述上位机以将其测量的油耗信号传至所述上位机。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所述的基于can总线的发动机台架综合测试控制系统，针对不对的发动机和实际需求具有多种不同的所述控制策略，且其中部分控制策略采用所述模糊pid控制算法来通过调整所述发动机的油门开度和所述测功机的励磁来控制所述发动机的转速和扭矩，使得发动机从前一稳定工况转换到后一稳定工况的过程变得更平滑，没有使得发动机转速出现太大的振荡，从而使控制更加精确和平稳，最终各参数稳定后的稳态误差也更小。其余的所述控制策略简单且能够自动的调整和监控发动机的运行状态。

附图说明

图1是本发明基于can总线的发动机台架综合测试控制系统的增量pid控制算法的原理图；

图2是本发明基于can总线的发动机台架综合测试控制系统的模糊pid控制算法的原理图；

图3是自然调位的原理图；

图4是自然调节的原理图；

图5是恒转调位的原理图；

图6是恒扭调位的原理图；

图7是恒转调节的原理图；

图8是恒扭调节的原理图；

图9是在所述增量pid控制算法的控制下，所述上位机绘制的的工况过渡曲线图；

图10是在所述模糊pid控制算法的控制下，所述上位机绘制的工况过渡曲线图；

图11是为欧洲esc十三工况上位机绘制的曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

本发明的实施例提供了一种基于can总线的发动机台架综合测试控制系统，包括发动机试验台架和综合测控系统。

所述发动机试验台架包括底座、安装于所述底座的发动机、与所述发动机同轴连接并用于对所述发动机施加阻尼矩的测功机和控制所述发动机功率的油门，还包括于所述发动机连接的油路和冷却水路等。

所述综合测控系统包括通过can总线双向通信的上位机和下位机，所述下位机为控制核心，所述下位机采用stm32f407系列高速arm中的一种作为控制芯片，该芯片主频速度高达168mhz，并且所述下位机集成dsp功能，优选该控制芯片为stm32f407zet6。所述下位机能够测量励磁、油门、测功机转速、测功机扭矩等参数，并通过所述can总线与上位机通讯；所述下位机具有界面显示和输入功能；所述下位机包括含有六种控制策略的策略模块，通过所述下位机来使所述六种控制策略中合适的控制策略调控所述发动机的实际输出转速和扭矩，从而实现发动机试验台架试验在不同控制策略下的闭环控制。

在windows操作系统平台上，采用c++语言编制所述上位机的测控软件，该测控软件的功能包括：

(a)通用性：用户能够自由选择发动机类型和型号进行台架试验。

(b)测量与显示：具有对励磁、油门、测功机转速、测功机扭矩、高温、低温、压力、油耗等发动机台架试验相关参数进行实时动态测量、显示、存储的功能；可显示所有测量参数中任意5个参数的实时曲线；可实时记录历史曲线，并能播放历史曲线。

(c)工况控制：具有手动控制和程序控制两种控制方式，并可实现两种控制方式自由切换。在程序控制模式下，可按照预设步骤完成性能试验和可靠性试验，可随时退出程序控制，并在下一次继续完成程序控制。可在计算机上可对运行条件及运转程序进行编辑、修改和删除，具有循环试验功能。

(d)保护与报警：系统具有软、硬件报警及紧急停车功能，可设置三级报警功能。

(e)试验数据处理：能对测量参数进行零点修正，可显示实测值和修正值；能对测量参数进行校准；所有试验数据可自动存盘、打印报表，结果以excel形式输出；可绘制试验数据的特性曲线，可绘制万有特性曲线。

具体的，六种所述控制策略分别为自然调位、自然调节、恒转调位、恒转调节、恒扭调位和恒扭调节。其中，所述自然调位、所述自然调节、所述恒转调位和所述恒扭调位采用所述增量pid控制算法来通过调整所述发动机的油门开度和所述测功机的励磁来控制所述发动机的转速和扭矩，所述恒转调节和所述恒扭调节采用模糊pid控制算法来通过调整所述发动机的油门开度和所述测功机的励磁来控制所述发动机的转速和扭矩。

所述下位机还包括多个模块，这些模块内均含有pid运算单元的励磁控制器、励磁电流控制器、励磁执行器、扭矩控制器、转速控制器，油门控制器和油门执行器，所述pid运算单元包括pid控制器和模糊控制器。

