基于 VB 的燃料电池发动机监控系统设计 徐翠琴吴蕾全书海 ( 武汉理工大学自动化学院, 武汉 430070) 摘要 : 应用 Visual Basic6.0 开发燃料电池发动机车载监控系统软件, 包括动态主控界面设计 通讯程序设计 控制程序设计和数据存储程序设计 描述了整个监控画面的设计原理和方法, 详细地介绍了通信协议和上位机监控程序的工作流程, 并补充说明了 VB 中 PID 控制算法的实现, 用以调整电堆温度 压力 水位等各种监控参数 ; 最后介绍了历史数据存储程序的操作方法 实践证明, 该系统图形界面友好, 数据采集准确可靠, 操作简单, 安全稳定 关键词 : VB; 燃料电池发动机 ; 串行数据通信 ;PID 控制中图分类号 :TP229 文献标识码 :B Design of Fuel-Cell Engine Monitoring System Based on the Visual Basic Xu Cuiqin Wu Lei Quan Shuhai (College of Automation,WuHan University of Technology,WuHan,430070) Abstract: Fuel-cell engine monitoring System is designed based on the Visual Basic, including the design of control picture, communication program, control program and data saving. It describe the hole design method of monitoring picture, communication handy and the course of monitoring program, the PID control algorithm, and the historical data saving. It is proven that this system features with friendly interfaces, reliable and accurate data collection, and easy, safe and steddy operation. Keywords: VB ; fuel-cell engine; serial data communication; PID control 前言 为了保护地球环境, 以燃料电池代替燃油发动机是未来汽车发展的趋势 燃料电池汽车与传统汽车的区别主要在于由燃料电池动力系统替换了传统的内燃机动力系统 显然, 其发动机系统的研究成了燃料电池电动汽车研发的关键 因此, 在研发过程中, 需要对发动机的各系统进行实时监控, 记录各种相关试验数据, 分析其运行特性, 为发动机控制策略的不断改进提供依据, 同时对整车性能进行评估 因此, 燃料电池发动机车载控制系统的开发具有很重要的现实意义 VisualBasic6.0 提供了丰富的控件, 可以方便 快捷地开发燃料电池发动机车载系统的整个软件程序, 达到对现场各个参数有效监控的目的 同时,VB 中 PID 控制算法也可以对燃料电池水量 温度 压力等各个监控量进行实时整定 1 燃料电池车载监控系统的软件设计 Visual Basic( 简称 VB), 是微软公司推出的强有力的系列开发软件之一 不但提供了良好的界面设计能力, 而且在微机串口通信方面也有很强的功能, 它提供的串行通信控件 MSComm32.OCX, 全面提供了使用 RS-232 进行数据通信的所有协议, 我们可以使用不同的工作方式来处理和解决燃料电池车载监控系统通信软件设计的所有问题 基金项目 : 国家 863 项目资助 ( 项目编号 2001AA501213 ) 第一作者 : 徐翠琴 (1981-), 女, 汉族, 硕士研究生, 武汉理工大学自动化学院, 研究方向 : 检测技术及智能控制第二作者 : 吴蕾 (1982 ), 女, 汉族, 硕士研究生, 武汉理工大学自动化学院, 研究方向 : 控制理论与控制工程第三作者 : 全书海 (1955 ), 男, 汉族, 博士生导师, 武汉理工大学自动化学院, 研究方向 : 智能控制, 检测技术与图像处理等方面
1.1 主控界面设计燃料电池主控界面的设计是整个上位机软件设计的重点之一, 它直接影响发动机系统监控效率的高低 因此, 清晰 人性化的界面设计是整个软件开发的重要前提 以 VB6.0 为软件平台开发的燃料电池车载监控系统的主控画面如图 1 所示 通过该主界面可以完成对系统主要设备运行状态的实时监控, 包括用不同的颜色来表示设备的启 停, 用文本框显示系统主要的运行参数, 如电压 电流 压力等, 利用 CommandButton 控件的 Click 事件完成布尔变量的发送, 从而实现对开关和阀门的开启 关闭控制 同时, 添加各种控件, 导入图片, 并通过设置其不同属性, 达到了美观 实用的效果 图 1 燃料电池车载监控系统主画面 1.2 通信程序设计燃料电池发动机车载监控系统的通信包括上位机和下位机的通信 主要是 PC 机和下位机硬件之间通过串口线完成数据的传输, 以期对工业现场采集的信息进行适时准确地监控 1.2.1 通信协议在串行通信的实现过程中, 底层为通信工作以及操作系统和计算机硬件提供了有力的支持, 但是为了实现特定的用户功能, 必须在软件中制定基于应用的通信协议 在开发燃料电池串行数据通信程序的过程中, 通过长期的调试和不断的总结, 最终得到一套完整而可靠的通信协议. 