CN114295387A - 一种履带车辆发动机实车运行参数测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种履带车辆发动机实车运行参数测试系统，其包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括各类传感器、信号调理电路、采集卡和计算机等，各类传感器分别与信号调理电路相连，信号调理电路与采集卡相连，采集卡和计算机相连；软件系统运行于计算机上，软件系统包括数据采集模块、系统报警模块、数据处理模块、记录存储模块和数据读取模块。利用该系统可有效掌握履带车辆发动机在实际跑车过程中的载荷变化情况，获得在不同路面激励、驾驶员操作以及工作任务剖面等多种变量共同作用下的最原始的载荷数据，实现了对履带车辆发动机的有效测试。
Description
技术领域
本发明涉及车用发动机测试技术领域，尤其涉及一种履带车辆发动机实车运行参数测试系统。
背景技术
目前，工业产品的性能都是通过实车运行载荷参数测试系统来实现的。随着科技的不断发展进步，产品的可靠性和寿命不断提高。对于可靠性高、寿命长和价值昂贵的产品，如果采用实时试验的方法来估计产品的可靠性寿命特征，不仅试验时间长、费用高昂，甚至有可能试验还未做完，产品就因落后等原因而淘汰，使试验失去意义。
对于履带车辆发动机而言，其试验过程中需要测试的参数较多，其试验流程较为复杂，如何实现对履带车辆发动机的有效测试，也是目前需要解决的问题。为了掌握履带车辆发动机在实际跑车过程中的载荷变化情况，获得在不同路面激励、驾驶员操作以及工作任务剖面等多种变量共同作用下的最原始的载荷数据，需要研究设计相应的履带车辆发动机参数测试系统。
发明内容
为了掌握履带车辆发动机在实际跑车过程中的载荷变化情况，获得在不同路面激励、驾驶员操作以及工作任务剖面等多种变量共同作用下的最原始的载荷数据，本发明公开了一种履带车辆发动机实车运行参数测试系统，用于采集并记录发动机相关参数在实际跑车试验中的载荷-时间历程。
本发明公开了一种履带车辆发动机实车运行参数测试系统，其包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括各类传感器、信号调理电路、采集卡和计算机等，各类传感器分别与信号调理电路相连，信号调理电路与采集卡相连，采集卡和计算机相连；软件系统运行于计算机上，软件系统包括数据采集模块、系统报警模块、数据处理模块、记录存储模块和数据读取模块。
传感器包括挡位识别传感器、主动轮转速传感器、压气机前压力传感器、压气机后压力传感器和温度传感器；
采集卡用于将模拟信号转换为离散的数字信号，以实现A/D转换的功能，具体地，采集卡采用USB2828数据采集卡，配置12Bit分辨率的A/D转换器和D/A转换器，采样精度控制在0.02％以内，最高采样频率100KHz，最低采样频率31Hz，A/D转换器的量程为±10V，在数据采集过程中，采集卡的信号通道数设置为8，根据需要可最多拓展到10通道，采样频率设定为1KHz。
信号调理电路用于实现信号的放大、滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换，经调理电路处理后的信号将以模拟量或数字量的形式经具有光电隔离功能的数据采集卡传输至计算机，并将该信号在计算机的主界面上以数字或者图形方式输出显示。信号调理电路包含前置放大电路，其用于对输入信号进行放大和带通滤波，其放置于靠近传感器的一端，信号调理电路还包含滤波电路，滤波电路布置在靠近采集卡的一端，用于过滤信号在传输过程中引入的噪声。
软件系统的数据采集模块用于实现数据的实时采集与显示，包括串口设置、数据传输、过载报警和数据存储四个子模块。
