（控制理论与控制工程专业论文）换热元件试验系统改造.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 换热元件综合试验室现包括：散热器、中冷器、热交换器三个试验台，承担铁道部 产品质量监督检验中心下达的换热元件认证和检测任务，还承接换热器生产厂家的委托 检验。换热元件试验台的控制和检测全部采用手工操作，试验设备严重老化、换热元件 主要试验参数指标如加热量和通风量已满足不了目前大功率机车中冷器、电力机车油散 热器和汽车换热元件等产品的试验检测要求。本文就是以改造该试验台为背景，对加热 器的p i d 控制和p i d 参数自整定进行实际有效的温度控制研究和设计应用。 首先，本文对换热元件试验台的改造背景，对加热器控制的国内外研究现状进行基 本的介绍说明，并阐述了课题来源和研究主要内容。 其次，在深入了解试验台改造目标要求的基础上，提出设计方案，根据具有大滞后 特性的加热器的升温单向性、大惯性、大滞后等特点，提出加热器的大致数学模型，根 据实际的情况，对多种p i d 控制参数自整定算法进行比较分析和仿真试验，以确定哪一 种对本试验台改造最适合。然后就是结合对加热器的研究仿真结果，具体阐述换热元件 试验台改造的具体实现设计过程。该系统主要从上位机系统和下位机系统分别说明。上 位机是由r s 4 8 5 通信网络组成，主要负责数据的采集处理和数据通信，另外还有模块测 试标定、模块通道组态、模块通信网络等主要方面，下位机则是以可编程控制器为核心， 具有实时控制各种电机和电磁阀的正反转和启停、流量数据采集、与数据显示终端的通 信、对变频器控制以及对气加热器p i d 控制和参数自整定等功能。 本系统经过安装调试，运行稳定，各个试验的自动化程度大大提高，减少了操作者 的劳动强度。 关键词：r 8 4 8 5 网络；p i d 控制：参数自整定 大连理工大学硕士学位论文 t h es y s t e mr e c o n s t r u c t i o no f h o t - e x c h a n g ec o m p o n e n t t e s t a b s t r a c t h o t - e x c h a n g ei n t e g r a t e dl a bi n c l u d e st h r e et e s t - b e d s ：r a d i a t o r , h o t e x c h a n g e r a n d m i d d l e c o l dt e s t e r ，w h i c hb u r d e nt h et a s k so fh o t - e x c h a n g ec o m p o n e n t st h a ta r ed e l i v e r e db y r a i l w a ym i n i s t r yp r o d u c tq u a n t i t ys u p e r v i s ea n dc h e c kc e n t e r , a l s od os o m ec o m m i t t e d i n s p e c t i o nf r o ms o m eh o t e x c h a n g e r p r o d u c e r s a l lt h et e s tb e d s a r eo p e r a t e db yh a n da n dt e s t e q n i p m e n t sa r es oo l dt h a tm a n yt e s tp a r a m e t e r ss u c ha sa m o u n to fh e a r e ra n dw i n dc a n t m e e tt h ei n s p e c t i o nd e m a n do fb i gp o w e re n g i n e s ，e l e c t r i ce n g i n eo i lr a d i a t o ra n dm o t o r h o t - e x c h a n g ec o m p o n e n t s o nt h eb a s i so ft h i sc o n d i t i o n ，t h i sp a p e rw i l lc o m eu pw i t hs o m e m e a s l e st or e c o n s t r u c tt e s te n v i r o n m e n tb yr e a l i z i n gp i dc o n t r o lo fh e a t e ra n dp a r a m e t e r a u t o m a t i cs e l f - a d j u s t m e n t r e s e a r c ha n dd e s i g no ft e m p e r a t u r ec o n t r o li sv e r ys i g n i f i c a n t f i r s t l y , d e v e l o p m e n tb a c k f o u n do fh o t - e x c h a n g ec o m p o n e n tt e s t - b e da n dr e s e a r c h c o