丁 蓉 李岳峰 劉逸斐 崔向海

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海200090）

1 前言

調速型液力偶合器具有起動平穩(wěn)、無級變速、緩沖隔振、過載保護、節(jié)能等優(yōu)點，可使風機、水泵在不同工況下穩(wěn)定運行，滿足設備的實際使用需求并具有顯著節(jié)能效果，在電力、鋼鐵等領域得到廣泛應用?，F(xiàn)有調速液力偶合器主要通過電動執(zhí)行器進行開環(huán)調速，控制精度較低，不能有效滿足調速控制的需要。采用虛擬儀器圖形化編程軟件LabVIEW可以實現(xiàn)對偶合器的速度控制。

2 控制系統(tǒng)組成與工作原理

偶合器閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成如圖1所示，主要由一臺工控機、一塊NI6014多功能卡、一臺智能操作器、一臺微機測速儀以及偶合器和電動執(zhí)行器組成。

圖1 控制系統(tǒng)組成圖Fig.1 Control system combination diagram

在工控機中由LabVIEW程序計算出應該發(fā)出0～5V的控制電壓，然后通過NI6014卡發(fā)出，這個電壓通過直流放大器轉換成4～20mA的電流進入智能操作器控制電動執(zhí)行器正轉或者反轉以使偶合器增速或者減速。另一方面，偶合器的轉速由轉速傳感器采集通過微機測速儀反饋4～20mA到NI6014卡，傳到工控機LabVIEW程序計算得出。

3 系統(tǒng)軟件設計

總系統(tǒng)由兩個閉環(huán)控制系統(tǒng)組成，一個閉環(huán)控制系統(tǒng)通過硬件完成，當智能操作器得到NI6014發(fā)出的0～20mA閥位控制信號時相應控制電動執(zhí)行器正轉或者反轉以達到調速的目的，同時電動執(zhí)行器會反饋給智能操作器一個0～20mA的位置反饋信號，當控制信號和反饋信號相等時電動執(zhí)行器停止轉動，否則會相應正轉或者反轉。另外一個閉環(huán)控制系統(tǒng)由LabVIEW軟件程序完成，程序的流程圖如圖2所示，首先采集偶合器的當前轉速，通過計算得出當前的平均轉速與要求轉速做比較來確定輸出方式，然后輸出相應的計算值。

圖2 程序流程圖Fig.2 Program flow－process diagram

程序的前面板如圖3所示，程序框圖如圖4所示。

從框圖程序可以看出程序的主要結構是一個while循環(huán)加一個順序結構，其內部結構可分為6個部分：轉速采集模塊、速度預控制模塊、加速模塊、控制方法選擇模塊、過載保護模塊和時間延遲。下面介紹各個部分的功能。

（1）轉速采集模塊

圖3 程序前面板圖Fig.3 Program front plate diagram

該模塊的功能通過數(shù)據(jù)采集配置子模板設置采集通道，由數(shù)據(jù)采集子模板采集數(shù)據(jù)，為了使數(shù)據(jù)更準確，連續(xù)測量10次轉速寫入數(shù)組，然后運用數(shù)組函數(shù)取出最大值和最小值，計算剩余8次測量數(shù)據(jù)的平均值作為此時的轉速。

（2）速度預控制模塊

該模塊把偶合器的轉速差和導流管的位置差值默認為是線性的，先通過插值計算得到相應轉速對應的輸出電壓以粗調。在運行程序前將導流管伸到其行程的最里面，啟動電機，穩(wěn)定運行10分鐘后記錄樣機的最小輸出轉速nmin，此時的NI6014卡的輸出電壓為4V；然后將導流管伸到其行程的最外面，穩(wěn)定運行10分鐘后記錄樣機的最大輸出轉速nmax，此時的NI6014卡的輸出電壓為0V。然后通過模塊中的公式計算出速度預控制模塊的輸出。

（3）加速模塊

加速模塊，也叫細調模塊，在經(jīng)過第（2）步的粗調以后計算出要求轉速和實際轉速的差值，然后根據(jù)下面的規(guī)則確定模塊的輸出：

① 當要求轉速和實際轉速的差值大于200r/min時，輸出電壓的增量為±1V；

② 當要求轉速和實際轉速的差值大于100r/min小于時200r/min，輸出電壓的增量為±0.5V；

③當要求轉速和實際轉速的差值小于10r/min時，輸出電壓的增量為±0.1V。

第③條之所以要把差值定為10r/min，是為了滿足轉速波動率小于2%。

（4）控制方法選擇模塊

該模塊用于確定程序現(xiàn)在處于哪種控制方式，共有三種：

①要求轉速為0，表示程序處于開始階段，沒有輸入要求轉速，此時電動執(zhí)行器將導流管伸到其行程的最里面，偶合器轉速處于最低點；

② 當要求轉速發(fā)生變化時，程序處于預調階段，輸出為速度預控制模塊的輸出；

圖4 程序框圖Fig.4 Program scheme

③ 當要求轉速不為0且保持不變時，程序處于加速階段，輸出為加速模塊的輸出值與前一次輸出值的和。

（5）過載保護模塊

由于電動執(zhí)行器的行程有限，用此模塊把輸出限定在0～4V。

（6）時間延遲

由于偶合器的固有特性，從導流管位置變化到偶合器輸出轉速的變化會有一定的滯后，所以在程序中選擇合適的時間延遲也是非常重要的一個步驟。

4 試驗驗證

該控制系統(tǒng)部分參數(shù)通過臺架試驗進行確認與驗證，試驗臺由電動機、齒輪箱、偶合器試驗件、轉速傳感器、水力測功器組成，設備布置如圖5所示。

圖5 試驗臺布置簡圖Fig.5 Testing stand arrangement diagram

為測定延遲時間參數(shù)，保持電機和水力測功器設定參數(shù)不變，改變樣機的輸出轉速設定值為900r/min，程序的延遲時間分別設為30s、10s、5s、3s，從設定開始到轉速穩(wěn)定的速度曲線對比如圖6所示。

分析上面的各個工況速度曲線圖可以確定程序的最佳延遲時間為10s。當延遲時間是30s的時候，整個程序的反應過慢；當延遲時間是5s的時候，會在要求轉速的附近產(chǎn)生小幅振蕩，不滿足轉速波動率小于2%的要求；當延遲時間是3秒的時候，產(chǎn)生大幅振蕩，不符合要求。

圖6 延遲時間與速度曲線對比圖Fig.6 The delay time with speed curve contrast diagram

5 結 論

（1）給出了調速型液力偶合器閉環(huán)控制系統(tǒng)設計方法與工作原理。

（2）提出了基于LabView軟件的系統(tǒng)組成模塊，以及各模塊的實現(xiàn)方法。

（3）通過試驗驗證確定了系統(tǒng)最佳延遲時間參數(shù)。

（4）偶合器閉環(huán)控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對調速型偶合器的速度較精確控制，編程簡單，可根據(jù)用戶的不同要求隨時調整，具有較好的實用價值。

［1］ Robert H.Bishop.LabVIEW7使用教程.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［2］ 侯國屏，王珅，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計.北京：清華大學出版社，2005.

［3］ 劉應誠，楊乃喬.液力偶合器應用與節(jié)能技術.北京：化學工業(yè)出版社，2006.

［4］ 楊乃喬，姜麗英.液力調速與節(jié)能.北京：國防工業(yè)出版社，2000.