虛擬儀器與硬件在環(huán)：第一講

虛擬儀器與硬件在環(huán)第一講主要內(nèi)容本課程講什么？什么是測(cè)試、測(cè)試技術(shù)與測(cè)試系統(tǒng)？汽車測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介什么是傳感器？汽車傳感器簡(jiǎn)介測(cè)試系統(tǒng)與傳感器發(fā)展趨勢(shì)1.課程簡(jiǎn)介內(nèi)容如下信號(hào)描述與分析常用傳感器與信號(hào)調(diào)理虛擬儀器與信號(hào)采集硬件在環(huán)

測(cè)試系統(tǒng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試裝置基本特性汽車測(cè)試系統(tǒng)概述2.1什么是測(cè)試？測(cè)試是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的手段和科學(xué)研究的基本方法。測(cè)試技術(shù)是測(cè)量和試驗(yàn)技術(shù)的統(tǒng)稱：為了獲得被測(cè)物理量的量值進(jìn)行測(cè)量，獲取有用的信息則需要試驗(yàn)。測(cè)試專門的儀器設(shè)備信號(hào)分析結(jié)果顯示和處理合理的實(shí)驗(yàn)方法2.2為什么要測(cè)試？對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和性能提供客觀的評(píng)價(jià)；對(duì)生產(chǎn)技術(shù)的合理改進(jìn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)或技術(shù)發(fā)明提供必需的手段。2.3測(cè)試技術(shù)的任務(wù)(5方面)設(shè)備設(shè)計(jì)中，通過對(duì)新舊產(chǎn)品進(jìn)行模型試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，為產(chǎn)品質(zhì)量和性能提供客觀的評(píng)價(jià)，為技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化和效率的提高提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。設(shè)備改造中，為了挖掘設(shè)備的潛力，以便提高產(chǎn)量和質(zhì)量，經(jīng)常需要實(shí)測(cè)設(shè)備或零件的載荷、應(yīng)力、工藝參數(shù)和電機(jī)參數(shù)，為設(shè)備強(qiáng)度校驗(yàn)和承載能力的提高提供依據(jù)。6在工作和生活環(huán)境的凈化及監(jiān)測(cè)中，測(cè)量振動(dòng)和噪聲的強(qiáng)度及頻譜，分析找出振源，并采取相應(yīng)的減振、防噪措施?？茖W(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和新的定律、公式的誕生都離不開測(cè)試技術(shù)。從實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)規(guī)律，驗(yàn)證理論研究結(jié)果，實(shí)驗(yàn)與理論可以相互促進(jìn)，共同發(fā)展。在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，通過對(duì)工藝參數(shù)的測(cè)試和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、質(zhì)量控制和故障診斷。72.3測(cè)試技術(shù)的任務(wù)(5方面)8汽車試驗(yàn)是一種客觀需要無論是新設(shè)計(jì)或是正在生產(chǎn)的汽車產(chǎn)品；也不論在設(shè)計(jì)制造上考慮得多么細(xì)致周密，都需經(jīng)過科學(xué)而嚴(yán)格的試驗(yàn)。汽車試驗(yàn)的作用通過試驗(yàn)以檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造及結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性、設(shè)計(jì)思想的正確性、制造工藝的合理性、使用維修的方便性、各總成部件的工作可靠性。汽車試驗(yàn)是汽車?yán)碚撗芯康幕A(chǔ)汽車技術(shù)的高速發(fā)展及功能的不斷擴(kuò)充，使得許多理論問題的研究尚不夠充分，不少設(shè)計(jì)問題無法根據(jù)現(xiàn)有理論來解釋，而必須借用汽車試驗(yàn)。這是世界各大汽車公司特別重視汽車試驗(yàn)研究工作的重要原因。83.1為什么要做汽車測(cè)試？9汽車測(cè)試技術(shù)涉及試驗(yàn)與檢測(cè)兩個(gè)方面，試驗(yàn)主要針對(duì)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)與性能鑒定；而檢測(cè)主要是針對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)及在用狀態(tài)檢測(cè)等諸多方面。汽車試驗(yàn)包括：探索性試驗(yàn)；新結(jié)構(gòu)的原理試驗(yàn)；獲取原始控制數(shù)據(jù)的標(biāo)定試驗(yàn)；為產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供支持的功能試驗(yàn)；產(chǎn)品工藝的驗(yàn)證；整車及總成部件的可靠性、耐久性試驗(yàn)；產(chǎn)品質(zhì)量控制試驗(yàn)等。

