一种燃油喷射系统实验台智能化改造与设计

l 前言
    燃油喷射系统是柴油机的重要组成部分，其性能的好坏直接决定了柴油机的动力性、经济性及排放性。喷浦泵是该系统中最重要的部件。燃油喷射系统实验台是调整和测试喷油泵的主要设备。6PSDl30—1型电子控制燃油喷射系统实验台是80年代的产品．其电气控制电路由大量分立元件构成，不仅测试灵敏度低，设定调整不方便，故障率高，而且电路元件大多老化和损坏。为了满足喷油次数预置、计数与计满后自动停止，以及各种相关系数的显示，采用计算机和自动控制技术，对其进行技术改造，从而实现了主轴转速预置、测速和调速等多种功能。

2 技术改造方案
    现有的6PSDl30一1型电子控制燃油喷射系统实验台属于D系列电子控制无级调速型．即晶闸管转差离合器调速实验台。该燃油喷射系统实验台的主电机功率为130 kW，主轴转速范围为120~1200 r／min，量油计数次数的基数为100次，计数次数选择范围为100～500次；其动力和控制部分采用分立元件，无试验油温监测和控制系统；量油部分采用传统的玻璃量筒目测，测试不方便且精度低。国外的燃油喷射系统实验台已开始采用微机量油及数显系统。因此，为提高测试精度，按国标要求对传统结构进行改进，要求系统达到：①数字显示压力、温度、转速与计数等参数；②燃油恒温控制在40℃；③自动控制倒油时间；④数显油量与屏幕显示油量。
    采用AT89C52单片机作为整个控制系统的核心。图1示出系统设计总体框图。它主要由传感器、AT89C52单片机、PC机、存储器及接口电路等组成翻。

    该系统利用传感器采集主轴转速、喷油压力和温度等信号，并将信号转换为相应的电压输出信号，该输出信号经信号处理电路处理后送入AT89C52单片机，在单片机内部程序以及处理电路控制下生成相应的喷油量，并由PC机显示。

3 系统硬件设计
    系统硬件设计分为喷油计数模块和主轴转速模块两大部分，后者又分为测速模块和调速模块。
3．1 喷油计数模块
    喷油计数模块由AT89C52单片机、外部数据存储器RAM6264、计数传感器、整形放大器、光电隔离电路、继电器、电磁铁、挡油板机构、PC机、RS485接口构成。图2给出喷油计数模块的硬件设计。

    从PC机键盘输入预置的喷油次数，通过PC机与AT89C52单片机的通信传送到单片机的数据存储器。按下集油按钮后，继电器吸合，通断油机构中与挡油板相连的电磁铁通电，挡油板拉出，实验油开始流入量筒，实验台处于量油状态。主轴转一圈，喷油泵喷一次油，AT89C52单片机的T0利用计数传感器输出的脉冲进行计数。当喷油次数与预置值相等时，继电器断开，使电磁铁断电，将挡油板推回，阻止喷油进入量筒，实验台处于断油状态。此时，量筒中的油量即是给定喷油次数的喷油总量。在量油的实时过程中，喷油次数从零开始显示，一直显示到预置的喷油次数。
3．2 主轴转速模块
    图3示出主轴转速模块硬件设计电路。它由AT89C52单片机、外部数据存储器RAM6264、RS485串行接口、PC机、8155可编程并行I/O器件、分频器、测速传感器、放大整形电路、触发隔离驱动电路、晶闸管和电动机组成。

    速度由PC机键盘给定，AT89C52单片机的T1计数和8155定时结合对从测速传感器来的脉冲进行计数、运算，测出实际转速。预置转速与实际转速之差经PID算法调节后输出给D／A转换器，通过触发驱动电路改变晶闸管的导通角，从而调节主轴电动机的励磁电流，以达到控制主轴转速的目的。PC机实时显示主轴电动机的转速。

4 控制算法设计及参数整定
4．1 控制算法
    由于单片机控制属于一种采样控制，它是根据采样时刻的偏差计算控制量，因此由PID调节的规律数值表达式为：

   

    由式(3)可见，增量算法只需保持实现前3个时刻的偏差值。为了提高系统的快速性，避免运算溢出，算法对偏差和控制输出限定了最大偏差量和最大输出量。
4．2 参数整定
    调速控制过程中，对象模型常采用一阶惯性加纯滞后环节来描述，其传递函数为：

   
式中：K为对象的静态增益；T1为对象的时间常数；T为对象的纯滞后常数。
    采用Cohn—Coon方法进行参数整定，根据对象的飞升实验曲线来提取对象的特征参数计算公式为：

   
    由式(5)得到K、T、τ整定出PID调节器参数。

5 系统软件设计
    系统软件设计采用模块化设计方法，主要包含PC机、AT89C52单片机和数据通信等模块。其中，PC机模块是控制中心，决定着整个系统程序的结构和流程，主要用于完成系统与操作人员的交互功能，实现参数设定、动态数据监测显示、查询标准调试数据、打印数据报表等功能。图4给出系统动态数据显示设计方案。

    AT89C52单片机模块采用MCS一51系列单片机汇编语言编写。它包括主程序设计、喷油计数程序设计、测速程序设计、调速程序设计和数据采集程序设计。AT89C52单片机模块按采样周期定时采样，并接收PC机发送的命令，对实验台自动控制；数据通信模块能实现PC机与单片机之间的数据传输。图5给出AT89C52单片机模块测速程序流程图。

　

6 系统测试与结论
    图6给出燃油喷射系统实验台的主轴转速曲线。研究表明，改造后的实验台能自动控制喷油计数和主轴转速。与原实验台相比较，省去了由分立元件组成的单元环节，提高了检测的自动化和效率，不仅工作可靠，而且使用和维修方便。