n d i t i o nt oh e a t e rc o n t r o lh o m ea n da b o a r da l ei n t r o d u c e ds i m p l y ，t h e no r i g i no ft h es u b j e c t a n dc e n t r a lc o n t e n t sa r ea l s oe x p a t i a t e d s e c o n d l y ，a f t e rt h eb a s i so fa n a l y z i n go b j e c t sa n dr e q u e s t so ft e s t - b e dr e c o n s t r u c t i n g ， c o n c r e t ed e s i g ns c h e m ei sc o m eu pw i t h a c c o r d i n gt ot h et r a i t so fh e a t i n gs i n g l ed i r e c t i o n , b i gi n e r t i a , b i gl a go f h e a t e r , m a t hm o d e lc a nb eg o t , a n da c c o r d i n gt oa c t u a lc o n d i t i o n ，m a n y a r i t h m e t i co fp i dc o n t r o lp a r a m e t e r ss e l f - a d j u s t m e n ta l ea n a l y z e da n dal o to fs i m u l a t i n g e x p e r i m e n t sa r em a d e s oa st od e c i d ew h i c hm e t h o di sb e s tf i tf o rt h i sr e c o n s t r u c to ft e s t b e d t h e ni nt h ec o m i n gc h a p t e r sc o m b m e dw i t hr e s u l t so fs i m u l a t i n go nt h eh e a t e r , c o n c r e t e r e a l i z a t i o np r o c e s si sd i s c u s s e ds t e pb y es t e p t h i ss y s t e mm a i n l yi n c l u d e sc o m p m e r s y s t e m a n d p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r s y s t e m c o m p u t e rs y s t e m i sm a d e u p w i t hr s 4 8 5 c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , w h i c hb l l r d e n st h et a s k so fd a t as a m p l i n ga n dd a t ad e a l i n ga n dd a t a c o m m u n i c a t i o n f u r t h e r m o r e ，m o d u l ed e m a r c a t i o n ，m o d d ec h a n n e lc o n f i g u r a t i o n ，m o d u l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n ds oo n t h ep l cs y s t e mi sc e n t e r e do np r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ，w h i c hc a np e r f o r mt h ef u n c t i o n so fc o n t r o l l i n gn e g a t i v ea n dp o s i t i v ew h e e l i n go f e l e c t r o m a g n e t i s mv a l v e ，s t a r ta n ds t o po fm o t o r s ，f l u xd a t as a m p l i n g ，c o m m u n i c a t i o nw i t h d a t ad i s p l a y t e r m i n a l s ，c o n t r o l l i n gt r a n s d u c e r , p i dc o n t r o l t oh e a t e ra n dp a r a m e t e r s s e l f - a d j u s t m e n tp r o c e s s a f t e ri n s t a l l i n g ，d e b u g g i n g ，t h i ss y s t e mc a nr u ns t