液力耦合器自动控制技术

刘祁+孙丰雷

摘 要：对液力耦合器的使用机理进行了介绍。通过研究液力耦合器的传动特性，借助PLC、上位机、SIMULINK等技术对模糊PID控制技术和可视化人机交互技术在液力传动中的应用进行了较详细的研究和论证。

关键词：船舶；液力耦合器；模糊控制

中国分类号：U664.12 文献标识码：A

Abstract： This paper introduces the principle of fluid coupling on board， discusses the application of Fuzzy/self adaptive PID control technology and visualized human-computer interaction technology in hydraulic transmission with the aid of SIMULINK， PLC and WINCC through the study of transmission characteristics of hydraulic coupling.

Key Words： Ship；Fluid coupling；Fuzzy/self adaptive PID controller

1 前言

1905年德国费丁格尔首创了液力耦合器，并首先成功应用在船舶的推进系统中，有效改善了因内燃机扭振引起的齿轮和螺旋桨破坏。

液力耦合器是通过液体流动催动叶轮的方式完成机械能到流体动能再到机械能转换的能量传递设备，如图1所示为VIOTH公司液力耦合器应用示意图。由于中间避免了机械的直接接触，液力耦合器可很好的解决设备空载启动、负荷剧增、多机并车、隔离吸收震动、降低噪音等问题，在船舶动力装置中具有显著的优点。特别是在某些国外舰艇CODAD（柴柴联合）、COGAG（柴燃联合）装置中，液力耦合器被广泛应用[1]。如图2为液力耦合器在柴柴联合推进系统中应用示意图[2]。

液力耦合器传递功率为：

由公式（1）可见液力耦合器的能量传递是一个复杂的不规则传递曲线，传统的PID控制技术无法实现液力耦合器全程的过程控制，现在国内外主要的研究方向是引进高级控制算法来解决这个问题，如蚁群算法、模糊PID控制、人工神经网络算法等。本文将介绍模糊PID控制在液力耦合器中的应用研究。

2 液力耦合器的模糊PID控制技术

模糊PID控制技术能在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析，采用模糊推理的方法实现P1D参数、和的在线自整定，不仅保持了常规PID控制系统的原理简单、使用方便等特点，而且具有更大的灵活性、适应性、精确性等。典型的模糊自整定PID控制系统的结构，如图3所示。

设计中采用PLC等来组成硬件部分，在软件上采用模糊算法编程作为数字控制算法组成一个PLC的模糊控制系统。部分PLC模糊PID控制程序，简单介绍如下：

主程序：

……

LD SM0.0

MOVW 太高标志值， 标志值形参 //将各个标志值给标志值形参赋值//

CALL SBR_1

MOVW 入模糊集形参， 输入模糊子集1

MOVW 高标志值， 标志值形参

……

CALL SBR_1

MOVW 入模糊集形参， 输入模糊子集5 //五次调用子程序sbr_1，子程序1完成输入的模糊化//

LD SM0.0

MOVD &VB20， 模糊关系指针

MOVD &VB156， 模糊出指针

CALL SBR_2 //子程序赋值指令，确定输出矩阵的各项地址，并调用子程序SBR_2，子程序2完成一个行和一个列的矩阵乘//

……

子程序SBR_4主要完成PID控制部分的初始值设定并完成PID控制中断调用，部分程序如下：

LD SM0.0

ITD 控制输出， VD650

DTR VD650， VD650

MOVR VD650， VD604

+R 0.75， VD604 //將模糊控制输出与PID的原始设定值相加已完成对PID比例设定值的修订//

……

MOVR 0.25， VD612

……

MOVR 0.1， VD616

MOVR 30.0， VD620 //设定采样时间//

MOVR 0.0， VD624

MOVB 100， SMB34

ATCH INT_0， 10 //调用执行中断程序//

ENI

为了更好的方便船员操作，借助WINCC等上位机编程软件可实现上位机人机界面的设计，通过人机交互操作可实现数字化输入、调节特性输出、紧急报警灯、在线监测操作功能。

3 模糊控制仿真研究

为了检验模糊PID控制方法在液力耦合器传动系统中的应用效果，本文借助SIMULINK软件进行模拟检验仿真。首先利用某液力耦合器数学模型建立液力耦合器的逻辑控制模型，然后利用在仿真中引入一个阶跃信号来模拟液力耦合器在实际工作中的震动或者负荷突变等工况来检验控制效果。

在SIMULINK环境下，建立模糊PID自适应控制如图4所示。图5为模糊PID自适应的子系统。

在模糊自整定控制图中，通过Fuzzy logic controller模块调入刚才建立的推理系统，完成与Simulink的连接。其中逻辑推理系统的输入规则可在仿真中通过SIMULINK软件自带的模糊规则查看器和模糊控制表面查看器检查逻辑条件判断语句的设定情况如图7，图8所示。

仿真模型建立后，分别采用常规PID控制和模糊自适应PID控制测试其阶跃输出和在干扰作用下的输出情况，具体操作为在仿真进行到10 s时加入20%的干扰信号，待仿真运行完成得到仿真结果，如图8和图9所示。

从响应曲线可以看出，常规PID控制液力耦合器超调量大、过度时间长；采用模糊自适应PID控制的液力耦合器，无论从响应时间还是从对外界干扰的控制上均有很大提高，它响应速度快、超调量很小，甚至可实现无超调，对外界干扰的抵抗能力也较好，能使系统尽快回复平衡状态。从而可以得出结论：模糊PID控制算法可实现液力耦合器的优良控制。

4 小结

为了更好的实现液力耦合器在船舶动力传递系统中的应用，本文介绍了模糊PID自适应控制技术在液力耦合器中的应用，并通过软件模拟仿真技术充分说明了模糊PID自适应控制技术在液力耦合器应用中的优越性。

参考文献

[1].范威等.国外船用大中型齿轮传动形式的发展现状[J].热能动力工程，2003

[2].丁家松等.液力耦合器在船舶联合推进系统中的应用[J].标准化工程师，2009

[3]王永生等.船舶液力耦合器的人工神经网络的数学建模[J].中国造船，2003