厲行軍，高瀚林2，林文友

(1.92246部隊，上海 201900；2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

電子調(diào)速器動作靈敏，響應(yīng)速度快，動靜態(tài)精度高的特點[1]，在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制上得到廣泛的應(yīng)用。艦船自動化程度的不斷提高，對艦船動力裝置的控制也提出更高要求，關(guān)于電子調(diào)速器的應(yīng)用，考慮以海茵茨曼旗下歐羅巴公司出品的 Viking35 控制器及執(zhí)行器組成的電子調(diào)速器為例，介紹Viking35控制器的工作原理及典型的故障排除分析方法，為艦員級維修提供參考依據(jù)。

1 Viking 35控制器簡介

Viking35機(jī)旁轉(zhuǎn)速控制模塊即調(diào)速器控制器，使用的是與主機(jī)調(diào)速器執(zhí)行器相配套的控制板，以動作靈敏，響應(yīng)速度快，動靜態(tài)精度高的特點[1]在中速柴油機(jī)上使用廣泛。Viking 35控制器主要實現(xiàn)對主機(jī)的轉(zhuǎn)速的加減、轉(zhuǎn)速指令信號的接受轉(zhuǎn)換與輸出、停車、報警等功能，實物外觀和接線說明見圖1、2。

圖1 Viking 35控制器實物外觀

圖2 Viking 35控制板接線說明

內(nèi)部接線功能如下。

36,38接線端：電子調(diào)速器的供電電源，電壓為24 V；

23,22接線端：主機(jī)控制位置有效判斷，通過采集有無24 V信號來判斷是出于機(jī)旁還是遙控狀態(tài)；

89,88接線端：第一路主機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器反饋轉(zhuǎn)速；

92,91接線端：第二路主機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器反饋轉(zhuǎn)速，兩路主機(jī)轉(zhuǎn)速均為脈沖量信號輸入；

25,24接線端：在機(jī)旁操縱時實現(xiàn)半自動加轉(zhuǎn)速功能，當(dāng)25,24之間采到24 V電即可加實現(xiàn)轉(zhuǎn)速；

27,26接線端：在機(jī)旁操縱時實現(xiàn)半自動減轉(zhuǎn)速功能，當(dāng)27,26之間采到24 V電即可實現(xiàn)減轉(zhuǎn)速；

72,71接線端：遙控控制有效時，由程序發(fā)送過來的轉(zhuǎn)速指令電流；

3,2接線端：經(jīng)過電子調(diào)速器微分計算，放大處理，輸出主控電流；

5,4接線端：電子調(diào)速器故障報警輸出。

2 電子調(diào)速器工作原理

電液調(diào)速器正常使用前需要下載運(yùn)行底程序，下載配置參數(shù)。每臺電液調(diào)速器的參數(shù)并不完全相同，主要根據(jù)主機(jī)特性和調(diào)試過程配機(jī)得到[2]，基本工作原理：通過安裝在主機(jī)自由端或輸出端的轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(也叫反饋轉(zhuǎn)速)，脈沖信號轉(zhuǎn)換為頻率信號，頻率信號輸入到電壓轉(zhuǎn)換模塊，由此產(chǎn)生的模擬電壓量，在此基礎(chǔ)上接入到數(shù)字信號模塊，通過比較偏差模塊和PID運(yùn)算模塊，輸出放大后的控制量，最后輸出到執(zhí)行器驅(qū)動機(jī)構(gòu)已到達(dá)控制轉(zhuǎn)速的目的[2-4]。最終目的是根據(jù)柴油機(jī)外界負(fù)荷變化自動調(diào)節(jié)輸出主控電流信號量大小，使柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速快速趨于穩(wěn)定，減少因復(fù)合變化帶來的波動，從而保證柴油機(jī)具備良好的工作特性，其 PID調(diào)節(jié)原理見圖3[2]。

