电控发动机实训仿真系统设计.docx
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电控发动机实训仿真系统设计
电控发动机实训仿真系统设计
摘要：
由于汽车发动机结构复杂，发动机实验台架价格昂贵，日常维护周期长、投入资金大，所以在汽车维修实践教学中存在不少弊端。
因此，如何实现以较小的资金投入提高实践教学的质量，让学生在有限的时间内更好地掌握电控发动机的整体构造和故障排除的基本思路，成为当今汽车维修实践教学环节中的首要任务。
本设计通过理论分析和实验验证的方法,运用电控发动机标准数据流、电控发动机故障诊断理论及VisualBasic编程语言的知识,分析了汽车电控发动机故障现象与故障原因之间的关联，设计出了一款具有考核功能的电控发动机实训仿真系统。
该系统可以在计算机上仿真电控发动机在不同故障情况下的故障现象和数据流，从而有效节约汽车教学环节中的人力、物力和财力。
关键词：
实训仿真；电控发动机；故障诊断；VisualBasic
PracticalTrainingSimulationDesignofElectronicControlEngine
Abstract:
Therearemanydisadvantagesduringautomobilemaintenancepracticeteachingprocessduetothecomplicatedstructureofautomobileengine,expensiveenginetestbench,longperiodofdailymaintenanceandlargeinvestmentfunds.Therefore,howtoimproveteachingqualitywithsmallercapitalinvestmentandhelpthestudentsgrasptheoverallstructureoftheelectroniccontrolengineandformthebasicwayoffaultexclusionhavebecometheprimarytaskofautomotiveteaching.
Thispapercombinesthetheoreticalanalysisandexperimentalvalidation,usesstandarddataflowofengineandfaultdiagnosistheoryandtheVisualBasicprogramminglanguageknowledge,analyzestherelationshipbetweenthephenomenonandthecauseofautomobileelectroniccontrolengine,designsasetofpracticaltrainingsimulationwiththeassessmentsystemofelectroniccontrolenginefaultdiagnosis,Thissystemcansimulatedifferentfailurephenomenaandthedataflowindifferentfaultsituationsthustosavehumanmaterialandfinancialresourcesduringteaching.
Keywords:
PracticalTrainingSimulation;ElectronicControlEngine;FaultDiagnosis;VisualBasic
前言
随着汽车电子化和集成化的发展,汽车发动机电控技术在给发动机带来控制精确、系统稳定、燃油消耗低和排放污染少等优点的同时,也增加了发动机故障诊断的难度。
在对传统发动机进行故障诊断时,维修人员仅凭自己的经验,通过问、看、听、嗅、摸和试等手段便可确定故障部位,而电控发动机的故障诊断需使用专用诊断仪器设备对电控系统工作参数进行定量的测试和分析,这就对汽车维修人员的素质提出了更高的要求。
近几年来，随着我国汽车工业的飞速发展以及高速公路、高等级公路的大规模建设，车辆密集化和车辆高速化对车辆的安全性能提出了更高要求。
同时国家不断加大职业教育的投入，汽车维修技师作为“技能紧缺型”人才，对汽车维修专业学生的技能培训纷纷成为各职业学校的热点项目，在这样的趋势下，很多教学教具设备研发企业纷纷加大投入力度，努力开发出适应职业学校需要的教学实训设备。
但这些设备的价格比较昂贵，使学校的负担加大，且这些设备使用时也只能是几个学生一起使用，使资源的使用效率大大降低。
还有就是这些教学教具设备研发企业大多都是“半路出家”，由于对学校的需求了解不足，现有的电控发动机试验台架不能真正实现发动机在各种工作状态下的参数稳定。
因此设计电控发动机实训仿真系统代替电控发动机试验台架，不仅可以节约资源，使得学生能在计算机上进行自我学习考核，而且对于教师提高教学效率也有重要的作用[1][2]。
本设计是利用VisualBasic6.0程序语言设计出汽车电控发动机系统的仿真软件，通过计算机模拟实现正常工作、人工故障设置、故障检测诊断和故障诊断评分等功能。
本软件界面友好，对于各职业学校教学具有很好的辅助作用，适用于学生对电控发动机故障诊断的学习，自行模拟电控发动机故障诊断，提高教师的教学效率。
由于本人水平有限，很多问题考虑欠全面，有些技术性的问题还须进一步完善。
恳请使用者能够提出宝贵的意见[3][4]。
