一  工作原理

1．概述

NCK2000發(fā)動機測控系統(tǒng)是為各類發(fā)動機臺架試驗設計的專用設備,與各種型號的測功器配套使用,自動測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、扭矩、油耗和多路溫度、壓力等參數(shù),采用計算機技術(shù),實現(xiàn)發(fā)動機各種試驗工況的自動控制。

系統(tǒng)配接大屏幕顯示器實現(xiàn)操作室內(nèi)外試驗參數(shù)同步顯示,NCK2000系統(tǒng)可配接上位機系統(tǒng),實現(xiàn)遠程控制、報表編輯和曲線擬合等一系列功能。

NCK2000系統(tǒng)以80196單片機為核心,改變了傳統(tǒng)的模擬控制方式,采用先進的數(shù)字控制技術(shù),全數(shù)字化操作,使操作更為直觀；模塊化設計,可靠性得到提高,通過不同形式的模塊組合,可同時滿足發(fā)動機制造廠家、科研單位和大專院校等對發(fā)動機試驗的不同需要。

2 測量

    測量參數(shù)有轉(zhuǎn)速、負荷、油耗、壓力、溫度及油門和水門位置反饋。

2.1 轉(zhuǎn)速測量與上位機 

      轉(zhuǎn)速測量原理如圖1。

圖1  轉(zhuǎn)速測量原理圖

       磁電式測速傳感器拾取測速齒輪的信號,將測速脈沖送入整形放大電路,經(jīng)計數(shù)器計數(shù)后變?yōu)橄鄳霓D(zhuǎn)速數(shù)字信號。轉(zhuǎn)速信號的計數(shù)采用等精度測量法,由外部輸入的5ms脈沖信號控制計數(shù)器計數(shù),具有較高的采樣頻率和測量精度。

2.2 負荷、溫度、壓力、油門和水門位置反饋測量

    這些參數(shù)均屬模擬量,其測量原理如圖2。

圖2 模擬量測量原理

2.2.1 負荷測量

    測功器吸收的負荷通過測功器連桿傳到拉壓傳感器上,當傳感器得到正常的供給電源時,在測功器外殼的作用下,傳感器就會有微弱的電信號輸出,該信號與傳感器所受的外力成正比。通過高精度直流放大器放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成相應的負荷數(shù)字信號。

2.2.2 溫度測量

    Pt100熱電阻或K分度熱電偶等溫度傳感器能產(chǎn)生與溫度成一定比例的電壓信號,該信號經(jīng)高精度直流放大器放大后,做A/D轉(zhuǎn)換得到相應溫度的數(shù)字信號。

2.2.3 壓力測量

    壓力變送器在得到正常的工作電源時,產(chǎn)生與被測壓力成正比的電流信號,由電流/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號, 該信號經(jīng)高精度直流放大后,做A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生相應的壓力數(shù)字信號。

2.2.4 油門和水門位置反饋

    油門和水門執(zhí)行器產(chǎn)生與其位置開度值成正比的電壓信號,反饋至高精度直流放大器放大后,做A/D轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生與油門和水門開度值成比例的數(shù)字信號。

   轉(zhuǎn)速、負荷的測量信號,一方面作為測量參數(shù),經(jīng)相關(guān)數(shù)值運算和處理后,送顯示和通信輸出;另一方面,作為受控參數(shù),將以反饋信號的形式參與控制運算。

2.3 油耗測量

    油耗測量采用獨立的結(jié)構(gòu),油耗測量儀與上位機之間通過CAN總線或232串行接口進行數(shù)據(jù)通信,實現(xiàn)測量結(jié)果和控制信號的相互傳輸, NCK2000控制油耗儀啟動或停止測量,同時接收油耗儀的測量數(shù)據(jù),將油耗測量結(jié)果經(jīng)處理后,供顯示、打印和通信輸出。油耗測量原理請參閱《HZB2000油耗測量儀用戶手冊》。

3． 計算

    轉(zhuǎn)速、負荷、油耗等測量參數(shù)經(jīng)相應數(shù)據(jù)處理后,得到扭矩、功率、油耗率等測量結(jié)果,其計算公式為:

 扭矩:  Me=0.9549*W  Me—扭矩(N·m)  W—負荷(N)