圖3 PID調(diào)節(jié)原理

Viking35控制器里面的PID調(diào)節(jié)功能會判斷目前動力系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，區(qū)分啟停、加減速、并車等工況自動選擇配置參數(shù)，以實現(xiàn)對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制。一般情況下一個控制器里面有多組PID參數(shù)，如主機(jī)起車過程中的 PID調(diào)節(jié)參數(shù)，主機(jī)運(yùn)行過程中的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，轉(zhuǎn)速采集備用一路啟用時主機(jī)PID調(diào)節(jié)參數(shù)以及控制器的備用配置PID調(diào)節(jié)參數(shù)等。PID調(diào)節(jié)是經(jīng)典控制理論中一種基本調(diào)節(jié)方法，具有比例、積分和微分作用的一種線性調(diào)節(jié)規(guī)律，與之對應(yīng)的3個主要參數(shù)為比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ti和微分系數(shù)Td。這一控制量的表達(dá)式為[3-6]

(1)

比例調(diào)節(jié)功能是指控制系統(tǒng)在控制量上如果出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)會根據(jù)設(shè)定的比例反應(yīng)來進(jìn)行隨動的調(diào)節(jié)作用使其偏差減少。比例系數(shù)Kp值的大小，對應(yīng)著調(diào)節(jié)速度的快慢，Kp值越大調(diào)節(jié)速度就越快，起到減少偏差作用；但過大的Kp值，會導(dǎo)致控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所下降，容易引起被控量發(fā)生振蕩。而積分調(diào)節(jié)的主要功能是使系統(tǒng)提高無差度，消除穩(wěn)態(tài)誤差，只要系統(tǒng)有誤差存在，無論大小積分調(diào)節(jié)功能就會一直有效。積分作用的強(qiáng)弱主要取決于積分系數(shù)Ti值得大小，Ti越小，積分就越強(qiáng)，動態(tài)反應(yīng)就快，可以縮短消除靜差的時間，但也會導(dǎo)致超調(diào)增大，減弱了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分作用主要反映的是系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，可以預(yù)見偏差變化的趨勢，因此微分調(diào)節(jié)功能可以產(chǎn)生超前的控制作用，合適的微分Td值起到改善系統(tǒng)動態(tài)性能的作用，可以減少超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)的時間，但微分作用會對系統(tǒng)的噪音干擾起到放大作用，對系統(tǒng)的抗干擾不利[5-6]。

平時重點關(guān)注幾個階段，如柴油機(jī)的啟動停止、主機(jī)接脫排、主機(jī)加減速等典型使用場景，這些階段，柴油機(jī)負(fù)荷突然變化，導(dǎo)致柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之發(fā)生波動，轉(zhuǎn)速變化主要通過調(diào)整比例參數(shù)(P)來控制。而柴油機(jī)負(fù)荷突然變化后，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定需要一定時間，該反應(yīng)時間主要通過積分調(diào)節(jié)(I)來控制，這需要在試驗中不斷的優(yōu)化PID參數(shù)的設(shè)置來達(dá)到設(shè)計要求[7]。

3 典型故障排除

對于電子調(diào)速器類的故障，在排故之前，首先應(yīng)查看原理圖、接線圖，了解系統(tǒng)器件的結(jié)構(gòu)原理，理清控制流程[8]，不可盲目拆檢，要從整體出發(fā)，從故障現(xiàn)象處入手，通過觀察對比、逐一檢測，最后實現(xiàn)精準(zhǔn)點位。

3.1 基本控制流程

主機(jī)的啟動方式主要有兩種：①機(jī)旁啟動，在機(jī)艙啟動主機(jī)時，只需按下機(jī)旁操縱臺上的起動按鈕直到主機(jī)發(fā)火成功；②遙控啟動，在集控室或是駕駛室的自動操作面板上按下“啟動”按鈕放開即可。二者區(qū)別在于遙控啟動是由程序發(fā)出的啟動命令，指令和反饋是一個閉環(huán)。在主機(jī)啟動時，Viking 35控制器設(shè)定的轉(zhuǎn)速初始化為怠速，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速大于發(fā)火轉(zhuǎn)速后，主機(jī)本身會先拉轉(zhuǎn)速，拉上去之后電子調(diào)速器開始接管，通過主控電流穩(wěn)定到空車目標(biāo)轉(zhuǎn)速400 r/min。

