摘 要：本文從液粘調(diào)速離合器的調(diào)速控制原理入手，對調(diào)速控制系統(tǒng)的核心—— 電控器采用了抗積分飽和PID控制算法，給出了具體的PID算法實(shí)現(xiàn)方法并在針對電液比例閥的硬件設(shè)計(jì)中使用了顫振信號發(fā)生電路、V—I轉(zhuǎn)換和電流放大電路等關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的調(diào)速控制器能夠滿足液粘調(diào)速離合器調(diào)速時(shí)間和調(diào)速精度要求。 關(guān)鍵詞：粘性 離合器 電控器 調(diào)速 l 引言 液粘調(diào)速離合器是在二十世紀(jì)七十年代發(fā)展起來并得到廣泛應(yīng)用的新型傳動裝置。它依靠液體的粘性和油膜的剪切作用傳遞轉(zhuǎn)矩和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)控制油壓改變主、從動摩擦片之間的油膜厚度即壓緊程度，從而在主動軸轉(zhuǎn)速不變的條件下，實(shí)現(xiàn)從動軸轉(zhuǎn)速無級調(diào)速。液壓調(diào)速及恒速控制技術(shù)是直接影響液粘調(diào)速離合器調(diào)速、恒速能力的關(guān)鍵技術(shù)，電控系統(tǒng)是液壓調(diào)速及控制系統(tǒng)的核心。 2 液壓調(diào)速及控制系統(tǒng)分析和方案設(shè)計(jì) 液粘調(diào)速離合器控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要功能有兩個(gè)，一是調(diào)速功能，即根據(jù)輸出轉(zhuǎn)速的目標(biāo)值（即設(shè)定值）調(diào)節(jié)在摩擦片組上的控制油壓調(diào)速；二是穩(wěn)速功能，即自動抑制各種干擾（如負(fù)載波動、輸入轉(zhuǎn)速波動等）引起的輸出轉(zhuǎn)速的波動?，F(xiàn)有的國內(nèi)外液粘調(diào)速離合器的控制系統(tǒng)大致分為兩類。 一類是以奧米伽閥為核心的控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)在輸出端轉(zhuǎn)鼓上裝有奧米伽閥，這是一種離心式調(diào)速閥，可以起到提高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定精度的作用?？刂朴蛪杭釉趭W米伽閥閥芯的內(nèi)外兩端，轉(zhuǎn)鼓帶著閥芯旋轉(zhuǎn)時(shí)，閥芯產(chǎn)生離心力，此力與作用在閥芯上的彈簧力、液壓力相平衡。當(dāng)轉(zhuǎn)速突然有小量升高的波動時(shí)，則閥芯離心力增大，彈簧伸長，奧米伽閥的節(jié)流口開度增大，控制壓力下降，使輸出轉(zhuǎn)速降低，恢復(fù)到原來設(shè)定的轉(zhuǎn)速；反之，如果某種原因使輸出轉(zhuǎn)速降低，則閥芯離心力減小，彈簧壓縮，節(jié)流口開度減小，使控制壓力提高，則輸出轉(zhuǎn)速恢復(fù)到原來設(shè)定的轉(zhuǎn)速。若需要輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)的變化，控制壓力使奧米伽閥的節(jié)流口連續(xù)的變化，保證輸出轉(zhuǎn)速的連續(xù)升高或降低。 這種轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，省略了轉(zhuǎn)速的電子反饋部分，其反饋信號的提取、比較和處理均以液壓轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行。由于奧米伽閥的反應(yīng)很靈敏，能起到很好的抑制轉(zhuǎn)速波動的作用，降低了轉(zhuǎn)速的波動率。但這種控制系統(tǒng)中對加在奧米伽閥閥芯上的控制油壓的控制比較簡單，因此調(diào)速功能薄弱，調(diào)速精度不高。 另一類控制系統(tǒng)以電控器和電液比例伺服閥為核心，它們構(gòu)成了電子式轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。電控器是控制主體，是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制的樞紐；電液比例閥為執(zhí)行元件，磁電式轉(zhuǎn)速傳感器作為反饋元件。