a b l y n o we v e r ye x p e r i m e n ti m p r o v e a1 0 ti na s p e c t so f a u t o m a t i o na n dr e d u c el a b o ri n t e n s i t yo f o p e r a t o r s k e yw o r d s ：r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ；p i dc o n t r o l ；p a r a m e t e rs e l f - 目i d j u s t m e n t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：二瘁立塑金日期：世学日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可i 三l 将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 盎室巫 导师魏盟：壶 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究现状 1 1 1 国内研究现状 自7 0 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的 迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并 在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国等国 技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业 广泛应用。它们主要有如下的特点： ( 1 ) 适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。 ( 2 ) 能够适应于受控系统数学模型难以建立盼温度控制系统的控制。 ( 3 ) 能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 ( 4 ) 这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能 等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。 ( 5 ) 普遍温度控制器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温度控制器具 有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，能够根据 历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。 ( 6 ) 温度控制系统具有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。 目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型号等方面快速发展。 1 。1 2 国外研究现状 温度控制系统在国内各行业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器 来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍有较大 的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于2 0 世纪8 0 年代中后期水平，成熟产品 主要以“点位”控制及常规的p i d 控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控 制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应较高控制场合的智能化、自适应控制仪表、 国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。 目前，我国在温度等控制仪表业与国外的差距主要表现有如下几个方面： ( 1 ) 行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强， 制约技术发展。 朱云鹏：换热元件试验系统改造 ( 2 ) 商品化产品以p i d 控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。 目前，国内企业复杂的及精度高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表。 ( 3 ) 仪表控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外滞后。例 如：在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保 密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠 人工经验及现场调试来确定。 1 2 换热元件实验室特点和改造要求 换热元件综合试验室现包括：散热器、中冷器、热交换器三个试验台。