93.2汽車測(cè)試什么內(nèi)容1汽車試驗(yàn)方法（1）試驗(yàn)內(nèi)容不斷增加：為了滿足人們對(duì)汽車日益增加的各項(xiàng)要求，需要不斷的增加試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)內(nèi)容；汽車功能的擴(kuò)展，各種新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)在汽車上的應(yīng)用亦需要增加試驗(yàn)內(nèi)容。

（2）試驗(yàn)方法不斷更新：

汽車法規(guī)的日漸嚴(yán)格，需要更新試驗(yàn)方法；對(duì)汽車要求的日益提高，需要更新試驗(yàn)方法；試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步也會(huì)帶來試驗(yàn)方法的變化。3.3汽車測(cè)試技術(shù)的現(xiàn)狀112.汽車試驗(yàn)儀器設(shè)備

為了適應(yīng)試驗(yàn)方法的變化，會(huì)需要更多更新的汽車試驗(yàn)用儀器設(shè)備；為了提高試驗(yàn)精度和降低試驗(yàn)成本，必須有功能更強(qiáng)、精度更好、效率更高的儀器設(shè)備源源不斷地取代傳統(tǒng)的、落后的設(shè)備。汽車試驗(yàn)用儀器設(shè)備發(fā)展的重要特征是：

1）自動(dòng)化程度越來越高：現(xiàn)代汽車試驗(yàn)用儀器設(shè)備的開發(fā)，不僅包括儀器設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)和功能，而且還包括對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行操控的內(nèi)容。對(duì)于這類儀器設(shè)備，不僅儀器設(shè)備自身的操作控制已完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，而且對(duì)于許多試驗(yàn)項(xiàng)目而言，試驗(yàn)中的車輛或總成部件也已由計(jì)算機(jī)自動(dòng)操控。

113.3汽車測(cè)試技術(shù)的現(xiàn)狀122)高精度、高效率

為了滿足日益嚴(yán)格的汽車排放法規(guī)要求，最大限度地保護(hù)駕駛員及乘客地安全、盡可能地提高汽車的乘坐舒適性，繼發(fā)動(dòng)機(jī)采用電腦控制系統(tǒng)之后，汽車其它各大總成已逐漸開始采用電腦控制技術(shù)。電腦控制的依據(jù)除來自于各種不同傳感器提供的汽車各總成部件工作狀況的信息外，更主要的是，還需在實(shí)驗(yàn)室對(duì)電腦控制的汽車總成進(jìn)行大量的試驗(yàn)，以采集電控所需的大量數(shù)據(jù)，只有這樣才能保證電腦高精度地控制汽車各總成部件工作。這種在實(shí)驗(yàn)室采集控制所需信息的過程稱為“標(biāo)定”。123.3汽車測(cè)試技術(shù)的現(xiàn)狀3.4以汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)為例測(cè)功臺(tái)架1818電動(dòng)汽車研究中心測(cè)功室硬件在環(huán)Sense(A/D)Actuate(D/A)特點(diǎn)1：半實(shí)物；

特點(diǎn)2：物理（實(shí)物）系統(tǒng)與虛擬模型之間形成閉環(huán)。硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成扭矩儀虛擬樣車工況數(shù)據(jù)庫(kù)路面數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載電機(jī)車型數(shù)據(jù)庫(kù)電池組/BMS實(shí)時(shí)虛擬場(chǎng)景P(t),v(t),a(t)FL(t)thetaalphan(t)M(t)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電動(dòng)汽車研究中心測(cè)功室GPIB電動(dòng)汽車研究中心測(cè)功室22223.4以汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)為例23虛擬環(huán)境再現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)各種試驗(yàn)環(huán)境。為了全面了解各種不同使用環(huán)境對(duì)汽車整車及零部件各項(xiàng)性能的影響，一些跨國(guó)汽車公司都建有可再現(xiàn)不同使用環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室，如圖1-5所示。233.4以汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)為例24激勵(lì)裝置：有些信息需要通過激勵(lì)裝置作用于被測(cè)對(duì)象，使之產(chǎn)生有用信息載于其中。