该协议一共分为 3 层, 分别为 : 1. 物理层 规定了电子电气方面的特性及原始位流在物理链路上的传输, 提供了原始位流传输信道 ; 串行通信口 :RS-232 串口硬件接口 :DSP 输出的 TTL 电平经专用集成块转换成 RS-232 信号波特率 :9600 字符格式 :8 位数据位,1 位停止位差错校验 : 无奇偶校验 2. 数据链接层 定义了数据帧作为信息传输单元, 使用差错校验和帧应答等技术, 屏蔽物理路上的噪声, 使传输通道变成一条可靠的信道 ; 数据链接层为数据的准确通信提供了充足的信息 表 1 描述了设备数据包传输的结构 表 1 数据包传输结构 LENGTH TYPE CMD DATA CHKSUM (1) (1) (1) (<=27) (2) LENGTH 数据包字节总数 ; TYPE 命令类型 分为系统型 (0X00) 具体型(0X11,0X13,0X15,0X16,0X17, 0X18,0X1A,0X1B) 和多协议型 (0X14); CMD 命令的 ID 号 决定命令类型为命令信息还是应答信息 ; DATA 由 CMD 决定数据字节长度 ; CHKSUM 校验和码 循环冗余校验是一种常用的校验码 3. 应用层 负责建立通信伙伴之间的连接关系, 实现操作同步, 报警及数据完整性等
管理任务 对用户及用户程序提供以下功能 : (1) 选择控制多台下位机定时, 即时或适时跟踪采样现场信息, 将数据送数据库保存, 数据库存储一定时段的数据, 程序具有对数据二次处理, 绘制曲线图及报警等功能 ; (2) 设置采样参数 ; (3) 当通信线路中断或通信失败时, 往下位机发出报警信息 ; 1.2.2 上位机工作流程燃料电池发动机车载监控系统的上位机软件分为手动程序和自动程序, 自动程序是通信程序设计的最终版, 一旦进入开机工作状态, 就能够自动完成对下位机的监控功能, 包括发送和接收信息 ( ******* 为注释部分 ) (1) 发送信息程序段 其工作流程如下图 2 简单代码举例如下: Private Sub Cmdstop_Click() '*********** 发送开机命令 *********** byteout(0) = &HAA byteout(1) = &H55 MSComm1.Output = byteout (2) 接收信息程序段 接收部分需要准确采集现场上传的适时参数, 如温度 电流 电压 水位等, 以便分析和改进整车性能, 是通信程序设计的重点, 通过 VB 中 MSComm 控件的 OnComm 事件来完成 其工作流程如下图 3, 简单代码举例如下 : Private Sub MSComm1_OnComm() *** 数据接收 Dim buf() As Variant Dim buf1(1 To 2) As Byte buf = MSComm1.Input *** 通过 MSComm 的 Iutput 属性接收数据 buf1(1) = buf(0) buf1(2) = buf(1) Text1.Text = buf1(2) * 256 + buf1(1) 图 2 上位机发送信息流程图 图 3 上位机接收信息流程图 2 控制程序设计 PID 控制是比例, 积分, 微分控制的缩写 它具有原理简单 使用方便 适用性广和鲁棒性强等特点, 在工业控制领域具有强大的生命力 改变 P 可提高响应速度, 减小静态误差, 但太大会增大超调量和稳定时间 ;I 与 P 的作用基本相似, 但要使静态误差为 0, 必须使用积分 ;D 与 P,I 的作用相反, 主要是为了减小超调, 减小稳定时间 在仿真和实验
中, 如果被控对象的结构和参数不能完全把握, 或者得不到精确的数学模型, 而且其它常规的控制方法难以实现, 这时, 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定, 采用 PID 控制技术最为方便 现阶段, 我们对燃料电池电堆的模型不是十分了解, 还不能通过有效的测试手段来获得系统的参数, 因此, 采用增量 PID 控制算法比较适合 在 VB 中, 增量 PID 控制算法是通过自定义 Function 函数及调用该函数来实现的 自定义 Function 函数 : Public Function PID(ByVal P As Single, I As Single, D As Single, PIDset As Single, PIDreturn As Single, DeltaPIDpre_1 As Single, DeltaPIDpre_2 As Single) As Single '******** 增量 PID 计算自定义函数 ********** '**P--PID 比例系数 ;I--PID 积分系数 ;D--PID 微分系数 '**PIDset--PID 设定值 '**PIDreturn--PID 反馈值 '**DeltaPIDpre_1--PID 偏差前值 '**DeltaPIDpre_2--PID 偏差前前值 Dim PIDout As Single '**PID 输出值 ** Dim DeltaPID As Single '**PID 偏差值, 为中间变量 ** DeltaPID = PIDset - PIDreturn PIDout = P * (DeltaPID - DeltaPIDpre_1) + I * DeltaPID + D * (DeltaPID - 2 * DeltaPIDpre_1 + DeltaPIDpre_2) DeltaPIDpre_2 = DeltaPIDpre_1 DeltaPIDpre_1 = DeltaPID