基于LabVIEW的偶合器闭环控制系统设计

丁 蓉 李岳峰 刘逸斐 崔向海

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海200090）

1 前言

调速型液力偶合器具有起动平稳、无级变速、缓冲隔振、过载保护、节能等优点，可使风机、水泵在不同工况下稳定运行，满足设备的实际使用需求并具有显著节能效果，在电力、钢铁等领域得到广泛应用。现有调速液力偶合器主要通过电动执行器进行开环调速，控制精度较低，不能有效满足调速控制的需要。采用虚拟仪器图形化编程软件LabVIEW可以实现对偶合器的速度控制。

2 控制系统组成与工作原理

偶合器闭环控制系统的组成如图1所示，主要由一台工控机、一块NI6014多功能卡、一台智能操作器、一台微机测速仪以及偶合器和电动执行器组成。

图1 控制系统组成图Fig.1 Control system combination diagram

在工控机中由LabVIEW程序计算出应该发出0～5V的控制电压，然后通过NI6014卡发出，这个电压通过直流放大器转换成4～20mA的电流进入智能操作器控制电动执行器正转或者反转以使偶合器增速或者减速。另一方面，偶合器的转速由转速传感器采集通过微机测速仪反馈4～20mA到NI6014卡，传到工控机LabVIEW程序计算得出。

3 系统软件设计

总系统由两个闭环控制系统组成，一个闭环控制系统通过硬件完成，当智能操作器得到NI6014发出的0～20mA阀位控制信号时相应控制电动执行器正转或者反转以达到调速的目的，同时电动执行器会反馈给智能操作器一个0～20mA的位置反馈信号，当控制信号和反馈信号相等时电动执行器停止转动，否则会相应正转或者反转。另外一个闭环控制系统由LabVIEW软件程序完成，程序的流程图如图2所示，首先采集偶合器的当前转速，通过计算得出当前的平均转速与要求转速做比较来确定输出方式，然后输出相应的计算值。

图2 程序流程图Fig.2 Program flow－process diagram

程序的前面板如图3所示，程序框图如图4所示。

从框图程序可以看出程序的主要结构是一个while循环加一个顺序结构，其内部结构可分为6个部分：转速采集模块、速度预控制模块、加速模块、控制方法选择模块、过载保护模块和时间延迟。下面介绍各个部分的功能。

（1）转速采集模块

图3 程序前面板图Fig.3 Program front plate diagram

该模块的功能通过数据采集配置子模板设置采集通道，由数据采集子模板采集数据，为了使数据更准确，连续测量10次转速写入数组，然后运用数组函数取出最大值和最小值，计算剩余8次测量数据的平均值作为此时的转速。

（2）速度预控制模块

该模块把偶合器的转速差和导流管的位置差值默认为是线性的，先通过插值计算得到相应转速对应的输出电压以粗调。在运行程序前将导流管伸到其行程的最里面，启动电机，稳定运行10分钟后记录样机的最小输出转速nmin，此时的NI6014卡的输出电压为4V；然后将导流管伸到其行程的最外面，稳定运行10分钟后记录样机的最大输出转速nmax，此时的NI6014卡的输出电压为0V。然后通过模块中的公式计算出速度预控制模块的输出。

（3）加速模块

加速模块，也叫细调模块，在经过第（2）步的粗调以后计算出要求转速和实际转速的差值，然后根据下面的规则确定模块的输出：

① 当要求转速和实际转速的差值大于200r/min时，输出电压的增量为±1V；

② 当要求转速和实际转速的差值大于100r/min小于时200r/min，输出电压的增量为±0.5V；

③当要求转速和实际转速的差值小于10r/min时，输出电压的增量为±0.1V。

第③条之所以要把差值定为10r/min，是为了满足转速波动率小于2%。

（4）控制方法选择模块

该模块用于确定程序现在处于哪种控制方式，共有三种：

①要求转速为0，表示程序处于开始阶段，没有输入要求转速，此时电动执行器将导流管伸到其行程的最里面，偶合器转速处于最低点；

② 当要求转速发生变化时，程序处于预调阶段，输出为速度预控制模块的输出；

图4 程序框图Fig.4 Program scheme

③ 当要求转速不为0且保持不变时，程序处于加速阶段，输出为加速模块的输出值与前一次输出值的和。

（5）过载保护模块

由于电动执行器的行程有限，用此模块把输出限定在0～4V。

（6）时间延迟

由于偶合器的固有特性，从导流管位置变化到偶合器输出转速的变化会有一定的滞后，所以在程序中选择合适的时间延迟也是非常重要的一个步骤。

4 试验验证

该控制系统部分参数通过台架试验进行确认与验证，试验台由电动机、齿轮箱、偶合器试验件、转速传感器、水力测功器组成，设备布置如图5所示。

图5 试验台布置简图Fig.5 Testing stand arrangement diagram

为测定延迟时间参数，保持电机和水力测功器设定参数不变，改变样机的输出转速设定值为900r/min，程序的延迟时间分别设为30s、10s、5s、3s，从设定开始到转速稳定的速度曲线对比如图6所示。

分析上面的各个工况速度曲线图可以确定程序的最佳延迟时间为10s。当延迟时间是30s的时候，整个程序的反应过慢；当延迟时间是5s的时候，会在要求转速的附近产生小幅振荡，不满足转速波动率小于2%的要求；当延迟时间是3秒的时候，产生大幅振荡，不符合要求。

图6 延迟时间与速度曲线对比图Fig.6 The delay time with speed curve contrast diagram

5 结 论

（1）给出了调速型液力偶合器闭环控制系统设计方法与工作原理。

（2）提出了基于LabView软件的系统组成模块，以及各模块的实现方法。

（3）通过试验验证确定了系统最佳延迟时间参数。

（4）偶合器闭环控制系统可以实现对调速型偶合器的速度较精确控制，编程简单，可根据用户的不同要求随时调整，具有较好的实用价值。

［1］ Robert H.Bishop.LabVIEW7使用教程.北京：电子工业出版社，2006.

［2］ 侯国屏，王珅，叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计.北京：清华大学出版社，2005.

［3］ 刘应诚，杨乃乔.液力偶合器应用与节能技术.北京：化学工业出版社，2006.

［4］ 杨乃乔，姜丽英.液力调速与节能.北京：国防工业出版社，2000.