 功率:  Pe=n*W/10000  Pe—功率(kw)  n—轉(zhuǎn)速(r/min) W—負荷(N)

 油耗量: Gf=(ΔG/Δt)*3.6   Gf—油耗量(kg/h)   ΔG—油耗質(zhì)量(g)  Δt—油耗時間(s)      

 油耗率: Ge=(Gf/Pe)*1000  Ge=油耗率(g/kw.h)  Gf—油耗量(kg/h)   Pe—功率(kw)

4． 控制

NCK2000系統(tǒng)以雙回路數(shù)字調(diào)節(jié)器為核心,配以油門執(zhí)行器和水門執(zhí)行器等功能部件,綜合轉(zhuǎn)速、扭矩、油門和水門位置反饋等測量信號,實現(xiàn)計算機數(shù)字控制?？刂苹芈贩譃橛烷T控制回路和測功器控制回路,其中油門控制回路有油門恒位置控制和恒轉(zhuǎn)速控制兩種方式。測功器控制回路有測功器恒位置控制、恒扭矩控制、平方特征控制、恒轉(zhuǎn)速控制四種方式,其控制原理分別如圖4-1至4-5。

圖4-1  油門恒位置控制

圖4-2  油門恒轉(zhuǎn)速控制

圖4-3  測功器恒位置控制

圖4-4  測功器恒扭矩控制

圖4-5  測功器恒轉(zhuǎn)速控制

    系統(tǒng)測量的轉(zhuǎn)速、負荷、油門和水門位置信號作為反饋信號與操作面板的控制設定值同時送入數(shù)字調(diào)節(jié)器,由軟件作控制運算,數(shù)字調(diào)節(jié)器的運算結(jié)果以脈寬調(diào)制的形式輸出,經(jīng)功率放大后驅(qū)動油門執(zhí)行器和電動排水閥,完成相應的動作,形成閉環(huán)控制,隨油門執(zhí)行器開度位置的改變直接調(diào)節(jié)發(fā)動機噴油量,從而改變發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。隨電動排水閥開度位置的改變直接調(diào)節(jié)測功器所吸收扭矩值的大小,從而改變發(fā)動機的負載。這樣可根據(jù)需要使發(fā)動機運行在不同的工況下,完成各種試驗。其中的測功器平方特性控制方式是測功器恒扭矩控制的一種特殊形式,在這種控制方式下,發(fā)動機所承受的負載(扭矩值)與轉(zhuǎn)速的平方成正比。其計算公式如下:

    M=kM₀(n/n₀)²

    其中: M—扭矩設定值(單位: N·m);

         k —比例系數(shù)(0.000—1.000,由面板給定);

         n —實際轉(zhuǎn)速(r/min);

         n₀—最高轉(zhuǎn)速(r/min)

    5． 擴展功能

    NCK2000系統(tǒng)在上述測量控制功能的基礎上,可根據(jù)需要方便地擴展大屏幕顯示、油耗測量、上位機通信等一系列功能。

    5.1 大屏幕顯示

    通過CAN總線（RS232）通信接口,按約定的通信格式,將數(shù)據(jù)發(fā)送至大屏幕顯示器,可在大屏幕顯示器和NCK2000顯示面板之間實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、油耗率等參數(shù)的同步顯示。

    5.2 試驗報告打印輸出

    上位機系統(tǒng)可實現(xiàn)試驗報告的曲線擬合和數(shù)據(jù)報表的打印輸出。

    5.3 上位機通信控制系統(tǒng)

NCK2000系統(tǒng)通過CAN接口可與上位計算機連接,實現(xiàn)試驗過程遠程控制,試驗結(jié)果報表編輯,曲線擬合等一系列功能。

采用圖形操作界面,使用方便,功能強勁。

   5.4 擴充功能

    NCK2000系統(tǒng)常規(guī)提供轉(zhuǎn)速、負荷、油耗、1路壓力、2路溫度,1路排溫及油門和水門位置反饋標準模擬輸入通道,用戶可根據(jù)需要方便地擴展更多輸入模擬通道,以滿足不同的試驗需要。

二  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    1 儀器組成

    NCK2000系統(tǒng)包括NCK2000發(fā)動機控制單元(操作臺)、測速傳感器、拉壓傳感器、油門執(zhí)行器、電動排水閥、溫度傳感器、壓力變送器（或遠傳壓力表）等基本功能部件,大屏幕顯示器、油耗測量儀、打印機、上位計算機和其它可根據(jù)用戶特殊要求擴展功能部件。