傳感器：傳感器是測(cè)試系統(tǒng)中的第一個(gè)環(huán)節(jié)。將被測(cè)信息（速度、位移、電流、壓力、溫度、光照等）轉(zhuǎn)換成某種電信號(hào)（通常是電壓）的器件。

信號(hào)調(diào)理：將傳感器微弱的信號(hào)進(jìn)行放大或變換為容易傳輸和處理的形式。信號(hào)處理，對(duì)來自信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)的信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算和分析，如FFT。信號(hào)顯示與記錄4.1測(cè)試系統(tǒng)的一般組成4.2控制系統(tǒng)的一般組成指令誤差控制律能量轉(zhuǎn)換受控對(duì)象響應(yīng)傳感器反饋激勵(lì)能量外界擾動(dòng)

飛思卡爾智能車控制系統(tǒng)構(gòu)成電驅(qū)動(dòng)控制原理PWM（脈寬）調(diào)速控制是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓。PID控制晶閘管PWM寬度直流電機(jī)直流電壓光電編碼器實(shí)際轉(zhuǎn)速期望轉(zhuǎn)速反饋轉(zhuǎn)速5.1與發(fā)動(dòng)機(jī)控制有關(guān)的傳感器1.進(jìn)氣流量傳感器2.節(jié)氣門位置傳感器3.歧管壓力傳感器4.冷卻液溫度傳感器5.排氣氧傳感器6.曲軸位置傳感器7.凸輪軸位置傳感器5.2汽車ESP控制傳感器ESP系統(tǒng)由控制單元及轉(zhuǎn)向傳感器（監(jiān)測(cè)方向盤的轉(zhuǎn)向角度）、車輪傳感器（監(jiān)測(cè)各個(gè)車輪的速度轉(zhuǎn)動(dòng)）、側(cè)滑傳感器（監(jiān)測(cè)車體繞垂直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)）、橫向加速度傳感器（監(jiān)測(cè)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的離心力）等組成。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)向角度傳感器檢測(cè)到駕駛員的轉(zhuǎn)向角度以后，就會(huì)通知ESP控制單元；與此同時(shí)，各個(gè)車輪轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的車輪轉(zhuǎn)速信息也會(huì)傳遞到ESP控制單元。ESP控制單元根據(jù)各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速計(jì)算出車輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡。如果實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，跟理論運(yùn)動(dòng)軌跡有區(qū)別，或者檢測(cè)出某個(gè)車輪打滑（喪失抓地力），ESP控制單元就會(huì)首先通知節(jié)氣閥，減小開度（收油）。然后通知制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)某個(gè)車輪進(jìn)行制動(dòng)，來修正運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與理論運(yùn)動(dòng)軌跡（駕駛員意圖）相一致時(shí)，ESP自動(dòng)解除控制。5.3懸架控制傳感器懸架控制能夠自動(dòng)調(diào)整懸架剛度、減振器阻尼及車身高度等。改善舒適性、操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。載質(zhì)量行駛速度懸架系統(tǒng)的剛度調(diào)節(jié)減振器阻尼力的大小調(diào)整車身身高路面條件電控懸架控制單元5.4車身傳感器座椅壓力傳感器；安全帶傳感器；側(cè)碰加速度傳感器；正碰加速度傳感器；門鎖傳感器；胎壓傳感器；……6.1什么是好的傳感器？靈敏度大；線性度高；穩(wěn)定性；可重復(fù)性；動(dòng)態(tài)響應(yīng)性（無滯后）；體積小、重量輕；抗干擾性強(qiáng)；適用性廣泛，能在惡劣環(huán)境下工作；……1、傳感器方面a)利用新發(fā)現(xiàn)的材料和新發(fā)現(xiàn)的生物、物理、化學(xué)效應(yīng)開發(fā)出的新型傳感器。光纖流速傳感器熒光材料制作的電子鼻傳感器生物酶血樣分析傳感器熱/光電量6.2測(cè)量技術(shù)和傳感器發(fā)展趨勢(shì)35b)傳感器+嵌入式計(jì)算機(jī)智能傳感器