基于LabVIEW的偶合器閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁 蓉 李岳峰 劉逸斐 崔向海

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海200090）

1 前言

調(diào)速型液力偶合器具有起動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)級(jí)變速、緩沖隔振、過(guò)載保護(hù)、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，可使風(fēng)機(jī)、水泵在不同工況下穩(wěn)定運(yùn)行，滿足設(shè)備的實(shí)際使用需求并具有顯著節(jié)能效果，在電力、鋼鐵等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有調(diào)速液力偶合器主要通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行開(kāi)環(huán)調(diào)速，控制精度較低，不能有效滿足調(diào)速控制的需要。采用虛擬儀器圖形化編程軟件LabVIEW可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(tái)工控機(jī)、一塊NI6014多功能卡、一臺(tái)智能操作器、一臺(tái)微機(jī)測(cè)速儀以及偶合器和電動(dòng)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(jī)中由LabVIEW程序計(jì)算出應(yīng)該發(fā)出0～5V的控制電壓，然后通過(guò)NI6014卡發(fā)出，這個(gè)電壓通過(guò)直流放大器轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流進(jìn)入智能操作器控制電動(dòng)執(zhí)行器正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)以使偶合器增速或者減速。另一方面，偶合器的轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速傳感器采集通過(guò)微機(jī)測(cè)速儀反饋4～20mA到NI6014卡，傳到工控機(jī)LabVIEW程序計(jì)算得出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

總系統(tǒng)由兩個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)組成，一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)通過(guò)硬件完成，當(dāng)智能操作器得到NI6014發(fā)出的0～20mA閥位控制信號(hào)時(shí)相應(yīng)控制電動(dòng)執(zhí)行器正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)以達(dá)到調(diào)速的目的，同時(shí)電動(dòng)執(zhí)行器會(huì)反饋給智能操作器一個(gè)0～20mA的位置反饋信號(hào)，當(dāng)控制信號(hào)和反饋信號(hào)相等時(shí)電動(dòng)執(zhí)行器停止轉(zhuǎn)動(dòng)，否則會(huì)相應(yīng)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。另外一個(gè)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(dāng)前轉(zhuǎn)速，通過(guò)計(jì)算得出當(dāng)前的平均轉(zhuǎn)速與要求轉(zhuǎn)速做比較來(lái)確定輸出方式，然后輸出相應(yīng)的計(jì)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(jié)構(gòu)是一個(gè)while循環(huán)加一個(gè)順序結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為6個(gè)部分：轉(zhuǎn)速采集模塊、速度預(yù)控制模塊、加速模塊、控制方法選擇模塊、過(guò)載保護(hù)模塊和時(shí)間延遲。下面介紹各個(gè)部分的功能。

（1）轉(zhuǎn)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(guò)數(shù)據(jù)采集配置子模板設(shè)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(zhǔn)確，連續(xù)測(cè)量10次轉(zhuǎn)速寫入數(shù)組，然后運(yùn)用數(shù)組函數(shù)取出最大值和最小值，計(jì)算剩余8次測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為此時(shí)的轉(zhuǎn)速。

（2）速度預(yù)控制模塊

該模塊把偶合器的轉(zhuǎn)速差和導(dǎo)流管的位置差值默認(rèn)為是線性的，先通過(guò)插值計(jì)算得到相應(yīng)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的輸出電壓以粗調(diào)。在運(yùn)行程序前將導(dǎo)流管伸到其行程的最里面，啟動(dòng)電機(jī)，穩(wěn)定運(yùn)行10分鐘后記錄樣機(jī)的最小輸出轉(zhuǎn)速nmin，此時(shí)的NI6014卡的輸出電壓為4V；然后將導(dǎo)流管伸到其行程的最外面，穩(wěn)定運(yùn)行10分鐘后記錄樣機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)速nmax，此時(shí)的NI6014卡的輸出電壓為0V。然后通過(guò)模塊中的公式計(jì)算出速度預(yù)控制模塊的輸出。

（3）加速模塊

加速模塊，也叫細(xì)調(diào)模塊，在經(jīng)過(guò)第（2）步的粗調(diào)以后計(jì)算出要求轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，然后根據(jù)下面的規(guī)則確定模塊的輸出：

① 當(dāng)要求轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值大于200r/min時(shí)，輸出電壓的增量為±1V；

② 當(dāng)要求轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值大于100r/min小于時(shí)200r/min，輸出電壓的增量為±0.5V；

③當(dāng)要求轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值小于10r/min時(shí)，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(zhuǎn)速波動(dòng)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(zhuǎn)速為0，表示程序處于開(kāi)始階段，沒(méi)有輸入要求轉(zhuǎn)速，此時(shí)電動(dòng)執(zhí)行器將導(dǎo)流管伸到其行程的最里面，偶合器轉(zhuǎn)速處于最低點(diǎn)；

② 當(dāng)要求轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，程序處于預(yù)調(diào)階段，輸出為速度預(yù)控制模塊的輸出；

圖4 程序框圖Fig.4 Program scheme

③ 當(dāng)要求轉(zhuǎn)速不為0且保持不變時(shí)，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(guò)載保護(hù)模塊

由于電動(dòng)執(zhí)行器的行程有限，用此模塊把輸出限定在0～4V。

（6）時(shí)間延遲

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

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

該控制系統(tǒng)部分參數(shù)通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)與驗(yàn)證，試驗(yàn)臺(tái)由電動(dòng)機(jī)、齒輪箱、偶合器試驗(yàn)件、轉(zhuǎn)速傳感器、水力測(cè)功器組成，設(shè)備布置如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)布置簡(jiǎn)圖Fig.5 Testing stand arrangement diagram

為測(cè)定延遲時(shí)間參數(shù)，保持電機(jī)和水力測(cè)功器設(shè)定參數(shù)不變，改變樣機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速設(shè)定值為900r/min，程序的延遲時(shí)間分別設(shè)為30s、10s、5s、3s，從設(shè)定開(kāi)始到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的速度曲線對(duì)比如圖6所示。

分析上面的各個(gè)工況速度曲線圖可以確定程序的最佳延遲時(shí)間為10s。當(dāng)延遲時(shí)間是30s的時(shí)候，整個(gè)程序的反應(yīng)過(guò)慢；當(dāng)延遲時(shí)間是5s的時(shí)候，會(huì)在要求轉(zhuǎn)速的附近產(chǎn)生小幅振蕩，不滿足轉(zhuǎn)速波動(dòng)率小于2%的要求；當(dāng)延遲時(shí)間是3秒的時(shí)候，產(chǎn)生大幅振蕩，不符合要求。

圖6 延遲時(shí)間與速度曲線對(duì)比圖Fig.6 The delay time with speed curve contrast diagram

5 結(jié) 論

（1）給出了調(diào)速型液力偶合器閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)方法。

（3）通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證確定了系統(tǒng)最佳延遲時(shí)間參數(shù)。

（4）偶合器閉環(huán)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速型偶合器的速度較精確控制，編程簡(jiǎn)單，可根據(jù)用戶的不同要求隨時(shí)調(diào)整，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

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

［2］ 侯國(guó)屏，王珅，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］ 劉應(yīng)誠(chéng)，楊乃喬.液力偶合器應(yīng)用與節(jié)能技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

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