该试验台现 承担铁道部产品质量监督检验中心下达的换热元件认证和检测任务，还承接换热器生产 厂家的委托检验。除此之外，该试验台的一项主要任务是满足新型换热元件产品的科研 开发工作。 随着机车、汽车、工程机械等产品的飞速发展，与之配套的换热元件新产品的品种 也是种类繁多，性能指标千差万别。同时，由于受建台时的我国综合技术水平的限制， 在控制技术、测试技术和试验设备方面等，同当前国内外先进的同类试验台相比，都存 在着较大差距。目前，我所的换热元件试验台的控制和检测全部采用手工操作。试验设 备严重老化、换热元件主要试验参数指标如加热量和通风量已满足不了目前大功率机车 中冷器、电力机车油散热器和汽车换热元件等产品的试验检测要求。 为此，我所按照铁道部机车车辆产品“上质量、上水平、上档次”的发展要求，提 出了多功能换热元件试验台改扩建项目，项目内容主要是对我所的换热元件试验台 进行扩能改造，提高试验台试验能力和测试水平，扩大换热元件检测品种的覆盖面，并 能适应新产品开发的检测需求。 该项目的初步设计于2 0 0 4 年3 月获得批准，项目改造的主要内容有： ( 1 ) 增大加热功率，提高试验台试验能力。 ( 2 ) 实现温度调节自动控制和试验数据的自动采集。 ( 3 ) 试验台布局合理，适合各种试验的顺利进行。 ( 4 ) 改造低压开关柜，便于管理和安全用电。 具体的改造可以详细如下： ( 1 ) 试验台扩能改造： 增大中冷器试验台的空气系统的加热能力，并确保风洞场内的温度的均匀度；加大 散热器试验台的通风量( 要求风机在压头5 0 0 0 p a 时，风量达到3 2 0 0 0 m 3 h ) ，增加用变 频器实现的风量控制系统；对低温水加热器、高温水加热器和油加热器进行扩能。 2 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 数据采集控制系统改造： 采用目前先进的自动控制和调节技术，在试验稳定的工况下，能对中冷器试验台的 进气温度、进高温水、进低温水和进油温度进行自动控制，达到试验要求的精度( 温度 精度在0 2 0 c ，微差压精度在2 p a 等) ，并保留手动控制的功能。采用变频器技术， 对散热器试验台的大风量风机进行无级调速，实现风量范围内的调节。对水泵、油泵、 离心风机和各种电机阀等的启停和正反转控制和异常保护等。 试验台温度控制系统数据采集的精度要求主要有：温度测量精度要求是0 1 级，静 压和动压精度要求是0 1 级，通风阻力和通水阻力精度要求是0 1 级等。 ( 3 ) 供电系统改造： 在现有的条件下，对低压开关柜重新设计改造，满足换热元件试验台的试验用电要 求，配有安全防范措施，主要有4 个加热器的控制电路和保护电路，操作台电源控制， 电脑电源控制，各个电机阀控制电源等。 ( 4 ) 基建改造： 控制室改造，尽量将控制设备、监视设备和数据采集设备移到控制室；设各地基建 设，做好电源线的防火处理和数据通信线的抗干扰措施；一些辅助设施的建设等。 1 3 课题的主要内容和本文结构 本课题的内容主要是：在深入了解了换热元件试验台改造的设计要求和需要实现的 功能后，提出自己的设计方案。本试验台中有4 个加热器，在生产或试验过程中，由于 传热问题的复杂性，一般的加热器都具有非线性、时变性、大滞后和不对称性等特点。 滞后有纯滞后和容积滞后，电加热器主要是容积滞后。于是本系统方案针对这个特点提 出了p i d 增量式控制方式和p i d 参数自整定方法研究。并把系统分为上位机系统和下位 机系统两部分，分别承担不同的任务。 本文主要分为以下几个部分： 第一章是绪论，首先介绍了换热元件试验台改造的背景，需要达到的改造目的和实 现的功能要求等。并根据设计要求对比了国外、国内的对p i d 控制和参数自整定的研究 现状。最后说明本文的研究内容和结构。 第二章主要介绍上位机系统的组成单元部分。说明上位机系统的设计思路，并具体 的说明了每个单元的功能和实现方法及过程。主要有数据采集、采集数据的算法处理、 模块通道的标定、模块通道的组态、采集数据的实时动态显示方法、采集数据的保存和 再现和上位机的通信过程设置等。 朱云鹏：换热元件试验系统改造 第三章主要说明以p l c 为核心的下位机系统设计部分。主要介绍了p l c 的发展过 程和p l c 扫描技术以及梯形图的语言特点。同时重点介绍了p l c 对加热器的p i d 控制， 对高温水、低温水、油的流量的采集控制、对各个电机或阀的正反转和限位开关的控制 保护等。数据显示终端m p t 0 0 2 的功能说明与p l c 的通信过程和试验数据的实时显示 等。最后说明的是p l c 对变频器的操作控制功能，实现两个变频器对风机的任意的无 极调速控制。 第四章是针对大滞后温度控制系统的特点，提出加热器的数学模型设计。并对比常 用的针对大滞后系统的一些常用参数自整定解决方案，通过分析比较和仿真实验，根据 实际需要采用哪种控制方法来实现加热器的p i d 调节控制。 第五章主要以两个具体的试验来说明本论文的各种设计方法和思路，得到试验的第 一手试验数据和试验曲线。通过对p i d 控制和参数自整定的比较，可以有更好的参数自 整定方法，比如采用神经网络和自整定的结合，智能控制方法策略与自整定的结合等。 并提出了一些在其他方面有需要改进的地方和对大滞后提出的一些展望思路。 