第1章绪论
1.1课题设计的目的、意义
1.本课题研究的目的
发动机台架实验测量数据具有随机性，无法真实稳定地反映出发动机的工作情况，对发动机的实时动态检测带来不便。
利用计算机仿真技术可模拟电控发动机的工作过程，实现电控发动机的数据仿真，并能实现动态参数检测、静态物理量测量、人工故障设置等，开发本系统是为了在实践教学中更好的掌握电控发动机的控制原理和故障诊断理论。
2.本课题研究的意义
（1）可以节约大量的仪器设备。
原本需要价格昂贵的发动机诊断仪器，使用仿真设计后则可省去这些仪器设备的投入。
（2）提高数据的读取可靠性。
由于软件程序具有封装性和独立性，不受外界环境的信息干扰，不像发动机台架由于各种环境因素导致数据不稳定。
（3）提高数据的读取速度。
软件仿真可通过数据模拟的方式，教学者可通过操作界面点击，连接读取信号源，无需到真车上寻找，从既而大大减少教学时间并提高数据的读取效率。
（4）提高教学过程的真实度和可操控性。
教学者通过投影界面面向广大学习者进行可视化教学，学习过程直观可见，提高了学习过程的真实度易于学习者接受和理解。
1.2课题的主要内容
1.2.1三维实体建模
1.研究如何利用3D-MAX软件进行电控发动机实训仿真系统各部件的结构三维实体建模；
2.研究如何将实体模型导入VB环境中；
3.研究如何将实体模型在VB环境中进行动画演示。
1.2.2利用VB语言编程设计电控发动机实训仿真系统
1.利用VB语言编程，将电控发动机系统动作执行、检测工具以动画或模型生动、详尽地展示出来；
2.利用VB语言编程实现电控发动机系统正常工作、人工故障设置、故障检测诊断和故障诊断评分等功能模块的设计。
1.3课题设计的方法
本程序有四个主要组成部分，分别为正常模式、故障模拟模式、成绩查询和考核模式。
1.3.1系统整体方案的设计
整个设计系统以计算机软件技术、电控发动机控制策略为设计核心，各个控制系统的信号采集，通过程序的数学建模运算和传输，实现电控发动机的模拟仿真，系统可以模拟发动机动态运行参数，并进行数据外观输出。
1.3.2系统软、硬件配置
计算机软件以VisualBasic6.0程序设计语言、3Dsmax绘图软件为主，实验硬件配置包括奥迪A4、VGA1552、车用万用表等。
1.3.3窗体设计
包括主界面窗体、考核界面、故障设置界面、成绩管理界面。
1.3.4程序设计
利用3Dsmax三维建模软件绘制电控发动机外观模型和各检测设备模型，并以动画格式输出，利用VisualBasic6.0程序设计语言导入模拟动态发动机，实现静态参数测量、主要仪器设备的使用、故障检测与维修、实训考核等功能。
1.电控发动机总体认知。
本实训把原发动机直接展示在电脑屏幕上可以对学生进行发动机电控方面的构造教学，使学生了解各种传感器和控制部件的安装位置、作用及工作原理，从而进一步加深学生对电控发动机的原理认知。
2.软件模拟利用诊断仪读取发动各种传感器的故障代码。
故障诊断仪器的的使用是学生学习的一方面，在实训软件中有故障诊断接口，可以很方便地与故障仪对接，从而读取发动机的各个故障码和数据流，使学生学会分析发动机的工况。
3.电动机电子控制系统、燃油供给系统、点火系统的故障诊断。
在发动机实训软件中有故障设置窗口，在实践教学上利用故障窗口来设置实训系统的故障。
学生可以通过故障诊断仪来获取故障信息，利用万用表来检测元件和线路的好坏，从而学会电控发动机故障的诊断和检测程序。
第2章汽车发动机常见故障及诊断方法
目前汽车普遍使用电控发动机，电控发动机系统常见故障有：
无法起动、起动困难、怠速不稳、工作不稳、加速无力、动力不足、排放异常、油耗过高、发动机回火等。
常见故障原因有：
冷却液温度传感器G62故障、霍尔传感器G28无信号或信号不正确、进气温度传感器、曲轴位置传感器故障、燃油压力调节器故障、喷油器线路故障或喷油器堵塞、供气系统不畅、点火系统故障、节气门控制组件故障、发动机控制单元J220故障或编码不正确等。
本章以奥迪A4轿车发动机为例，详细介绍诱发故障症状的故障原因和检查排除故障的步骤[5]。
2.1奥迪A4轿车发动机资料
发动机型:
AWL型
排量：
2.0L
压缩比：
9.5:
1
最大扭矩：
300N•m（1750-3200r/min时）
最大功率：
160KW（1600r/min时）
发动机管理系统：
MotronicM3.8.2
燃油：
95RON无铅汽油
其它：
水冷、直列式、四冲程、六缸、五气门、电控多点燃油喷射汽油机、涡轮增压、缸径×冲程=81.0mm×86.4mm、两级可变进气歧管长度、可变配气相位。
2.2奥迪A4轿车发动机常见故障
故障一：
启动困难或无法起动
故障二：
怠速不稳
故障三：
加速无力
故障四：
动力不足
故障五：
排放异常
故障六：
油耗过高[6]
2.3奥迪A4轿车发动机常见故障原因
2.3.1故障一：
启动困难或无法启动
故障原因：
1.燃油压力低或燃油泵供电系统故障
2.喷油器或其线路故障
3.冷却液温度传感器G62故障
4.节气门控制组件故障
5.控制单元J220故障或编码不正确
6.发动机转速传感G28故障
7.点火系统故障[7]
2.3.2故障二：
怠速不稳
故障原因：
1.喷油器或其线路故障
2.燃油压力低
3.氧传感器G39故障
4.节气门控制组件故障
5.点火系统故障[8]
2.3.3故障三：
加速无力
故障原因：
1.节气门控制组件故障
2.供气系统故障
3.喷油器或其线路故障