當(dāng)操作部位在機(jī)旁時，只有半自動加減轉(zhuǎn)速功能，通過機(jī)旁臺上“轉(zhuǎn)速加”、“轉(zhuǎn)速減”按鍵分別輸入到電子調(diào)速器的25、24,27、26接線端實現(xiàn)加減速。當(dāng)操作部位在遙控時，在駕駛室和集控室分別布置有主車鐘、遙控操縱板(功能定義鍵)、應(yīng)急操控模塊等指令輸入設(shè)備，當(dāng)在集控室或駕駛室發(fā)出這些遙控指令后，指令通過CAN總線送至機(jī)艙內(nèi)的通用監(jiān)控單元(控制用)，監(jiān)控單元內(nèi)現(xiàn)場控制模塊負(fù)責(zé)控制邏輯的處理，并將控制指令通過I/O輸出，以模擬量形式送至電子調(diào)速器72、71接線端進(jìn)行調(diào)速。

電子調(diào)速器在進(jìn)行調(diào)速時，調(diào)速器根據(jù)兩路反饋轉(zhuǎn)速(一路主用、一路備用)與給定轉(zhuǎn)速的差值比較，調(diào)整主控電流的輸出以達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，同時兩路主機(jī)反饋轉(zhuǎn)速互補(bǔ)使用，當(dāng)一路轉(zhuǎn)速失效時，另一路即可投入使用。電子調(diào)速器因外部因素導(dǎo)致報警時可通過集控室功能定義鍵上的復(fù)位按鈕復(fù)位報警，當(dāng)按下復(fù)位按鈕時，21,20接線端采到24 V電實現(xiàn)對電子調(diào)速器的報警復(fù)位。

3.2 典型故障

1)現(xiàn)象一：主機(jī)起機(jī)后轉(zhuǎn)速到不了400 r/min，運(yùn)行在主機(jī)后備轉(zhuǎn)速區(qū)間。

排除方法如下。

第一步：確定主機(jī)的后備轉(zhuǎn)速，看是否與當(dāng)前的轉(zhuǎn)速一致。拔掉主機(jī)調(diào)速器上主控電流航空插頭，起動主機(jī)觀察主機(jī)后備轉(zhuǎn)速為多少轉(zhuǎn)。一般主機(jī)后備轉(zhuǎn)速設(shè)置在350 r/min左右，建議不要高于380 r/min。如果后備轉(zhuǎn)速設(shè)置400 r/min以上，則主機(jī)起動后轉(zhuǎn)速即為400 r/min以上，不會拉到400 r/min，此時主控電流是不起作用的。后備轉(zhuǎn)速如果設(shè)置在390 r/min左右，主機(jī)起動后，轉(zhuǎn)速可能會保持在后備轉(zhuǎn)速390 r/min左右，因為設(shè)置的后備轉(zhuǎn)速太接近主控怠速，可能會出現(xiàn)短時間拉不到400 r/min的情況。

