基于VB的发动机监控系统的设计和试验

路 斌，孟育博，李清博，杨 光

(华北水利水电学院，河南郑州450045)

面对世界石油资源的匮乏和全球环境的恶化，对发动机动力性、经济性和排放性能的要求越来越高，尤其是面对日益严格的排放法规，发动机应用电控系统控制排放是大势所趋.相比汽车发动机电控系统开发应用的广泛度，我国在以摩托车及农用机械发动机为代表的单缸小排量发动机电控系统方面的开发应用远远不够.

而在发动机电控系统开发过程中，需要对发动机的各种运行参数进行实时监控，记录各种相关试验数据信息，分析各工况运转特性，为发动机控制策略的不断修正和改进提供依据.笔者针对小排量单缸发动机电控系统，设计开发出一套界面良好、功能完善的发动机运行监控系统.该系统结构简单，操作方便［1－2］.

1 发动机监控系统设计

单缸发动机运行工况复杂，运转不稳定［3］.基于单缸发动机的特性，其目标怠速相对多缸发动机要高.为保证运行的稳定性，通过对怠速阀的控制来调节怠速进气量，使发动机转数稳定在目标怠速附近.

1.1 监控系统功能

发动机监控系统由上位机和下位机组成，下位机为发动机电控系统主控单元(ECU).该ECU为自主研发的基于飞思卡尔MC9S12XS128单片机的电控系统.在ECU中设计串口通信模块，通过中间的接口电路，与上位机进行数据传输.上位机为基于PC机的发动机试验监控软件.发动机监控系统结构如图1所示，其主要功能有:运转参数的采集、显示、在线调整(主要针对怠速和不稳定工况)及储存和离线分析.

1.2 监控系统软硬件设计

该系统主控芯片为MC9S12XS128单片机，内含2个串行通信接口(SCI).SCI为一个通用的异步接收器/发送器的异步通信接口，支持RS－232串行通信协议.试验采用SCI作为通信接口［4］.

1.2.1 通信协议设计

该系统的串口通信协议包含有:物理层，数据链路层和应用层等.

物理层和数据链路层协议即为底层通信协议，规定了电子电气方面的特性及原始位流在物理链路上的传输，提供了原始位流的传输通道.应用层协议定义了数据帧作为信息传输单元，用来区别不同数据类型，保证传输通道可靠有效.通信协议的设计主要是针对应用层协议的设计.

本次试验通信协议设计见表1.经验证这样的通信协议为数据的准确传输提供了充足的信息，能够保证数据传输的可靠性［5］.

图1 监控系统总体结构

表1 应用层通信协议

1.2.2 下位机和上位机的设计

下位机是ECU内和上位机进行数据传送和接收的通信模块，采用查询发送和中断接收方式，每100 ms向上位机发送一次基于应用层通信协议打包好的数据.

上位机用VB串口控件MSComm实现数据通信.

1.2.3 上位机的软件架构

基于VB开发的上位机要用到时间控件，该控件可以设定一个固定的时间触发一个事件，在该事件里包含了数据接收、数据处理、数据显示、速度－时间绘图等流程.时间控件的触发频率可以改变.针对下位机100 ms的发送频率，设定时间控件100 ms触发一次该事件，即可满足要求.

1.2.4 上位机的人机界面

系统界面设计如图2所示.由图2可知，该监控系统可以实现数据的实时显示、图形的显示以及后台数据的保存.其中，图形显示可以较直观的方式反映转速的变化、油门踏板位置和工况等.该监控系统的修正和发送按钮可分类设置，并可调整步长把发送和接收的数据包显示在主控界面上，以便检查和调整.

图2 PC机监控界面

2 发动机怠速PID参数整定

2.1 PID 原理

发动机怠速系统为一个非线性系统，受怠速阀响应特性、进气压力波动、燃烧特性、惯量动态特性等影响，其控制算法十分复杂.目前，发动机的怠速控制主要采用 PID 控制［6－7］.

试验中采用固定PID参数，并采用对计算出的怠速阀开度进行干扰项补偿的方式进行控制.控制系统如图3所示.其中，PID调节器采用增量式PID控制算法.

图3 PID怠速控制系统

2.2 试验结果分析

试验台架采用嘉陵600单缸水冷摩托车发动机.试验中，通过上位机设定目标怠速.

采用经验试凑法对PID控制器的参数进行整定.使用监控系统界面，对PID参数逐步进行修改优化，同时观察监控系统图形界面速度曲线的波动趋势，最终使速度曲线在目标怠速处上下波动，并趋于稳定，此时即可确定PID控制器的3个参数.

在PID控制器参数整定的过程中，充分体现了该监控系统的方便性，增加了步长设置的灵活性，大大节省了整定时间.通过发动机监控系统的数据采集及离线分析，得到图4所示的发动机转速曲线.

图4 PID怠速控制实测曲线

由图4可知，该怠速控制系统成功地将发动机转速控制在1 600 r/min的目标怠速附近，确保了摩托车发动机运行的稳定性.

3 结语

针对摩托车发动机电控系统开发出一套发动机实时监控系统.该监控系统基于 VB6.0，使用了MSComm控件实现了上位机与下位机的串行通信，界面友好，操作便捷，为摩托车等小排量单缸发动机电控系统的开发和电控发动机运转参数的标定及优化提供了理想的平台.经验证，该监控系统的数据传输可靠性高，数据采集实时、精确、高效.

［1］龚长青，韩加蓬，高松.摩托车发动机电喷开发系统数据通信的研究［J］.小型内燃机与摩托车，2006，35(4):42－44.

［2］刘炳国，赵以强.电控汽油机运行参数监控系统设计［J］.农业装备与车辆工程，2009(5):14 －16.

［3］顾建斌，时凯.模糊PID控制在发动机怠速控制中的仿真［J］.现代车用动力，2007(3):29－31.

［4］郑俊强.氢燃料发动机电控系统软件开发［D］.郑州:华北水利水电学院，2011.

［5］徐翠琴，吴蕾，全书海.基于VB的燃料电池发动机监控系统设计［J］.微计算机信息，2007，23(3－1):21－23.

［6］樊林，裴普成，杨武，等.电控汽油机怠速控制方式［J］.汽车工程，2002，24(6):490 －493.

［7］程庆，黄河，吴平友.发动机怠速智能控制系统的研究［J］.传动技术，2003，17(4):31 －34.