1 4 本章小结 本章主要介绍了本课题的来源背景，提出了具有大滞后特性的系统的温度控制p i d 参数自整定方法对比后所涉及的技术性问题。简要说明了本论文的主要研究内容和结构 框架。 4 大连理工大学硕士学位论文 2 上位机系统设计 2 1 上位机系统功能说明 换热元件试验系统改造按实现功能分为上位机系统和下位机系统。上位机系统的组 成部分主要有计算机、r s 2 3 2 - r s 4 8 5 通信模块、串行口通信板、各个测量a d a m 温度和压 力测量模块、打印机、监视器等。计算机完成跟试验相关的数据采集合处理等操作， r s 2 3 2 一r s 4 8 5 通信模块负责所有的a d a m 模块构建一个r s 4 8 5 通信网络，串行口通信板是 对计算机串口的扩展，可以在4 个串口之间选择任意的一个作为通信串口使用，打印机 实现对采集数据和曲线图表的打印功能，监视器主要是为了安全起见对油加热器的监视 作用，可以实时观测油加热器的是否漏油等状态。整个系统框图如图2 1 所示。 图2 1 整个系统硬件结构图 f i g 2 1t h ea r c h i t e c t u r eo f w h o l es y s t e mh a r d w a r e 上位机系统实现的功能单元主要包括 朱云鹏：换热元件试验系统改造 ( 1 ) 数据信号采集 ( 2 ) 采集数据处理 ( 3 ) 测量模块通道标定 ( 4 ) 模块通道组态 ( 5 ) 试验测量数据显示 ( 6 ) 试验数据保存 ( 7 ) 上位机通信 2 2 数据信号采集 换热元件试验台改造中，有3 6 路的温度信号数据、1 0 路的压力信号、6 路的电流 信号以及液体流量信号等多路多类型信号数据。对于温度信号的采集是采用研华模块 a d a m 4 0 1 5 ，对于压力信号和电流信号采用研华模块a d a m 4 0 1 7 。a d a m 4 0 1 5 和 a d a m 4 0 1 7 输出有r s 4 8 5 信号和r s 4 2 2 信号两种，在本系统设计中对数据的采集采用 r s 4 8 5 通信网络。具体是上位机通过r s 2 3 2 通信串口与一个r s 2 3 2 - r s 4 8 5 通信模块 a d a m 4 5 2 0 连接，通信模块的一端是r s 2 3 2 端口，即电脑的串行通信口，另一端连接 r s 4 8 5 数据采集网络，对于每一个数据采集模块，都分配一个单独唯一的地址，上位机 针对不同模块发送不同的数据采集命令。整体框图如图2 1 所示。 ( 1 ) 模块a d a m 4 0 1 5 功能介绍： 6 路针对不同类型r t d 的信号输入通道。 输入的类型有p t l 0 0 、p t l 0 0 0 、b a l c 0 5 0 0 、n i 。 具有断线自动检测功能，可以轻易地发现电路中是否有断线现象发生。 测量精度达到0 1 1 2 ；对于每一通道的测量是采用三线制测量，可以有效的补 偿导线电阻，增加测量的准确性和精度【l 】。 ( 2 ) 模块a d a m 4 0 1 7 功能介绍： 8 通道模拟量输入模块，有效分辨率1 6 位。 输入类型有m v 、v 、m a ，输入范围有士1 5 0 m v 、+ 5 0 0 m v 、：t ：i v 、士5 v 、士1 0 v 、a ：2 0 m a 。 采样速率1 0 样点秒，精度为- 4 - 0 1 或更好。 通信接口类型：r s 4 8 5 、r s 4 2 2 a 。 ( 3 ) s r 2 5 3 高精度液晶显示智能调节器说明1 2 j ： 输入类型有热电偶、铂热电阻、直流毫伏、直流电流、直流电压。 e m 调节输出有正反两种方式，事件输出( 状态和报警) 【3 】。 大连理工大学硕士学位论文 出。 模拟外部设定类型6 种，隔离模拟变送输出6 种，8 路外部数字输入，5 路数字输 通信接口类型：r s 2 3 2 c 、r s 4 2 2 a 、r s 4 8 5 。 2 3 采集数据处理 图2 2 数据采集和显示界面 f i g 2 2t h ei n t e r f a c eo f d a t ac o l l e c t i o na n dd i s p l a y 2 3 1 数据有效性判断 在p c 对各个数据采集模块发送命令读取各个通道的数据过程中，由于现场存在着 多种干扰，例如变频器本身产生的强干扰信号、各个控制电机产生的干扰、风洞产生的 干扰等。所以在采集数据通信过程中，为了保证采集数据的准确有效，要对采集上来的 原始数据进行判断校验。从r s 4 8 5 网络得到的数据是按照字符串形式读取的，所以从读 取数据的长度和每个数据中字符有效性进行考虑1 4 1 。在与p l c 通信过程中，除了从数据 朱云鹏：换热元件试验系统改造 串的长度和串中数据字符有效性外，还有f c s 校验，也就是通信数据流中的所有字符的 异或校验方式，流程图分别如图2 3 、图2 4 所示。 图2 3 数据校验流程图i f i g 2 3t h ef l o wc h a r tif o rd a t ac h e c k 2 3 2 数据数字滤波 常用的数字滤波技术有死区处理法、平均值法、中值滤波法、低通滤波法等。下面 做一简单介绍 ( 1 ) 死区处理法 从工业现场采集的信号会在一定范围内波动，特别是最后一位，很容易不稳定，在 这种情况下，可以采取死区处理方法。