End Function 要对输入的控制量进行 PID 调节, 只需简单的调用上述函数即可 例如, 在对电堆的输入温度进行控制时, 调用上述函数过程如下 : Private Sub MSComm1_OnComm() '******* 数据接收 *********** Dim Mid As Single Mid = Format(Round((buf1(5) * 256 + buf1(4) - 4095 / 5) * 125 / 4095, 2), "0.0") '***** 输入电堆温度 ***** Text1.Text = Mid + PID(outTP, outti, outtd, outtpidset, outtpidreturn, outtdeltapidpre_1, outtdeltapidpre_2) '**********outtp-- 温度 P, outti-- 温度 I, outtd-- 温度 D, outtpidset-- 温度设定, outtpidreturn-- 温度, outtdeltapidpre_1-- 温度前值, outtdeltapidpre_2-- 温度后值 3 数据存储程序设计 VB 语言提供了多种操纵数据库的方法, 使用 Ado Data 控件访问数据库就是一种很常用的操纵方法 通过设置和操纵其属性就可以实现与数据库的连接, 通过绑定数据感知控件就能提供一个访问数据库的界面, 用来对数据库数据的浏览, 添加, 删除, 修改等操作 整个过程实现和操作起来非常简单方便 具体连接步骤如下 : (1) 建立 Access 数据库 (2) 引用 Ado Data 控件和数据感知控件 DataGrid (3) 分别设置 Ado Data 控件的 ConnectionString CommandType RecordSource 三个重要的属性以及 DataGrid 控件的 DataSource 属性
在设置 Ado Data 控件的 ConnectionString 属性的最后, 将出现 测试连接 的按扭, 通过单击此按扭可以清楚的了解到数据库连接成功与否, 非常简单方便 具体程序的编写格式为 : 数据库画面名称.Adodc1.Recordset.AddNew 数据库画面名称.Adodc1.Recordset.Fields(" 日期 ") = Date 数据库画面名称.Adodc1.Recordset.Fields(" 时间 ") = Format(Now, "h:mm:ss") 数据库画面名称.Adodc1.Recordset.Fields(" 参数名称 ") = 接收到的参量数据数据库画面名称.Adodc1.Recordset.Update 数据库的设计需要特别注意的是 : 1. 在 Access 数据库定义的各个参数的名称 类型 出现的顺序以及格式都必须与代码中的 参数名称 完全一致 2. 设置 Ado Data 控件的 ConnectionString 属性的时候, 必须选择正确的数据库所在路径 4 结束语 现场调试表明, 该车载监控系统能够长时间稳定工作, 并且抗干扰能力较强, 能方便有效地监控现场的各种实验数据 其数据库管理操作也具有极大的灵活性和控制力 本文作者创新点 : 1. VB 中 PID 控制算法的实现, 以调整电堆温度 压力 水位等各种监控参数 ; 2. 基于 VB 的串口通信技术在燃料电池车载监控系统中的应用 参考文献 1 冀常鹏, 包剑基于 CANBUS 的汽车发动机控制器研究技术 2005 2 王文东, 陈实, 吴锋温度 压力和湿度对质子交换膜燃料电池性能的影响能源研究与信息 Vol.19 No.1 2003 3 张永宏, 胡德金基于 Visual Basic 的串行通信技术在自动化监控系统中的应用组合机床与自动化加工技术 2003 年第 10 期 4 夏临闽, 胡仁杰串行通信中数据正确性的保证电子工程师 2000 年第 11 期 5 宋娟, 罗志平, 全书海基于 PID 算法的燃料电池实验室组态王监控系统微计算机信息 2006 年第 22 卷第 1 1 期第 28 页作者英文简介 : The first Author: Xu Cuiqin (1981-),The Han,Female, Bachelor, College of Automation,WuHan University of Technology, Research direction: Detection technology and Intelligent control The second Author: Wu Lei (1982-),The Han,Female, Bachelor, College of Automation,WuHan University of Technology,Research direction: Control theory and Control engineering The third Author: Quan Shuhai (1955-),The Han, Male, The tutor of PH.D.,College of Automation,WuHan University of Technology, Research direction: Intelligent control, Detection technology and Image processing 作者联系方式 : 姓名 : 徐翠琴 E-mail:xucuiqin1122@163.com 通信方式 : 武汉理工大学马房山校区西院 62 信箱徐翠琴收邮编 :430070