液力耦合器自動控制技術

劉祁+孫豐雷

摘 要：對液力耦合器的使用機理進行了介紹。通過研究液力耦合器的傳動特性，借助PLC、上位機、SIMULINK等技術對模糊PID控制技術和可視化人機交互技術在液力傳動中的應用進行了較詳細的研究和論證。

關鍵詞：船舶；液力耦合器；模糊控制

中國分類號：U664.12 文獻標識碼：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年德國費丁格爾首創了液力耦合器，并首先成功應用在船舶的推進系統中，有效改善了因內燃機扭振引起的齒輪和螺旋槳破壞。

液力耦合器是通過液體流動催動葉輪的方式完成機械能到流體動能再到機械能轉換的能量傳遞設備，如圖1所示為VIOTH公司液力耦合器應用示意圖。由于中間避免了機械的直接接觸，液力耦合器可很好的解決設備空載啟動、負荷劇增、多機并車、隔離吸收震動、降低噪音等問題，在船舶動力裝置中具有顯著的優點。特別是在某些國外艦艇CODAD（柴柴聯合）、COGAG（柴燃聯合）裝置中，液力耦合器被廣泛應用[1]。如圖2為液力耦合器在柴柴聯合推進系統中應用示意圖[2]。

液力耦合器傳遞功率為：

由公式（1）可見液力耦合器的能量傳遞是一個復雜的不規則傳遞曲線，傳統的PID控制技術無法實現液力耦合器全程的過程控制，現在國內外主要的研究方向是引進高級控制算法來解決這個問題，如蟻群算法、模糊PID控制、人工神經網絡算法等。本文將介紹模糊PID控制在液力耦合器中的應用研究。

2 液力耦合器的模糊PID控制技術

模糊PID控制技術能在控制過程中對不確定的條件、參數、延遲和干擾等因素進行檢測分析，采用模糊推理的方法實現P1D參數、和的在線自整定，不僅保持了常規PID控制系統的原理簡單、使用方便等特點，而且具有更大的靈活性、適應性、精確性等。典型的模糊自整定PID控制系統的結構，如圖3所示。

設計中采用PLC等來組成硬件部分，在軟件上采用模糊算法編程作為數字控制算法組成一個PLC的模糊控制系統。部分PLC模糊PID控制程序，簡單介紹如下：

主程序：

……

LD SM0.0

MOVW 太高標志值， 標志值形參 //將各個標志值給標志值形參賦值//

CALL SBR_1

MOVW 入模糊集形參， 輸入模糊子集1

MOVW 高標志值， 標志值形參

……

CALL SBR_1

MOVW 入模糊集形參， 輸入模糊子集5 //五次調用子程序sbr_1，子程序1完成輸入的模糊化//

LD SM0.0

MOVD &VB20， 模糊關系指針

MOVD &VB156， 模糊出指針

CALL SBR_2 //子程序賦值指令，確定輸出矩陣的各項地址，并調用子程序SBR_2，子程序2完成一個行和一個列的矩陣乘//

……

子程序SBR_4主要完成PID控制部分的初始值設定并完成PID控制中斷調用，部分程序如下：

LD SM0.0

ITD 控制輸出， VD650

DTR VD650， VD650

MOVR VD650， VD604

+R 0.75， VD604 //將模糊控制輸出與PID的原始設定值相加已完成對PID比例設定值的修訂//

……

MOVR 0.25， VD612

……

MOVR 0.1， VD616

MOVR 30.0， VD620 //設定采樣時間//

MOVR 0.0， VD624

MOVB 100， SMB34

ATCH INT_0， 10 //調用執行中斷程序//

ENI

為了更好的方便船員操作，借助WINCC等上位機編程軟件可實現上位機人機界面的設計，通過人機交互操作可實現數字化輸入、調節特性輸出、緊急報警燈、在線監測操作功能。

3 模糊控制仿真研究

為了檢驗模糊PID控制方法在液力耦合器傳動系統中的應用效果，本文借助SIMULINK軟件進行模擬檢驗仿真。首先利用某液力耦合器數學模型建立液力耦合器的邏輯控制模型，然后利用在仿真中引入一個階躍信號來模擬液力耦合器在實際工作中的震動或者負荷突變等工況來檢驗控制效果。

在SIMULINK環境下，建立模糊PID自適應控制如圖4所示。圖5為模糊PID自適應的子系統。

在模糊自整定控制圖中，通過Fuzzy logic controller模塊調入剛才建立的推理系統，完成與Simulink的連接。其中邏輯推理系統的輸入規則可在仿真中通過SIMULINK軟件自帶的模糊規則查看器和模糊控制表面查看器檢查邏輯條件判斷語句的設定情況如圖7，圖8所示。

仿真模型建立后，分別采用常規PID控制和模糊自適應PID控制測試其階躍輸出和在干擾作用下的輸出情況，具體操作為在仿真進行到10 s時加入20%的干擾信號，待仿真運行完成得到仿真結果，如圖8和圖9所示。

從響應曲線可以看出，常規PID控制液力耦合器超調量大、過度時間長；采用模糊自適應PID控制的液力耦合器，無論從響應時間還是從對外界干擾的控制上均有很大提高，它響應速度快、超調量很小，甚至可實現無超調，對外界干擾的抵抗能力也較好，能使系統盡快回復平衡狀態。從而可以得出結論：模糊PID控制算法可實現液力耦合器的優良控制。

4 小結

為了更好的實現液力耦合器在船舶動力傳遞系統中的應用，本文介紹了模糊PID自適應控制技術在液力耦合器中的應用，并通過軟件模擬仿真技術充分說明了模糊PID自適應控制技術在液力耦合器應用中的優越性。

參考文獻

[1].范威等.國外船用大中型齒輪傳動形式的發展現狀[J].熱能動力工程，2003

[2].丁家松等.液力耦合器在船舶聯合推進系統中的應用[J].標準化工程師，2009

[3]王永生等.船舶液力耦合器的人工神經網絡的數學建模[J].中國造船，2003