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          EEPW首頁(yè) > 工控自動(dòng)化 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

          發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

          作者:薛大偉,李鑫源,初巖,紀(jì)鑫,劉尊民(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,青島 266525) 時(shí)間:2021-12-07 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:為解決特種工程車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)水泵持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)能耗較大,且在極寒天氣下暖機(jī)慢的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)水泵控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為下位機(jī)控制模塊和上位機(jī)測(cè)試平臺(tái)兩大部分。其中下位機(jī)部分對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)工況,對(duì)水泵前端電磁離合器的吸合進(jìn)行精確控制,從而實(shí)現(xiàn)水泵的啟??刂啤I衔粰C(jī)部分主要實(shí)現(xiàn)下位機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的記錄和分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)特種車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的快速暖機(jī)和運(yùn)行過(guò)程中水泵的實(shí)時(shí)啟停控制,具有應(yīng)用推廣價(jià)值。

          作者簡(jiǎn)介:

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202112/430151.htm

          薛大偉(1999—),男,本科,車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)。

          劉尊民(1980—),通訊作者(指導(dǎo)老師),男,博士,副教授,主要從事過(guò)程控制、ITS。

          教師評(píng)語(yǔ):該論文總體不錯(cuò),可以發(fā)表。

          0   引言

          當(dāng)前水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過(guò)傳動(dòng)皮帶進(jìn)行連接,發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后與曲軸轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),不能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的冷卻需求自動(dòng)調(diào)節(jié),主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:①低溫環(huán)境下水泵持續(xù)運(yùn)行,不能保證快速暖機(jī)的需求。②發(fā)動(dòng)機(jī)低扭矩平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中水溫較低時(shí)不能自動(dòng)啟??刂疲瑢?dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性略差。國(guó)內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻相關(guān)理論方法方面有諸多研究,并提出了高效率的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻方案,如法雷奧公司1999年提出了智能熱調(diào)控電子調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)[1];天津大學(xué)楊鴻鑌對(duì)冷卻系統(tǒng)控制策略和控制效果進(jìn)行了研究[2];吉林大學(xué)呂良建立冷卻系統(tǒng)傳熱動(dòng)力學(xué)模型[3],并提出相關(guān)控制方法。但是,在應(yīng)用方面尚缺少低成本、穩(wěn)定可靠的成熟產(chǎn)品。

          針對(duì)上述問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)控制水泵系統(tǒng),冷卻水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶通過(guò)電磁離合器連接,采用自適應(yīng)算法控制水泵合理啟停,同時(shí)開(kāi)發(fā)上位機(jī)測(cè)試軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫及電磁開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和在線(xiàn)分析,可實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境下特種車(chē)輛的快速暖機(jī),并在一定程度上提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

          1   系統(tǒng)工作原理

          系統(tǒng)分為上位機(jī)部分及下位機(jī)部分:下位機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集及對(duì)電磁離合器的控制等硬件功能;上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)及報(bào)表等軟件功能。該系統(tǒng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)自身的溫度傳感器,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫信號(hào)進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。水溫信號(hào)通過(guò)傳感器傳遞給A/D轉(zhuǎn)換器,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞給控制器??刂破饔蓪?zhuān)用電源供電,寫(xiě)入控制模塊的程序根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)發(fā)出不同指令,控制繼電器動(dòng)作。繼電器直接控制水泵電磁離合器的動(dòng)作,進(jìn)而控制水泵的啟停。為了避免頻繁震蕩,電磁離合器動(dòng)作后延時(shí)20 s,再次判斷水溫信號(hào)是否對(duì)離合器進(jìn)行輸入信號(hào)控制。以水溫信號(hào)為基礎(chǔ)控制電磁離合器吸合,在該項(xiàng)目中分兩步進(jìn)行,初期采用信號(hào)邏輯控制方式,當(dāng)溫度大于100 ℃,輸入高電平時(shí),控制離合器吸合;溫度小于95 ℃,輸入低電平時(shí),控制離合器分離,發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)完成后,通過(guò)自適應(yīng)控制算法,實(shí)現(xiàn)水泵合理的啟停時(shí)間優(yōu)化,以達(dá)到降低油耗的目的。硬件系統(tǒng)控制模塊的程序同時(shí)輸出信號(hào),通過(guò) 模塊輸出到電腦中與上位機(jī)進(jìn)行通信,硬件系統(tǒng)中控制溫度及延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度可由上位機(jī)設(shè)定,采集發(fā)動(dòng)機(jī)水溫信號(hào)的頻率可由上位機(jī)設(shè)定為:1 s、2 s、5 s、30 s、1 min、3 min。上位機(jī)主要采集水溫信號(hào)及輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào),其功能為:實(shí)時(shí)顯示水溫信號(hào)及開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào);存儲(chǔ)水溫歷史數(shù)據(jù)、報(bào)表;實(shí)時(shí)曲線(xiàn)顯示、生成完整的系統(tǒng)日志文件。

          2   硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

          系統(tǒng)硬件主要由系統(tǒng)供電模塊、控制模塊、信號(hào)輸入模塊、串口通信模塊、繼電器輸出模塊等組成,如圖1 所示。

          1638843978498406.png

          圖1 硬件系統(tǒng)組成

          圖中:

          1)電源模塊:12 V 轉(zhuǎn)為5 V 穩(wěn)壓電源。

          2)控制模塊:工業(yè)級(jí)微處理器。

          3)信號(hào)輸入:熱電阻溫度信號(hào),經(jīng)信號(hào)調(diào)理與A/D

          轉(zhuǎn)換后輸入MCU。

          4)串口通信模塊:采用 芯片,與上位機(jī)通信。

          5)繼電器輸出模塊:采用車(chē)用75 A 繼電器模塊。

          2.1 串口通信模塊

          該系統(tǒng)與上位機(jī)的通信方式選擇 有線(xiàn)通信,RS485 接口在總線(xiàn)上允許連接多達(dá)128 個(gè)接收器,RS485 接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器的差分接收器組合,抗共模干擾能力強(qiáng)。由于微控制器與RS485 的輸入、輸出電平不同,因此采用MAX485 芯片進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。為了增加模塊的抗干擾能力,電路中的電源端增加一個(gè)0.1 μF 無(wú)極性電容接地。

          2.2 繼電器輸出模塊

          本設(shè)計(jì)采用車(chē)用75 A 繼電器模塊作為控制開(kāi)關(guān),以水溫信號(hào)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁離合器吸合的控制。繼電器的信號(hào)輸出電路接在單片機(jī)的P2.1 口,在單片機(jī)懸空的I/O 口引腳上拉10 kΩ,減少噪聲等的干擾,單片機(jī)通過(guò)對(duì)溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)本身設(shè)定溫度進(jìn)行比較,控制繼電器的吸合,進(jìn)而控制水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

          1638844129507042.png

          圖2 繼電器信號(hào)輸出電路

          3   上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

          3.1 程序設(shè)計(jì)

          3.1.1 主程序設(shè)計(jì)

          系統(tǒng)主程序主要完成系統(tǒng)初始化,等待系統(tǒng)初始化完成之后,調(diào)用溫度采集子程序,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度進(jìn)行采集,然后調(diào)用開(kāi)關(guān)量控制子程序,對(duì)采集到的溫度與設(shè)置好的溫度進(jìn)行對(duì)比,輸出開(kāi)關(guān)控制量。具體流程圖如圖3。

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          圖3 主程序流程框圖

          3.1.2 開(kāi)關(guān)量控制流程設(shè)計(jì)

          開(kāi)關(guān)量輸出主要功用是輸出繼電器控制信號(hào),完成電磁離合器的吸合與分離,有效可靠底使執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作,而且不受其他因素的影響。溫度采集電路和繼電器控制電路與RS485 總線(xiàn)相互完全隔離,與整個(gè)系統(tǒng)隔離。

          3.2 數(shù)據(jù)通信

          軟件設(shè)計(jì)中硬件系統(tǒng)與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信采用中斷方式,其通信協(xié)議如下:

          1)設(shè)定延時(shí)時(shí)間:$ST01XX!,延時(shí)時(shí)間設(shè)定成功返回:$SV01!,讀取延時(shí)時(shí)間:$RE01!,讀取延時(shí)時(shí)間返回:$RE01XX!,其中XX 為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。

          2)設(shè)定啟動(dòng)溫度:$ST02XX!,設(shè)定成功返回:$SV02!,讀取啟動(dòng)溫度:$RE02!,讀取啟動(dòng)溫度返回:$RE02XX!。

          3)讀取溫度指令:#RD01 !,讀取開(kāi)關(guān)量指令:#SW01 !,收到溫度數(shù)據(jù):#RD01XXX.X<n>,收到開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù):#SW01X<n>,其中XXX.X 表示十六進(jìn)制數(shù)據(jù),X 采用二進(jìn)制,即0 為關(guān),1 為開(kāi)。

          3.3 監(jiān)控中心客戶(hù)端軟件實(shí)現(xiàn)

          監(jiān)控中心軟件由模塊化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的,其主要功能包括串行口設(shè)置(設(shè)置、選擇串口、選擇通信波特率等參數(shù),可進(jìn)行通信測(cè)試)、系統(tǒng)標(biāo)定設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)顯示、歷史數(shù)據(jù)處理等。系統(tǒng)功能模塊如圖4 所示,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)界面如圖5 所示。

          image.png

          圖4 系統(tǒng)軟件功能模塊

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          圖5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)界面

          4   結(jié)束語(yǔ)

          新型自適應(yīng)水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶通過(guò)電磁離合器連接,該系統(tǒng)前期采用邏輯方式控制電磁離合器的吸合,完成發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)工作,之后通過(guò)自適應(yīng)控制算法,實(shí)現(xiàn)水泵合理的啟停時(shí)間優(yōu)化。自適應(yīng)水泵系統(tǒng)通過(guò)電磁離合器對(duì)水泵的控制實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)的快速暖機(jī);通過(guò)自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)適時(shí)非持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。

          參考文獻(xiàn):

          [1]盧廣峰,郭新民,孫運(yùn)柱,等.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].農(nóng)機(jī)化研究,2002(2):129-132.

          [2]楊鴻鑌,劉海峰,王滸,等.基于外特性前饋和模糊控制反饋的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)控制策略研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,202041(3):68-76,85.

          [3]呂良,陳虹,宮洵,等.汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)建模與水溫控制[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2019,53(6):106-116.

          [4]任家潮.關(guān)于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵研究進(jìn)展分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2018(17):107-108.

          [5]高猛.工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)自調(diào)角節(jié)能冷卻風(fēng)機(jī)研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2012.

          [6]王旭東.汽車(chē)電子控制裝置與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

          [7]劉金琨.智能控制[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

          [8]韓冰.智能自適應(yīng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[M].科技信息.2010.

          (本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期)

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