把波停波动的值进行死区处理，只有当采样值的 变化超出某值时，方认为该值发生变化，具体在编程的实现是可以先对采集的数据除以 1 0 然后取整，就可以去掉波动项，在此范围可以作为一个死区，不超过这个区间就输 出一个稳定值【5 1 。 ( 2 1 平均值法 公式为y ( d = ( x 1 + x 2 + x 3 + + x n ) n ，在一个周期内的不同时间点取样，然 后求取平均值，这种方法可以有效的消除周期性的干扰。也可以推广到连续几个周期 进行平均。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 中值滤波法 这种方法的原理是犍采集到的若干周期的变量值进行排序，然后取排好序的值得中 间的值，这种方法可以有效的防止受到突发性脉冲干扰的数据进入。在实际使用时，排 序的周期的数量要选择适当，如果选择过小，可能起不到去除干扰的作用，选择的数量 过大，会造成采样数据的延迟过大，造成系统性能变差。 图2 4 数据校验流程图i i f i g 2 4t h ef l o wc h a r ti if o rd a t ac h e c k ( 4 ) 低通滤波法 公式为r ( k ) = q x ( k ) + ( 1 一q ) r ( k 一1 ) 的截止频率为厂= k 2 ，r t 。这种滤波方式相当 于使采集到的数据通过一次低通滤波器。来自现场的4 2 0 m a 信号，它的变化一般比 较缓慢，而干扰一般带有突发性的特点，变化频率较高，而低通滤波器就可以消除这种 干扰，这就是低通滤波器的原理。要注意使用时要选择合理的q 值。 ( 5 ) 滑动滤波法 朱云鹏：抉热元件试验系统改造 滑动滤波法是从一阶低通滤波法推广过来的，原理是信号不会出现突变，这种方法 也有其局限性，所有的信号的突变都看作干扰。但这种方法可以应用在一些比较特殊的 场合，使用时相应的数据处理过程也要作变化，比如p i d 参数。滑动滤波法的公式是： 一= q 1 以+ q 2 以一i + 珐五一： ( 2 1 ) 其中，q 1 + q 2 + 蜴= l ，且q 1 q 2 q 3 。 ( 6 ) 程序判断滤波 程序判断滤波的方法是根据生产经验确定出两次采样输出信号可能出现的最大偏 差值y ，若超过此偏差值，则表明该输入信号是干扰信号，应该去掉，若小于此偏差 值，将信号作为本次采样值。根据滤波方法的不同，可分为限幅滤波和限速旅波两种。 对于限幅滤波，就是把两次相邻的采样值进行相减，求出增量( 以绝对值表示) ， 然后与两次采样允许的最大差值( 由被控对象的实际情况决定) y 进行比较，如小于 等于y ，则取本次采样值；如大于a y ，则仍取上次采样值作为本次采样值。 对于限速滤波是按照顺序采样时刻t l ，t 2 ，t 3 ，所采集的参数分别为n ，y 2 ，y 3 ， 则当 i y 2 一y 1 i a y ，则y 2 就是当前采样值，输入计算机 i y 2 一y 1 i a y ，则y 2 不采用，但仍保留，再继续采样一次l ，3 则 i 】，3 一刈a y ，则乃是当前采样值，输入计算机 i n y 1 l a y ，则取( r 3 + y 2 ) 2 作为当前值，输入计算机 一般来说，对于变化较缓慢的参数如温度，可以选用程序判断滤波以及一阶滞后滤 波方法，而对于变化比较快的脉冲参数如压力、流量等，则可以选用算术平均和加权平 均滤波方法，特别是加权平均滤波更好【6 】。 本设计中在数据采集中采用的死区处理法、中值滤波法、平均值法，为的是可以有 效的滤除突发性脉冲信号干扰和不稳定信号等干扰。但是在曲线的实时显示的程序处理 中，采用的是自己设计的快速跟踪算法，既可以实时跟踪数据曲线，也可以减少波型的 上升和下降的时间。具体的快速跟踪算法介绍如下： 在程序中建立两个数组，用于分别存储上次采集的数据d ( k 一1 ) 和本次采集的数据 d ( ，当本次数据经过校验后，与上次采集数据做差比较，即 e ( _ i ) = i d ( 后) 一d ( k 一1 ) l ( 2 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 然后对e ( ) 进行判断，若变化很小，如小于3 时，则得到豹实际数据是按照上次采 集数据的大部分和本次采集数据小部分来计算均值，得到当前值；若变化比较大，如大 于1 0 时，则得到的实际数据是按照上次采集数据的小部分和本次采集数据的大部分来 计算均值，得到当前值。 该方法可以快速跟踪波型，较少波型变化的时间。 2 3 3 试验算法 本实验包括7 个试验：水空中冷器试验、水空散热器试验、油空散热器试验、空空 中冷器试验、双流道散热器试验、油水复合散热器试验、油水热交换器试验。每个试验 都具有不同的试验算法。现在就以水空散热器试验为例做一个简单介绍。 根据采集的数据，如散热器进气温度、出气温度、空气静压、通气阻力、空气动压、 高温水进水温度、高温水出水温度、水流量和大气压，和手动输入的不变参数风洞测量 段面积、风洞系数、气流面积、液流面积、散热面积、空气比热、水比热、水密度等。 根据机车研究所换热元件试验台提供的数据算法和公式计算出空气质量流速、空气吸热 量、水流速、水放热量、热平衡误差、对数平均误差和传热系数等。数据采集系统根据 该试验设定的条件( 热平衡误差、进气温度与设定值的偏差等) 来决定该组数据是否满 足试验要求，具体的数据计算和判断是在程序中自动实现。