汽车离合器综合性能试验台性能检测平台软件设计

赵银花，张玉玲，杨慧香

（1.长春工业大学 软件职业技术学院，吉林 长春 130022；2.长春工业大学 机电工程学院，吉林 长春 130012）

0 引 言

离合器是汽车传动系中的重要传动部件，离合器质量是判断汽车安全性能优劣的重要指标［1］，为了保证汽车行驶的安全性，离合器生产厂家在批量生产离合器时必须对其性能指标进行严格检测。汽车离合器综合性能试验台是能够较完善地测试出汽车离合器性能指标的硬件设备，在拥有较为完善的测控硬件设备基础上，软件设计在很大程度上决定了综合性能试验台性能的优劣。试验台软件的各项功能之间既相互独立又相互依赖，这就给程序的设计带来一定的难度。软件一方面要充分表达各模块的功能；另一方面还要在相对独立的基础上建立彼此功能上的交互关系。传统的结构化程序设计方法具有数据和计算分离、前后处理不够灵活、数据冗杂等弊端［2］，很难完成这一功能，VC＋＋是在Windows平台下构建的强大而又复杂的开发工具，是目前世界上使用最多的开发工具之一［3］。

采用VC＋＋设计的汽车离合器综合性能试验台主要由主机、硬件部分、软件部分组成。主机是对离合器综合性能进行检测的基础。硬件部分是实现各种传感器的数据采集和试验台进行动作的硬件基础。软件部分进行数据采集、数据处理、分析和显示，完成试验动作的控制。试验台软件设计包括数据采集、数据处理和控制模块的设计。在Windows环境下采用VC＋＋作为开发工具，设计的离合器综合性能试验台软件实现了对压盘温度、压紧力、摩擦力矩和主、从动轴转速以及试验台状态的信号采集和数据的分析、显示、存储及试验台的实时控制。

1 汽车离合器综合性能试验台硬件结构与工作原理

汽车离合器综合性能试验台测控系统I／O点数众多，控制过程较复杂，控制现场数据量大，结合实际工况，汽车离合器综合性能试验台采用研华工控机作为上位机，三菱PLC作为下位机，上、下位机通过串口进行通信。试验台控制与检测硬件系统主要由工控机、数据采集卡和PLC以及直流电机、温度传感器、测力传感器、从动轴转速传感器、扭矩传感器、主动轴转速传感器、位移传感等器件构成。

试验台硬件结构如图1所示。

图1 试验台硬件结构示意图

工控机是信息处理的中心，用于提供良好的人机界面、输入和存储被试汽车离合器的信息，编写、存储和运行试验程序。每次试验时，工控机读取程序加载，将命令发送给PLC，PLC通过与工控机的通信控制直流电机和液压系统，使这些设备按照试验要求实时发出动作。同时，PLC将相关信号传递给工控机，工控机将所得数据运算后，再发出指令，从而更优地控制直流电机和液压系统。传感器采集的数据通过数据采集卡传递给工控机，工控机对试验结果数据扭矩传感器的扭矩信号、温度传感器的温度信号等进行处理，并将试验结果以曲线形式实时输出，完成试验。

2 软件总体框架设计

汽车离合器综合性能试验台软件设计是采用VC＋＋作为开发平台，通过数据采集卡采集数据并传入工控机显示、分析、存储，工控机最终控制电机和液压系统完成试验要求的动作。试验台软件总体设计如图2所示。

图2 试验台软件设计总体框图

软件设计主要由数据采集模块、数据处理模块和控制模块组成。数据采集模块包括传感器标定、数据采集程序设计，完成传感器标定，以及对压盘温度、压紧力、摩擦力矩、转速等信号进行连续采集。数据处理模块包括实时显示、数据保存、数据回放、数据分析、数据库管理，主要作用是经过一定的信号调理和转换后，将测试结果在显示器上实时显示出来，通过一定的处理方法，进行数据回放和曲线分析。控制模块包括热负荷试验控制模块、静摩擦实验控制模块、滑动摩擦实验控制模块、耐磨损性能试验控制模块，控制系统完成试验。

3 数据采集模块设计

3.1 传感器标定

为了保证测量精度，传感器在使用前需要进行标定，传感器的标定就是通过试验确立传感器的输入量与输出量之间的关系，并确定出不同使用条件下的误差关系或测量精度［4］。利用已知的标准值输入到待标定的传感器中，传感器得到相应的输出量，将输出量与输入的标准量绘制成曲线即得标定曲线。按传感器的种类和使用情况不同，其标定方法也不同。传感器标定时应该在与其使用条件相似的状态下进行；不断增加重复标定的次数，以提高测试精度；而且传感器需定期标定。