第二步：轉(zhuǎn)遙控停機(jī)，復(fù)位繼續(xù)觀察。如果主機(jī)起機(jī)后為后備轉(zhuǎn)速低于400 r/min，停下主機(jī)，將操作部位切換到集控，在推進(jìn)臺功能定義鍵按“停車”、“復(fù)位”按鈕，再次起機(jī)觀察。集控室功能定義鍵的“復(fù)位”鍵不僅可以復(fù)位監(jiān)控系統(tǒng)的報警，還能復(fù)位電子調(diào)速器的報警。比如因起機(jī)時燃油壓力低或者起動空氣壓力低導(dǎo)致的起機(jī)失敗，主機(jī)發(fā)生故障導(dǎo)致的故障降速，故障停車等也需要復(fù)位。吹車后或者在機(jī)旁停車后建議按下停車，保證燃油齒條降到5%以下，因為在機(jī)旁時，電子調(diào)速器需要滿足轉(zhuǎn)速為0，燃油齒條5%以內(nèi)這兩個條件后確認(rèn)為主機(jī)正常停車，以保證主機(jī)下次能正常起動。

第三步：判斷是否為主機(jī)轉(zhuǎn)速失效。復(fù)位后，如果起機(jī)后還是主機(jī)后備轉(zhuǎn)速，可在起機(jī)后使用萬用表測量電子調(diào)速器上89、88,92、91接線端上的轉(zhuǎn)速脈沖信號，如果兩個轉(zhuǎn)速沒信號，電子調(diào)速器轉(zhuǎn)速失效報警，主控不起作用。

第四步：判斷是否為調(diào)速器執(zhí)行器主控斷線。復(fù)位后，如果起機(jī)后還是主機(jī)后備轉(zhuǎn)速，檢查從電子調(diào)速器主控輸出到執(zhí)行器航插頭之間線路是否斷線，是否接反。正常情況下電子調(diào)速器主控輸出的3接線端對應(yīng)航空插頭C腳,2接線端對應(yīng)航空插頭的A腳,C腳為正A腳為負(fù)，接反會導(dǎo)致主控不起作用，正常情況下，拔掉主控航插頭，C腳與A腳之間可以測量到直流電24 V。

2)現(xiàn)象二：主機(jī)起動后或者拉高轉(zhuǎn)速后波動比較大。

排出方法如下。

第一步：判斷原因是否為轉(zhuǎn)速反饋故障。使用萬用表測量電子調(diào)速器上89、88,92、91接線端上的轉(zhuǎn)速脈沖信號，觀察轉(zhuǎn)速頻率信號，如果頻率不一致，差值稍大，則可能是兩路主機(jī)轉(zhuǎn)速不一致導(dǎo)致主機(jī)油車，可更換波動較大或誤差較大的轉(zhuǎn)速傳感器。更換方法為將新傳感器擰到底再回轉(zhuǎn)一圈半固定，也可協(xié)調(diào)需服務(wù)人員調(diào)整。

第二步：判斷是否為轉(zhuǎn)速傳感器測量故障。查看主機(jī)飛輪端兩個轉(zhuǎn)速傳感器探頭表面是否有臟污附在上面，測速大齒輪凹槽處是否有雜物，以及傳感器的連接插頭是否有油污，以上原因都會導(dǎo)致脈沖信號采集不準(zhǔn)。有雜物的話需要用干抹布擦拭干凈，清理的時候注意不可隨意拆動改變傳感器的位置。

第三步：判斷主機(jī)特性是否發(fā)生改變。主機(jī)特性發(fā)生改變一般很少出現(xiàn)，一般出現(xiàn)在噴油泵大量的調(diào)整更換，噴油器供油量大批量的調(diào)整或是調(diào)速器與油門拉桿固定螺絲發(fā)生松動移位等情況，如果主機(jī)特性發(fā)生變化，則需要重新進(jìn)行配機(jī)試驗。

4 結(jié)論

艦船自動化發(fā)展對艦員的自修能力要求越來越高，對于電子調(diào)速器類的故障，不僅需要知道其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，控制原理，還需要弄懂與其相匹配的整套執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制流程，理清弄懂各種原理圖、監(jiān)控圖、接線圖。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，做到有

的放矢，從整體上把握方向，從局部出發(fā)，通過左右機(jī)對比觀察法、排除法、湊試法，理論與實踐相結(jié)合，逐步積累排故經(jīng)驗。