4.爆燃传感器G61、G62故障
5.点火系统故障[9]
2.3.4故障四：
动力不足
故障原因：
1.霍尔传感器G40无信号或信号不正确
2.燃油压力低
3.节气门控制组件故障
4.供气系统故障
5.喷油器或其线路故障
6.点火系统故障
7.爆燃传感器G61、G62故障[10]
2.3.5故障五：
排放异常
故障原因：
1.冷却液温度传感器G62故障
2.供气系统故障
3.氧传感器G39故障
4.霍尔传感器G40无信号或信号不正确
5.爆燃传感器G61、G62故障
6.控制单元J220故障或编码不正确[11]
2.3.6故障六：
油耗过高
故障原因：
爆燃传感器G61、G62故障
供气系统故障
喷油器或其线路故障
燃油压力低
冷却液温度传感器G62故障
氧传感器G39故障
霍尔传感器G40无信号或信号不正确[12]
第3章电控发动机实训仿真设计程序设计及使用说明
3.1仿真系统各窗体展示
图3.1主界面
图3.2考核界面
图3.3考核界面工具栏功能
图3.4登录子窗口
图3.5故障设置子窗口
图3.6电路图子窗口
图3.7保险丝盒子窗口
图3.8更换组件子窗口
图3.9成绩查询子窗口
图3.10密码修改子窗口
图3.11系统说明子窗口
3.2仿真系统各主要功能实现方法
3.2.1点火开关控制
（a）（b）（c）
图3.10点火开关位置
在窗体Form1中加入一个Image控件组名称为Image2，其中包括3个控件元素；再加入一个Timer控件名称为Timer1。
以上控件属性设置见下表。
表3-1控件属性列表
控件
属性
属性值
Image2（0）
Picture
图3.10（a）图
Image2
（1）
Picture
图3.10（b）图
Image2
（2）
Picture
图3.10（c）图
Timer2
Interval
10
点火开关原始状态是在OFF档，单击Image2后点火开关拨到ON档，再次单击Image2后开关位置在START档保持一秒后复位到ON档，此时发动机应当处于怠速状态，单击Image2关闭发动机，开关回到OFF档。
下面是实现以上功能所需要的编程代码[13]：
PrivateSubImage2_Click（IndexAsInteger）
Statici'点火开关控制
i=i+1
SelectCasei
Case1
Image2（0）.Visible=False：
Image2
（1）.Visible=True：
Image2
（2）.Visible=False
Case2
Timer1.Enabled=True'开关复位
Timer2.Interval=100
DimaAsInteger
a=a+1：
Y=a
Case3
Image2（0）.Visible=True：
Image2
（1）.Visible=False：
Image2
（2）.Visible=False
Timer2.Enabled=False
DimbAsInteger
b=b+1
Y=b
Timer2.Interval=100
EndSelect
Ifi=3Then
i=0
EndIf
EndSub
PrivateSubTimer1_Timer（）
StaticX'点火开关控制
X=X+1
Image2（0）.Visible=False：
Image2
（1）.Visible=False：
Image2
（2）.Visible=True
IfX=10Then
X=0
Image2（0）.Visible=False：
Image2
（1）.Visible=True：
Image2
（2）.Visible=False
Timer1.Enabled=False
EndIf
EndSub
分析程序代码，则程序流程图如下：
3.2.2万用表档位选择控制
（a）（b）（c）（d）
图3.11万用表档位位置
在窗体Form1中加入一个Image控件组名称为Image4，其中包括4个控件元素；加入两个时间控件Timer7和Timer9；加入一个Label控件组名称为Label12，其中包括4个控件元素。
以上控件属性设置见下表。
表3-2控件属性列表
控件
属性
属性值
Image4（0）
Picture
图3.11（a）图
Borderstyle
0
Image4
（1）
Picture
图3.11（b）图
Borderstyle
0
Image4
（2）
Picture
图3.11（c）图
Borderstyle
0
Image4（3）
Picture
图3.11（d）图
Borderstyle
0
Timer7
Interval
100
Timer9
Interval
100
Label12（0）
Caption
空值
Label12
（1）
Caption
空值
Label12
（2）
Caption
空值
Label12（3）
Caption
空值
万用表开关原始状态是在OFF档，单击Label12
（1）后万用表拨到电阻档，单Label12
（2）后万用表拨到直流电压档，单击Label12（3）后万用表拨到交流电压档，单击Label12（0）后万用表关闭回到OFF档。
下面是实现以上功能所需要的编程代码：
PrivateSubLabel12_Click（IndexAsInteger）
SelectCaseIndex
Case0‘万用表关闭
Image4（0）.Visible=True
Image4
（1）.Visible=False
Image4