    2 NCK2000操作臺

    NCK2000操作臺是NCK2000系統(tǒng)的核心,通過對各種輸入信號的處理,完成顯示、通信等輸出功能,同時通過功能強大控制軟件,完成對執(zhí)行機構(gòu)的控制,實現(xiàn)發(fā)動機工況的自動控制。

    直流放大電路: 對各類傳感器產(chǎn)生的模擬信號進行精密放大,送入A/D轉(zhuǎn)換,將直流放大后的模擬信號精確轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字信號。

    測速傳感器: 安裝在測功器上,將發(fā)動機主軸輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成相應的脈沖信號。

    拉壓傳感器: 安裝在測功器上,將測功器所受的外力轉(zhuǎn)換成相應的電信號。

    油耗測量儀: 安裝在油箱與發(fā)動機之間,獨立完成油耗測量功能。

    油門執(zhí)行器: 與發(fā)動機油門連接,通過調(diào)節(jié)發(fā)動機的油門開度控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速,同時將位置開度信號反饋給控制系統(tǒng)。

    水門執(zhí)行器: 安裝在測功器排水出口處,通過控制測功器吸收的扭矩調(diào)節(jié)發(fā)動機的負載,同時將水門開度位置信號反饋給控制系統(tǒng)。

    溫度傳感器: 安裝在各被測介質(zhì)處,將溫度轉(zhuǎn)換成相應的電信號。

    壓力變送器: 安裝在被測壓力管路上,與管路相連通,將壓力轉(zhuǎn)換成相應的電流信號。

    電源系統(tǒng): 為各部分電路提供正常的工作電源,確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行 

三  安裝

    打開儀器包裝箱,去除所有運輸保護物品,在安裝前請仔細閱讀本章內(nèi)容。

    安裝包括測速傳感器、拉壓傳感器、油門和水門執(zhí)行器、溫度傳感器、壓力變送器及NCK2000操作臺等部分的安裝。測速傳感器和拉壓傳感器在出廠時均已安裝在測功器上,并且調(diào)整在最佳安裝位置,在無異常情況時,無需重新安裝調(diào)整,如確需重新調(diào)整時,則遵循以下原則:

    ※ 測速傳感器重新安裝后,其固定螺母必須擰緊,防止由于臺架振動引起傳感器松脫而打壞,傳感器與測速齒輪間隙應保證在0.5mm～1.5mm之間。

    ※ 拉壓傳感器重新安裝時,應注意保護傳感器不受外力沖擊,以免損壞傳感器。安裝后檢查傳感器與測功器外殼和底座的兩連接部位應無卡阻現(xiàn)象,上下連桿與傳感器連接部位應用螺母鎖緊,以免影響測量精度。

     ※ 油門執(zhí)行器可根據(jù)發(fā)動機的油門形式,選擇合理的安裝位置,執(zhí)行器必須安裝牢固,不得有松動等現(xiàn)象。執(zhí)行器與發(fā)動機間的連接建議選擇剛性桿,在聯(lián)接處安裝萬向節(jié)軸承,確保連接可靠,運轉(zhuǎn)靈活。

    ※水門執(zhí)行器在出廠時已安裝在測功器上,并調(diào)整在最佳狀態(tài),用戶只需在執(zhí)行器的出口處按相應接口螺紋安裝排水管即可正常使用。

    ※溫度傳感器可根據(jù)需要安裝在被測介質(zhì)處,溫度傳感器前端至少2/3部分必須伸入被測介質(zhì),并保證接口處的密封性。

    ※壓力變送器: 可根據(jù)需要安裝在被測管路上,壓力變送器的安裝要避免強烈的振動環(huán)境,對有強烈振動的管路可設置1m左右的引導管路,使壓力變送器減緩振動。

    NCK2000操作臺應安裝在發(fā)動機試驗間的隔室,避免長期受油氣和水氣的侵蝕,同時也可減少噪聲對操作者的影響。操作臺應放置在堅固平整的地面上,避免強烈陽光的直射,同時應避免長期處于高溫和高濕環(huán)境中。