如果判断的结果满足试验设 定条件就把数据写入e x c e l 表格中，等待下一次数据的采集计算；如果不满足试验要求， 就放弃此次数据采集，进入下一次数据采集计算。换热元件的性能就是根据热平衡误差 和对数评价误差和传热系数来决定和判断的。具体的试验计算过程简要流程图如图2 5 所示。 2 4 测量模块通道标定 测量模块的标定包括温度测量模块a d a m 4 0 1 5 和压力测量模块a d a m 4 0 1 7 两种模 块的标定。其中每个a d a m 4 0 1 5 模块包含有6 路通道，每个a d a m 4 0 1 7 模块包含8 个 通道，在测量之前需要对每个通道进行标定，以减小测量造成的误差。由于测量模块的 每个通道都具有良好的线性关系，在得到几组测量值和设定值就可以计算出该通道的线 性斜率和通道补偿值，那么以后的测量值在乘以该斜率和加上该通道补偿值就是测量的 真实值，经过测试，该值与实际值的偏差远远小于试验台要求的误差范卧”。 2 4 1 模块a d a m 4 0 1 5 标定 根据换热元件试验台的试验要求，进气的温度最高可以达到2 3 0 c ，所以在研华提 供的软件a d a m 4 0 0 0 - - u f i l i t y 中可以设置测量的温度范围为0 4 0 0 c ，出气的温度在 0 1 0 0 2 的范围内，因此测量范围设置为0 1 0 0 。 图2 5 试验算法流程图 f i g 2 5t h e f l o wc h a r tf o re x p e r i m e n t 对于o 4 0 0 测量范围的通道，在标定的过程中，采用上海电工仪表厂的高精密电 阻箱z x 2 5 a ，精度可以达到o o lq 。由于a d a m 4 0 1 5 模块的输入信号是从p t l 0 0 输出 三线制信号，第三根线是具有导线电阻补偿作用。因此在通道标定时，用电阻箱模拟从 p t l 0 0 输出的阻值，具体实现如下： 选择一个通道，电阻箱采用三线制连接道该通道，在电阻箱调节电阻值大小为一个 设定最小值s e t m i n ( 该值是通过p t l 0 0 的最新分度表查出，本次标定采用1 0 3 9 0 q ， 对应的温度是1 0 ) ，通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 通信转换模块，读出该通道的数据，该数据 则是温度值设为m e s m m ：调节电阻箱的阻值到一个设定最大值s e t m a x ( 本次标定 进气采用的是1 9 4 1 0 q ，对应温度2 5 0 ，出气是1 3 8 5 1q ，对应温度1 0 0 ) ，通过 通信模块测量一个温度值为m e s m a x ：于是可以通过计算求出其线性斜率： k = ( s e t m a x s e t m i n ) ( m e s m a x m e s m i n ) ( 2 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 然后再次调节电阻箱的阻值，该值在刚才的s e t m i n 和s e t m a x 之间s e t v a l u e ，通 过通信模块读出一个温度值m e s v a l u e ，根据公式可以计算出该通道的偏移补偿量 d e l t a ： d e 加= s e t v a l u e k + ( m e s v a l u e m e s m i n ) 一s e t m i n ( 2 4 ) 于是该通道的线性斜率和偏移补偿就可以求出，实现该通道的标定。在实际的温度 测量中实际的温度值t 则是根据测量值m y 按照如下的公式求出： r = k 4 ( m y - m e s m i n ) + s e t m i n + d e h a ( 2 5 ) 2 4 2 模块a d 啪4 0 1 7 标定 根据换热元件试验台要求，气体压力的有不同的量程需要，但是各个压力或差压变 送器输出的是标准的4 2 0 m a 信号，可以通过a d a m 4 0 1 7 进行测量。 在标定过程中，采用了机车所的气压测量装置。具体实现与a d a m 4 0 1 5 类似，但 是采用多点标定法，优点是斜率和偏移补偿更准确，介绍如下： 把差压变送嚣的两个输入导管连接，此时的差压应该是s 以o ) ，通过通信模块读出 此时对应的电流值a m e s ( o ) ，然后调节气压测量装置逐渐增大实际的压差，并记下此时 的设定值s v ( k ) ( k = 1 , 2 ，3 ) ，读出此时对应的电流值a m e s ( k ) = 1 , 2 ，3 ) ，经过多次的 记录，在e x c e l 表格中，根据测量的这两组数据生成一个表格，绘制出相应曲线，可以 根据e x c e l 曲线特性计算出该通道的斜率和偏移补偿。 通道标定数据可以保存为文件格式，以备读取模块数据时，将采集到的原始数据经 过标定处理，然后经过组态配置，就得到实际的试验数据。标定界面如图2 6 所示。 图2 6 模块标定界面 f i g 2 6t h ei n t e r f a c eo f m o d u l ed e m a r c a t e 朱云鹏：换热元件试验系统改造 2 5 模块通道组态 在设计数据采集系统中，出于资源充分利用的原因，对于每一个通道有一个传感器 与其相对应，但是在试验过程中，由于现场试验条件的不同，有可能会出现有的通道用 的上有的用不上，那么在这种情况下，可以根据试验组态的方法来，实现资源的充分利 用。