所述增量pid控制算法的原理图如图1所示，图1中，r(t)为模块的输入量，y(t)是模块的输出量，e(t)是由模块的输入量r(t)和模块的输出量y(t)构成的控制偏差：e(t)＝r(t)-y(t)，e(t)作为pid控制器的输入，u(t)作为pid控制器的输出和被控对象的输入，所述被控对象是与具有该pid控制器的电子元件的输出端连接的其他电子元件。所述增量pid控制算法的控制规律为：

kp为比例系数，ti为积分时间，td为微分时间，uo为控制常量，kp/ti为积分系数，kp/td为微分系数。

本发明所述的所述模糊pid控制算法为自适应模糊控制算法，其原理图如图2所示，图2中，e为模块的输入量r与模块的输出量v的偏差，ec为偏差变化率，偏差e和偏差变化率ec作为pid控制器的输入量，偏差e和偏差变化率ec经所述模糊控制器的模糊推理后进行参数校正得到输出值kp、ki和kd，该输出值对pid控制器的自身参数进行调节校正，得到pid控制器的输出u,该输出u为被控对象的输入，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数。

请参考图3，所述自然调位包括励磁控制回路和油门控制回路，所述励磁回路为开环控制回路，包括相互连接的所述励磁控制器和所述测功机。所述油门控制回路为单闭环回路，包括相互连接的所述油门控制器和所述油门执行器。当需要执行所述自然调位控制策略时，所述上位机将增量pid控制算法程序写入所述励磁控制器、所述油门控制器和所述油门执行器中的pid控制器中，所述上位机通过将给定的励磁输入到所述励磁控制器来控制所述测功机输出的阻尼矩，所述上位机通过将给定的油门开度输入到所述油门控制器并通过所述油门控制回路输入到所述发动机来控制所述发动机的功率。

请参考图4，所述自然调节包括励磁控制回路和转速控制系统，所述励磁回路为开环控制回路，包括相互连接的所述励磁控制器和所述测功机。所述转速控制系统为双闭环回路，包括油门控制回路和转速控制回路，所述油门控制回路为内环，包括相互连接的所述油门控制器和所述油门执行器，所述转速控制回路为外环，包括所述转速控制器和通过所述油门控制回路与所述转速控制器连接的所述发动机，当需要执行所述自然调节控制策略时，所述上位机将增量pid控制算法程序写入励磁控制器、转速控制器、油门控制器和油门执行器的pid控制器中，所述上位机通过将给定的励磁输入到所述励磁控制器来控制所述测功机输出的阻尼矩，所述上位机通过将给定的转速输入到所述转速控制器并通过所述转速控制回路和所述油门控制回路来控制所述发动机实际输出的转速。

请参考图5，所述恒转调位包括油门控制回路和转速控制系统，所述油门控制回路为单闭环回路，包括相互连接的所述油门控制器和所述油门执行器。所述转速控制系统为双闭环回路，包括励磁控制回路和转速控制回路，所述励磁控制回路为内环，包括相互连接的励磁控制器和所述励磁执行器，所述转速控制回路为外环，包括所述转速控制器和通过所述励磁控制回路与所述转速控制器连接的所述发动机，当需要执行所述恒转调位控制策略时，所述上位机将增量pid控制算法程序写入励磁控制器、励磁执行器、转速控制器、油门控制器和油门执行器的pid控制器中，所述上位机通过将给定的油门开度输入到所述油门控制器并通过所述油门控制回路输入到所述发动机来控制所述发动机的功率，所述上位机通过将给定的转速输入到所述转速控制器并通过所述转速控制回路和所述励磁控制回路来控制所述发动机实际输出的转速。

请参考图6，所述恒扭调位包括油门控制回路和扭矩控制系统，所述油门控制回路为单闭环回路，包括相互连接的所述油门控制器和所述油门执行器。所述扭矩控制系统为双闭环回路，包括励磁控制回路和扭矩控制回路，所述励磁控制回路为内环，包括相互连接的励磁控制器和所述励磁电流控制器，所述扭矩控制回路为外环，包括所述扭矩控制器和通过所述励磁控制回路与所述扭矩控制器连接的所述测功机，当需要执行所述恒扭调位控制策略时，所述上位机将增量pid控制算法程序写入励磁控制器、励磁电流控制器、扭矩控制器、油门控制器和油门执行器的pid控制器中，，所述上位机通过将给定的油门开度输入到所述油门控制器并通过所述油门控制回路输入到所述发动机来控制所述发动机的功率，所述上位机通过将给定的扭矩输入到所述扭矩控制器并通过所述扭矩控制回路和所述励磁控制回路来控制所述测功机实际输出的扭矩。