3.2 数据采集程序设计

接通电气控制柜电源，启动控制软件并自动进入相关程序，此时屏幕将显示“测试系统”主界面，在自动状态，当按下“开始”按钮，电气控制柜控制主机进行试验动作，同时计算机绘制试验曲线，当试验结束时，“停止”按钮自动按下，试验结束。以下为相关数据采集程序代码：

4 数据处理模块

4.1 实时显示与存储

对传感器信号进行连续实时采集，需要控制数据采集卡连续采集数据，并配以实时的时间轴进行同步显示［5］。实时采集温度、转矩、转速和试验台状态信号。

通过对《文件》菜单中的选项选择，可以对实验数据进行存储，同时还可以读取、打印试验结果，试验测试操作界面如图3所示。

图3 试验测试操作界面

4.2 数据回放

在存入数据库的大量数据中，可以根据需要选择特定时间再动态地回放所存储的数据［6］。信号回放时，根据用户要求的不同，可以任意选择回放数据的起始位置和结束位置。在编辑框中输入回放开始时间、结束时间，通过结构化查询数据库即可实现动态图形绘制，真实再现当时的工作状态。

在数据存储过程中，可利用静态回放将实时绘制的图形保存为BMP图像文件，因此，可以利用Web浏览器直接查看已保存的图像。

4.3 数据分析

用鼠标单击主界面“试验结果”菜单选项中的“显示结果”，之后将在主窗口显示本测试的试验结果，显示结果界面如图4所示。

图4 显示结果界面

根据试验要求，得出被试汽车离合器的各项性能指标都是合格的。

5 控制模块设计

试验台控制系统由转速控制子系统、离合控制子系统和道路阻力矩控制子系统组成。转速控制子系统的控制精度直接关系到试验结果的准确性和可靠性，转速控制子系统是试验台控制的关键。PID控制结构简单，实现方便，但适应性差［7］，转速环的干扰力矩对控制效果产生较大影响，单独采用PID控制达不到系统的设计要求。模糊控制具有不依赖于对象的数学模型、鲁棒性强的特点，但其稳态精度低，单独采用模糊控制，转速的稳态误差会造成试验结果的不准确［8］。在对速度控制回路建模的基础上提出了一种基于卡尔曼滤波的模糊PID控制算法对速度进行控制，将模糊控制鲁棒性强与PID控制稳态误差小的优点结合起来，同时，采用卡尔曼滤波对转速信号进行滤波处理，降低了试验台工作现场的干扰，获得了较好的控制效果。试验台转速系统工作于干扰较大的工业现场环境中，为了提高控制和检测精度，采用对线性动态系统具有较好滤波效果的卡尔曼滤波器来抑制干扰噪声和量测噪声对系统的影响［9］。

控制器在程序中实时采集温度、转矩和转速信号，信号在经过处理后，对温度及转矩数据进行计算，完成卡尔曼滤波和复合滑模控制计算，根据计算结果设置好试验参数，把温度、转矩和转速控制指令代码发送给PLC，然后，PLC利用获得的数据控制电机和液压系统按照试验要求实现动作。

6 结 语

利用VC＋＋程序语言开发的汽车离合器综合性能试验台控制软件具有良好的操作界面，简单实用，实现了相关传感器数据采集、试验台的实时控制及系统的人机交互。经实验及实际应用结果验证，软件达到了设计要求。实现了自动测试、温度和转矩的高精度测试以及数据的显示、处理、分析，提高了检测精度和检测效率，节约了人力、物力，满足生产需要。

［1］徐石安，江发潮.汽车离合器［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［2］唐丹.异形柱框架结构计算机辅助设计系统研究［D］：［硕士学位论文］.长沙：湖南大学，2004.

［3］孙鑫，余安萍.VC＋＋深入详解［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［4］吴建平.传感器原理及应用［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［5］宋杰，何友，唐小明，等.雷达视频回波信号的实时采集、显示与存储系统［J］.数据采集与处理，2006，21（1）：90－94.

［6］马明建.数据采集与处理技术编著［M］.西安：西安交通大学出版社，2005.

［7］许玉昆，陈彬，尤传富.基于神经网络PID在直流伺服电机中的应用［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2010，31（6）：679－682.

［8］迟耀丹，艾大鹏，杨小天，等.模糊自整定PID算法在应力速度控制系统设计中的应用［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2008，29（5）：536－540.

［9］王颖超，郑琼林.异步电机无速度传感器矢量控制研究［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2009，30（2）：192－196.