数据采集模块用于保证数据传输协议的实现，数据传输协议包含标记位、数据位和校验位，在传感器所采集的数据向计算机发送过程中，当数据发送的请求方，即采集卡发送标记位数据FE(OX)时，被请求方即计算机返回该标记位数据FE(OX)后，则开始传感器向计算机的数据发送过程；数据位由32个十六进制数组成；校验位用于验证传输数据的正确性与一致性，防止出现数据遗漏和重复的问题。系统报警模块用于监测履带车辆发动机的运转参数是否在设定的安全范围内，当该模块监测到运转参数超出设定安全范围时，则在该软件系统的界面前端弹出提示信息，同时履带车辆发动机的主控程序采取相应的保护措施，避免由于违规操作对履带车辆发动机造成严重损害。数据处理模块用于对已保存数据进行截取、筛选、转换等操作。
系统报警模块接收各类传感器所采集的履带车辆发动机的运转参数，对于某一个时间段内，第i类传感器所采集的P个履带车辆发动机的运转参数数据记为列向量ai，i＝1,2,…,N，N为传感器的类别总数，对于在该时间段内所有类别的传感器采集的履带车辆发动机的运转参数数据，表示为采集数据阵矩阵a：
a＝[a1,a2,…,aN]，
计算采集数据阵矩阵a的互相关矩阵R，即得到：
R＝aTa，
其中，互相关矩阵R的第i行、第j列的元素rij＝aiaj T，列向量aj表示第j类传感器所采集的P个履带车辆发动机的运转参数数据；采用主成分分析方法对在该时间段内所有类别传感器采集的履带车辆发动机的运转参数数据进行降维处理，提取其主成分分量，该过程具体为：
对互相关矩阵R进行特征分解，得到N个特征向量和特征值，根据特征值大小对特征向量进行筛选，筛选出大于某阈值的M个特征向量所构成的特征矩阵E记为：
E＝[v1,v2,…,vM]，
其中，vk表示第k个特征向量，k＝1,2,…,M，特征向量均为列向量；利用特征矩阵E对采集数据阵矩阵a进行重构，得到采集数据阵矩阵的主成分分量b为：
b＝ETa，
利用权重矩阵ω对主成分分量b进行加权处理，得到履带车辆发动机的运转参数综合评价值ρ：
ρ＝ωb，
根据履带车辆发动机的运转参数最高阈值和最低阈值，对履带车辆发动机的运转参数综合评价值ρ进行判断，当ρ大于履带车辆发动机的运转参数最高阈值或小于履带车辆发动机的运转参数最低阈值时，判定该时间段内所采集的履带车辆发动机的运转参数超出设定安全范围；根据相关国家标准数据，以错误报警次数最小为目标，定期对权重矩阵ω、履带车辆发动机的运转参数最高阈值和最低阈值进行优化更新。
本发明的有益效果为：
本发明公开了一种履带车辆发动机实车运行参数测试系统，用于采集并记录发动机相关参数在实际跑车试验中的载荷-时间历程，利用该系统可有效掌握履带车辆发动机在实际跑车过程中的载荷变化情况，获得在不同路面激励、驾驶员操作以及工作任务剖面等多种变量共同作用下的最原始的载荷数据，实现了对履带车辆发动机的有效测试。
附图说明
图1为本发明的履带车辆发动机实车运行参数测试系统的总体结构图；
图2为本发明的履带车辆发动机实车运行参数测试系统的硬件组成图；
图3为本发明的履带车辆发动机实车运行参数测试系统的数据传输程序流程图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。
图1为本发明的履带车辆发动机实车运行参数测试系统的总体结构图；图2为本发明的履带车辆发动机实车运行参数测试系统的硬件组成图；图3为本发明的履带车辆发动机实车运行参数测试系统的数据传输程序流程图。
本发明公开了一种履带车辆发动机实车运行参数测试系统，其包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括各类传感器、信号调理电路、采集卡和计算机等，各类传感器分别与信号调理电路相连，信号调理电路与采集卡相连，采集卡和计算机相连；软件系统运行于计算机上，软件系统包括数据采集模块、系统报警模块、数据处理模块、记录存储模块和数据读取模块。该测试系统总体结构如图1所示。
传感器包括挡位识别传感器、主动轮转速传感器、压气机前压力传感器、压气机后压力传感器和温度传感器；