请参考图7，所述恒转调节包括相互耦合且均为双闭环回路的扭矩控制系统和转速控制系统，所述扭矩控制系统包括油门控制回路和扭矩控制回路，所述扭矩控制系统中所述油门控制回路为内环，包括相互连接的油门控制器和油门执行器，所述扭矩控制系统中所述扭矩控制系统为外环，包括所述扭矩控制器和通过所述油门控制回路与所述扭矩控制器连接的所述发动机。所述转速控制系统包括励磁控制回路和转速控制回路，所述转速控制系统中所述励磁控制回路为内环，包括相互连接的所述励磁控制器和所述励磁电流控制器，所述转速控制系统所述转速控制回路为外环，包括所述转速控制器和通过所述励磁控制回路与所述转速控制器连接的所述测功机。当需要执行所述恒转调节控制策略时，所述上位机将模糊pid控制算法程序写入励磁控制器、励磁电流控制器、扭矩控制器、转速控制器，油门控制器和油门执行器的pid运算单元中，所述上位机通过将给定的扭矩输入到所述扭矩控制器并通过所述扭矩控制回路和所述油门控制回路来控制所述发动机实际输出的扭矩，所述上位机通过将给定的转速输入到所述转速控制器并通过所述转速控制回路和所述励磁控制回路来控制所述测功机实际输出的转速，且所述油门控制系统通过油门对转速的传递函数g1(s)来对所述转速控制系统的输出施加外加干扰，所述励磁控制回路通过测功机励磁对扭矩的传递函数g2(s)来对所述扭矩控制系统的输出施加外加干扰。

请参考图8，所述恒扭调节包括相互耦合且均为双闭环回路的扭矩控制系统和转速控制系统，所述扭矩控制系统包括励磁控制回路和扭矩控制回路，所述扭矩控制系统中所述励磁控制回路为内环，包括相互连接的励磁控制器和励磁执行器，所述扭矩控制系统中所述扭矩控制系统为外环，包括所述扭矩控制器和通过所述励磁控制回路与所述扭矩控制器连接的所述测功机。所述转速控制系统包括油门控制回路和转速控制回路，所述转速控制系统中所述油门控制回路为内环，包括相互连接的所述油门控制器和所述油门执行器，所述转速控制系统中所述转速控制回路为外环，包括所述转速控制器和通过所述油门控制回路与所述转速控制器连接的所述发动机。当需要执行所述恒扭调节控制策略时，所述上位机将模糊pid控制算法程序写入励磁控制器、励磁执行器、扭矩控制器、转速控制器，油门控制器和油门执行器的pid运算单元中，所述上位机通过将给定的扭矩输入到所述扭矩控制器并通过所述扭矩控制回路和所述励磁控制回路来控制所述测功机实际输出的扭矩，所述上位机通过将给定的转速输入到所述转速控制器并通过所述转速控制回路和所述油门控制回路来控制所述发动机实际输出的转速，且所述油门控制系统通过油门对扭矩的传递函数g2(s)来所述扭矩控制系统的输出施加外加干扰，所述励磁控制回路通过测功机励磁对转速的传递函数g1(s)来对所述转速控制系统的输出施加外加干扰。

所述下位机还包括所述测控模块，所述测控模块包括用于测量所述测功机的励磁的电流传感器、测量所述测功机扭矩的应变式传感器、测量所述发动机转速的霍尔传感器和测量所述油门开度的电位器，所述测控模块连接所述上位机以向所述上位机传送其测控信息。所述发动机上设有pt100铂热电阻、热电偶和压力变送器，所述pt100铂热电阻通过热电阻测温模块ican5502连接所述上位机以将其测量的低温信号上传至所述上位机，所述热电偶通过热电偶测温模块ican6605连接所述上位机以将其测量的高温信号上传至所述上位机，所述压力变送器通过模拟量输入模块ican3800连接所述上位机以将其测量的压力信号上传至所述上位机；通过电子称来测量油耗，所述电子称连接所述上位机以将其测量的油耗信号传至所述上位机。所述热电阻测温模块ican5502、热电偶测温模块ican6605、模拟量输入模块ican3800和所述电子称均属于所述下位机。因此，所述下位机通过can总线接收集所述上位机指令进行算法控制，实现对所述发动机试验台架试验过程的自动控制；同时，所述上位机也通过can总线接收所述下位机的信息反馈，达到整体监控要求。所述上位机输出的励磁和油门开度等给定值通过can总线传送给所述下位机，经所述下位机处理后实现对所述发动机试验台架的自动控制。

下面以具体的数据来说明本发明所述的基于can总线的发动机台架综合测试控制系统的有益效果，表1记载了十三工况下设定值与实际值：

表1十三工况下设定值与实际值对比表

图9～图11均以表1为基础绘制的工况图，请参考图9，图9为在所述增量pid控制算法的控制下，所述上位机绘制的的工况过渡曲线图；请参考图10，图10为在所述模糊pid控制算法的控制下，所述上位机绘制的工况过渡曲线图；请参考图11，图11为欧洲esc十三工况上位机绘制的曲线图。通过比较图9～图11可知，采用所述模糊pid控制算法来通过调整所述发动机的油门开度和所述测功机的励磁来控制所述发动机的转速和扭矩，使得发动机从前一稳定工况转换到后一稳定工况的过程变得更平滑，没有使得发动机转速出现太大的振荡，从而使控制更加精确和平稳，最终各参数稳定后的稳态误差也更小。其余的所述控制策略简单且能够自动的调整和监控发动机的运行状态。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。