（2）.Visible=False
Image4（3）.Visible=False
Case1‘万用表处于电阻档
Image4（0）.Visible=False
Image4
（1）.Visible=True
Image4
（2）.Visible=False
Image4（3）.Visible=False
Case2‘万用表处于直流电压档
Image4（0）.Visible=False
Image4
（1）.Visible=False
Image4
（2）.Visible=True
Image4（3）.Visible=False
Case3‘万用表处于交流电压档
Image4（0）.Visible=False
Image4
（1）.Visible=False
Image4
（2）.Visible=False
Image4（3）.Visible=True
EndSelect
EndSub
分析程序代码，则程序流程图如下：
PrivateSubTimer7_Timer（）
DimfAsInteger:
DimiAsInteger:
DimjAsInteger:
DimkAsInteger
IfImage4（0）.Visible=TrueThenf=1
IfImage4
（1）.Visible=TrueTheni=1
IfImage4
（2）.Visible=TrueThenj=1
IfImage4（3）.Visible=TrueThenk=1
off=f:
dianzu=i:
zhiya=j:
jiaoya=k
EndSub
分析程序代码，则程序流程图如下：
off,dianzu,zhiya,jiaoya为Form1中的窗体变量，时间控件Timer7会时时检测万用表档位的变化，并把它们的值记录在窗体变量off,dianzu,zhiya,jiaoya中，这四个值的保存是为后面的万用表表笔显示和不同元器件、不同档位的测量服务的[14]。
PrivateSubTimer9_Timer（）
IfImage2
（1）.Visible=TrueAndImage4
（1）.Visible=TrueThen
MsgBox"不允许带电测量元件电阻值！
"
Image4（0）.Visible=True:
Image4
（1）.Visible=FalseImage4
（2）.Visible=False:
Image4（3）.Visible=False
EndIf
EndSub
这段程序是为了防止万用表在电气元件带电的情况下测量电阻值，以免损坏万用表，这在实际操作中是非常重要的，所以在此列举出来。
分析程序代码，则程序流程图如下：
3.2.3万用表表针显示与提示框的控制
图3.12万用表指针显示图
图3.13万用指针显示全图
图3.14提示框显示示例
仿真系统中涉及到许多静、动态量的测量，在前文中讲述了万用表档位的控制，在本节中所述的是在万用表换档和测量不同传感器时万用表表笔的显示和提示框显示内容的控制方法，在本段程序中的控制核心是Timer控件，Timer控件具有监控功能，它的Interval属性可以设置它激发间隔的时间。
要实现万用表表笔的显示功能则需添加以下控件，在发动机结构图各传感器测量点处加入1个OptionButton控件数组，其中有11个控件元素，设置其Style属性值为1；然后再添加8个Image控件数组，每组中有两个控件元素，设置其BroderStyle属性值为0,Visible属性为False；最后添加一个Timer控件，Interval属性为100。
各表笔的具体位置如图3.13所示。
要实现提示框显示内容的控制则需添加以下控件，在Form1窗体中加入一个Label控件，其Name属性为ts，提示框的显示内容如图3.14所示。
下面是实现万用表表笔显示和提示窗体显示控制的部分代码：
PrivateSubOption1_Click（IndexAsInteger）'万用表表笔显示控制段
SelectCaseIndex
Case0
Image7（0）.Visible=True:
Image7
（1）.Visible=True:
Image3（0）.Visible=False
Image3
（1）.Visible=False:
Image17（0）.Visible=False:
Image17
（1）.Visible=False
Image8（0）.Visible=False:
Image8
（1）.Visible=False:
Image13（0）.Visible=False
Image13
（1）.Visible=False:
Image10（0）.Visible=False:
Image10
（1）.Visible=False
Image9（0）.Visible=False:
Image9
（1）.Visible=False:
Image14（0）.Visible=False
Image14
（1）.Visible=False:
Image12（0）.Visible=False:
Image12
（1）.Visible=False
Image16（0）.Visible=False:
Image16
（1）.Visible=False:
Image15（0）.Visible=False
Image15
（1）.Visible=False
…………
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