组态的概念来源于组态软件，但是在本设计中，需要组态的设备是p t l 0 0 温度传感 器和压力传感器和电流变换模块，这些设备都不需要驱动程序，需要作的在硬件方面传 感器连接要选择的通道，在软件方面，选择根硬件连接相一致的通道就可以实现通道的 组态。由于每个数据采集模块的通道都具有良好的线性关系，并且都已经严格的标定， 所以组态后的测量具有相同的精度和准确性。 图2 7 模块通道组态界面 f i g 2 7t h ei n t e r f a c eo f m o d u l ec h a n n e lc o n f i g u r a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 需要组态的试验数据有进气温度、出气温度、进水温度、出水温度以及各种压力信 号等。在每次作试验时，系统会产生一个默认的组态结果，如果需要改变，则可以根据 实际需要，在修改硬件连接后，修改软件的组态，就可以开始试验。当前的组态结果可 以保存成为文件格式，以备下一次试验用，直接从文件打开给组态文件，就可以作试验， 不用一个一个的组态，减少工作量。 同时该组态程序还具有判断是否重复组态的功能。当出现重复组态时，系统会提示 操作员有重复组态现象，并给出具体的重复的通道号，以备操作员检查修改，图2 7 为 模块组态界面。 2 6 试验测量数据显示 试验中的数据需要实时的显示，以供操作者观察当前的试验状态，根据试验要求来 选择采集数据，数据的显示方式有原始数据显示，经过处理的真实值显示，以及为了方 便观察而采用的动态曲线显示等方法。操作者可以根据实时数据的大小确定是否在最佳 的采集点，从而判断对当前的温度、流量、压力、电流等数据进行采集；也可以根据实 时曲线的变化寻找数据的最稳定点来采集数据。 图2 8 实时数据显示界面 f i g 2 8t h e i n t e r f a c eo f r e a l t i m ed a t ad i s p l a y 朱云鹏：换热元件试验系统改造 2 6 1 数据实时显示 该换热元件试验台有7 个试验，每个试验选用的模块通道数不一样，测量的数据个 数也是不一致的。但是原理都是一样。每个试验的数据显示主要包括进气温度、出气温 度、进气均温、出气均温、静压、动压、，静压差、进水温度、出水温度、水流量等数据。 每个数据都有一定的精度要求。在该窗体中，可以直接根据显示的数据大小判断进气温 度和进水温度等参数是否达到了试验采集要求，然后点击曲线窗体中的数据采集按钮就 可以采集当前状态的各种数据。各种数据是动态实时显示，主要采用定时器的方法定时 刷新。实时数据显示界面如图2 8 所示。 2 6 2 数据曲线动态显示 在试验过程中，对数据的采集是根据采样处理后得到的数据的稳定度来判断的。例 如在做水空散热器试验时，如果高温进水的温度跟设定值的偏差在0 2 以内，此时 的数据是符合设定条件的数据，那么在数据显示窗口内观察数据的实际值显示的情况可 以解决问题，同样的，如果在曲线显示窗口内可以实时的看到进水温度和设定值的偏差 大小，就可以直接在同一窗口内对数据进行采集计算，节省一定的工作量【s j 。 曲线显示控件采用了m s c h a r t 控件。m s c h a r t 控件是一个功能强大的高级图表工具， 拥有丰富的图表绘制功能，可以显示二维和三维的棒图、区域图、线形图、饼图等多种 常用图表。支持所有主要的图表类型，通过随机数据和数据数组填充数据网格。 m s c h a r t 获取数据的三种方法分别是利用三个属性函数m s c h a r t 、d a t a 和s e t d a t a 。 在曲线建立函数中需要定义曲线的数目，横坐标的变量类型以及横坐标的显示值大小。 然后把数据的列数和数据源分别传递给m s c h a r t 控件，并利用r e f r e s h 命令刷新控件， 实时显示曲线。 但是在显示中，随着定时器的定时时间的减小，m s c h a r t 控件的闪烁现象就越来越 明显，为了解决这个问题，引进了一个p i c t u r e b o x 控件，位置、大小都和m s c h a r t 控件 相等。在试验没有开始采集数据时，p i c t u r e b o x 的可见属性设定为f a l s e ，而m s c h a r t 的 可见属性为t r u e 。然后利用代码 m s c h a r t l e d i t c o p y p i c t u r e l p i c t u r e = c l i p b o a r d g e t d a t a 0 p i c t u r e l v i s i b l e = t r u e 这种方法可以有效的解决曲线闪烁问题。 另外曲线数据在需要的情况下打印，由于m s c h a r t 控件具有打印函数，可以打印文 本信息，也可以打印曲线图形信息。具体实现介绍如下： 大连理工大学硕士学位论文 m s c h a r t l e d i t c o p y p r i n t e r p r i n t ” 从剪贴簿中抓出文字资料来打印 p r i n t e r p r i n tc 1 i p b o a r d g e t t e x t ( v b c f t e x t ) p r i n t e r p r i n t ” 从剪贴簿中抓出图表来打印 p r i n t