采集卡用于将模拟信号转换为离散的数字信号，以实现A/D转换的功能，具体地，采集卡采用USB2828数据采集卡，配置12Bit分辨率的A/D转换器和D/A转换器，采样精度控制在0.02％以内，最高采样频率100KHz，最低采样频率31Hz，A/D转换器的量程为±10V，在数据采集过程中，采集卡的信号通道数设置为8，根据需要可最多拓展到10通道，采样频率设定为1KHz。
主动轮最高转速为柴油机转速的1.385倍，在柴油机最高转速时，主动轮转速传感器输出的最高脉冲频率fmax为：
式中：fmax——传感器最高输出频率/Hz；
nmax——柴油机最高转速/(r/min)；
i——车辆以最高挡位行驶时的传动比；
Z——主动轮齿数。
信号调理电路用于实现信号的放大、滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换，经调理电路处理后的信号将以模拟量或数字量的形式经具有光电隔离功能的数据采集卡传输至计算机，并将该信号在计算机的主界面上以数字或者图形方式输出显示。信号调理电路包含前置放大电路，其用于对输入信号进行放大和带通滤波，其放置于靠近传感器的一端，信号调理电路还包含滤波电路，滤波电路布置在靠近采集卡的一端，用于过滤信号在传输过程中引入的噪声。
软件系统的数据采集模块用于实现数据的实时采集与显示，包括串口设置、数据传输、过载报警和数据存储四个子模块。
数据采集模块用于保证数据传输协议的实现，数据传输协议包含标记位、数据位和校验位，在传感器所采集的数据向计算机发送过程中，当数据发送的请求方，即采集卡发送标记位数据FE(OX)时，被请求方即计算机返回该标记位数据FE(OX)后，则开始传感器向计算机的数据发送过程；数据位由32个十六进制数组成；校验位用于验证传输数据的正确性与一致性，防止出现数据遗漏和重复的问题。系统报警模块用于监测履带车辆发动机的运转参数是否在设定的安全范围内，当该模块监测到运转参数超出设定安全范围时，则在该软件系统的界面前端弹出提示信息，同时履带车辆发动机的主控程序采取相应的保护措施，避免由于违规操作对履带车辆发动机造成严重损害。数据处理模块用于对已保存数据进行截取、筛选、转换等操作。
系统报警模块接收各类传感器所采集的履带车辆发动机的运转参数，对于某一个时间段内，第i类传感器所采集的P个履带车辆发动机的运转参数数据记为列向量ai，i＝1,2,…,N，N为传感器的类别总数，对于在该时间段内所有类别的传感器采集的履带车辆发动机的运转参数数据，表示为采集数据阵矩阵a：
a＝[a1,a2,…,aN]，
计算采集数据阵矩阵a的互相关矩阵R，即得到：
R＝aTa，
其中，互相关矩阵R的第i行、第j列的元素rij＝aiaj T，列向量aj表示第j类传感器所采集的P个履带车辆发动机的运转参数数据；采用主成分分析方法对在该时间段内所有类别传感器采集的履带车辆发动机的运转参数数据进行降维处理，提取其主成分分量，该过程具体为：
对互相关矩阵R进行特征分解，得到N个特征向量和特征值，根据特征值大小对特征向量进行筛选，筛选出大于某阈值的M个特征向量所构成的特征矩阵E记为：
E＝[v1,v2,…,vM]，
其中，vk表示第k个特征向量，k＝1,2,…,M，特征向量均为列向量；利用特征矩阵E对采集数据阵矩阵a进行重构，得到采集数据阵矩阵的主成分分量b为：
b＝ETa，
利用权重矩阵ω对主成分分量b进行加权处理，得到履带车辆发动机的运转参数综合评价值ρ：
ρ＝ωb，
根据履带车辆发动机的运转参数最高阈值和最低阈值，对履带车辆发动机的运转参数综合评价值ρ进行判断，当ρ大于履带车辆发动机的运转参数最高阈值或小于履带车辆发动机的运转参数最低阈值时，判定该时间段内所采集的履带车辆发动机的运转参数超出设定安全范围；根据相关国家标准数据，以错误报警次数最小为目标，定期对权重矩阵ω、履带车辆发动机的运转参数最高阈值和最低阈值进行优化更新。
为了掌握履带车辆发动机在实际跑车过程中的载荷变化情况，获得在不同路面激励、驾驶员操作以及工作任务剖面等多种变量共同作用下的最原始的载荷数据，设计履带车辆发动机实车载荷参数测试系统，采集并记录发动机相关参数在实际跑车试验中的载荷-时间历程。
实车试验载荷测试系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统主要包括各类信号传感器、信号调理电路、采集卡和计算机等；软件系统主要包括实现数据采集、处理、存储等功能的程序模块。实车试验载荷测试系统总体结构如图1所示。
采集卡主要用于将模拟信号量转换为离散的数字信号，实现A/D转换的功能，采用USB2828数据采集卡，配置12Bit分辨率的A/D转换器和D/A转换器，采样精度可控制在0.02％以内；最高采样频率100KHz，最低采样频率31Hz；AD量程：±10V、±5V、0～10V。在试验过程中，信号通道数设置为8，根据需要可最多拓展到10通道；采样频率设定为1KHz。
主动轮最高转速为柴油机转速的1.385倍，在柴油机最高转速时，主动轮转速传感器输出的最高脉冲频率fmax为：
式中：fmax——传感器最高输出频率/Hz；
nmax——柴油机最高转速/(r/min)；
i——车辆以最高挡位行驶时的传动比；
Z——主动轮齿数。
信号调理电路包括小信号的放大、滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等电路模块。经调理电路处理后的信号将以模拟量或数字量的形式经光电隔离的数据采集卡传输至计算机终端，并在主界面上以数字或者图形方式输出显示。
在测试系统中加入了前置放大电路，用于对小输入信号进行放大和带通滤波。由于传感器布置在动力舱、驾驶员挡位盘及车外主动轮等处，距离数据采集卡较远。因此，放大电路布置在靠近传感器的一端，即传感器信号在输出时就进行放大，有效地抑制信号在传输过程中引入的噪声。滤波电路应布置在靠近采集卡的一端，过滤信号在传输过程中引入的噪声。
测试系统软件设计功能：根据实际需要添加、编写程序，实现数据的采集；实现系统监测报警、测试数据的显示、保存和读取以及特性曲线的绘制等功能；具有灵活、直观的界面。测试系统软件主要包括数据采集模块和数据处理模块。
数据采集模块用于实现数据的实时采集与显示，主要包括串口设置、数据传输、过载报警和数据存储四个子模块。
串口设置界面用于串口参数的设置，包括通信端口、数据传输波特率、缓冲区大小、数据位、奇偶校验、停止位和流量控制的设置。依据通信协议，将通信端口设为COM3，数据传输波特率设为2400，缓冲区大小设为4096、数据位设为8，奇偶校验设为None，停止位设为1、流量控制设为None。
数据传输协议即数据传输的口令和密码，只有当口令正确时才能接收到有效的数据。传输协议由三部分组成：标记位，当请求方发送FE(OX)时，被请求方返回FE(OX)，表示一组数据起始；数据位，协议中的数据位由32个2字符的十六进制数组成；校验位，用于验证传输数据的正确性与一致性，防止出现数据遗漏和重复等问题。图3显示了数据传输协议的程序实现流程。
报警模块用于监测柴油机运转参数是否在规定的安全范围内。当监测参数超出设定安全范围时，则在测试界面前端弹出显示，同时柴油机的主控程序采取相应的保护措施，避免由于违规操作对柴油机造成严重损害。
数据处理模块主要用于对已保存数据进行截取、筛选、转换等操作。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (3)
1.一种履带车辆发动机实车运行参数测试系统，其特征在于，其包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括各类传感器、信号调理电路、采集卡和计算机，各类传感器分别与信号调理电路相连，信号调理电路与采集卡相连，采集卡和计算机相连；软件系统运行于计算机上，软件系统包括数据采集模块、系统报警模块、数据处理模块、记录存储模块和数据读取模块；
采集卡用于将模拟信号转换为离散的数字信号，以实现A/D转换的功能，具体地，采集卡采用USB2828数据采集卡，配置12Bit分辨率的A/D转换器和D/A转换器，采样精度控制在0.02％以内，最高采样频率100KHz，最低采样频率31Hz，A/D转换器的量程为±10V，在数据采集过程中，采集卡的信号通道数设置为8，根据需要可最多拓展到10通道，采样频率设定为1KHz；
信号调理电路用于实现信号的放大、滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换，经调理电路处理后的信号将以模拟量或数字量的形式经具有光电隔离功能的数据采集卡传输至计算机，并将该信号在计算机的主界面上以数字或者图形方式输出显示；信号调理电路包含前置放大电路，其用于对输入信号进行放大和带通滤波，其放置于靠近传感器的一端，信号调理电路还包含滤波电路，滤波电路布置在靠近采集卡的一端，用于过滤信号在传输过程中引入的噪声；
软件系统的数据采集模块用于实现数据的实时采集与显示，包括串口设置、数据传输、过载报警和数据存储四个子模块；
数据采集模块用于保证数据传输协议的实现，数据传输协议包含标记位、数据位和校验位，在传感器所采集的数据向计算机发送过程中，当数据发送的请求方，即采集卡发送标记位数据FE时，被请求方即计算机返回该标记位数据FE后，则开始传感器向计算机的数据发送过程；数据位由32个十六进制数组成；校验位用于验证传输数据的正确性与一致性，防止出现数据遗漏和重复的问题；系统报警模块用于监测履带车辆发动机的运转参数是否在设定的安全范围内，当该模块监测到运转参数超出设定安全范围时，则在该软件系统的界面前端弹出提示信息，同时履带车辆发动机的主控程序采取相应的保护措施，避免由于违规操作对履带车辆发动机造成严重损害；数据处理模块用于对已保存数据进行截取、筛选和转换操作。
2.如权利要求1所述的履带车辆发动机实车运行参数测试系统，其特征在于，
系统报警模块接收各类传感器所采集的履带车辆发动机的运转参数，对于某一个时间段内，第i类传感器所采集的P个履带车辆发动机的运转参数数据记为列向量ai，i＝1,2,…,N，N为传感器的类别总数，对于在该时间段内所有类别的传感器采集的履带车辆发动机的运转参数数据，表示为采集数据阵矩阵a：
a＝[a1,a2,…,aN]，
计算采集数据阵矩阵a的互相关矩阵R，即得到：
R＝aTa，
其中，互相关矩阵R的第i行、第j列的元素rij＝aiaj T，列向量aj表示第j类传感器所采集的P个履带车辆发动机的运转参数数据；采用主成分分析方法对在该时间段内所有类别传感器采集的履带车辆发动机的运转参数数据进行降维处理，提取其主成分分量，该过程具体为：
对互相关矩阵R进行特征分解，得到N个特征向量和特征值，根据特征值大小对特征向量进行筛选，筛选出大于某阈值的M个特征向量所构成的特征矩阵E记为：
E＝[v1,v2,…,vM]，
其中，vk表示第k个特征向量，k＝1,2,…,M，特征向量均为列向量；利用特征矩阵E对采集数据阵矩阵a进行重构，得到采集数据阵矩阵的主成分分量b为：
b＝ETa，
利用权重矩阵ω对主成分分量b进行加权处理，得到履带车辆发动机的运转参数综合评价值ρ：
ρ＝ωb，
根据履带车辆发动机的运转参数最高阈值和最低阈值，对履带车辆发动机的运转参数综合评价值ρ进行判断，当ρ大于履带车辆发动机的运转参数最高阈值或小于履带车辆发动机的运转参数最低阈值时，判定该时间段内所采集的履带车辆发动机的运转参数超出设定安全范围；根据相关国家标准数据，以错误报警次数最小为目标，定期对权重矩阵ω、履带车辆发动机的运转参数最高阈值和最低阈值进行优化更新。
3.如权利要求1所述的履带车辆发动机实车运行参数测试系统，其特征在于，
传感器包括挡位识别传感器、主动轮转速传感器、压气机前压力传感器、压气机后压力传感器和温度传感器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220408 |