通過改變電控器輸出到電液比例閥的控制電流，來改變系統(tǒng)油壓，即改變了加壓活塞的壓力和摩擦副之間油膜的厚度，從而調(diào)節(jié)了液粘調(diào)速離合器的輸出轉(zhuǎn)速。如此，指令電流大，則輸出轉(zhuǎn)速高，反之亦然。此類控制系統(tǒng)采用電子式轉(zhuǎn)速反饋，轉(zhuǎn)速控制靈敏，動態(tài)響應(yīng)快，且操作簡便易行，并可以與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制。 上述兩類控制系統(tǒng)各有特點(diǎn)，前者因?yàn)樵谟吐废到y(tǒng)中設(shè)有奧米伽閥，穩(wěn)速性能較好，調(diào)速性能不如后者；后者的調(diào)速性能較好，穩(wěn)速性能不如前者。在進(jìn)行液壓調(diào)速及控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)時(shí)，通過吸取兩類控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和長處，綜合應(yīng)用奧米伽閥、電控器、電液比例閥等（如圖l所示），形成兩個(gè)閉環(huán)反饋控制回路：一路由奧米伽閥這種離心式調(diào)速閥自身形成的離心液壓式穩(wěn)速反饋；另一路由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、電控器、電液比例閥以及奧米伽閥構(gòu)成的調(diào)速反饋回路。 液粘調(diào)速離合器主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵、帶式輸送機(jī)以及特種船舶動力等場合，根據(jù)負(fù)載特點(diǎn)，在壓力油缸供油的控制油回路中采用了旁路節(jié)流調(diào)壓回路，以增大其大負(fù)載工況下的速度剛度（見圖1）。將節(jié)流閥（即油路中的電液比例閥）安裝在與液壓缸 進(jìn)油口并聯(lián)的支路上，調(diào)節(jié)電液比例閥的溢流量就可以達(dá)到調(diào)節(jié)控制油壓的目的。因此，要達(dá)到快速平穩(wěn)調(diào)速的目的，如何控制電液比例閥的溢流量是電控器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 電控器是調(diào)速控制系統(tǒng)的核心，它將轉(zhuǎn)速反饋信號與轉(zhuǎn)速設(shè)定信號進(jìn)行比較，將得到的誤差值進(jìn)行處理，再經(jīng)過積分放大，去控制電液比例閥的溢流量，使控制系統(tǒng)獲得對應(yīng)的油壓，從而獲得所需要的輸出轉(zhuǎn)速。電液比例閥是電控器直接控制的對象，閥的溢流量與輸入電流成正比，可連續(xù)無級調(diào)節(jié)控制油路的壓力。在電控器的設(shè)計(jì)中，采用了軟硬件結(jié)合的方法，對電控器輸出到電液比例閥的控制電流進(jìn)行優(yōu)化，既做到調(diào)速靈敏，響應(yīng)快，又要減小沖擊和轉(zhuǎn)速波動。 3 電控系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì) 現(xiàn)代伺服驅(qū)動系統(tǒng)一般都要求在調(diào)速時(shí)既要滿足高的調(diào)速精度，又要求響應(yīng)快速、超調(diào)量小，因此采取合理的控制策略至關(guān)重要。目前在工業(yè)過程控制中采用最多的依然是PID控制，其比例超過了95 ，即使在發(fā)達(dá)國家如日本，PID控制的使用率也達(dá)到了84．5 [j ，之所以如此，是因?yàn)镻ID控制算法簡單、魯棒性好、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)。另外，由于在電液伺服系統(tǒng)中往往存在包括死區(qū)、滯環(huán)等非線性環(huán)節(jié)，使用未經(jīng)優(yōu)化的PID算法也難以達(dá)到好的控制效果。因此，有必要針對電液回路的具體特征進(jìn)行分析，對數(shù)字PID算法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。 位置式PID控制器控制算法的離散形式為： P、I、D控制參數(shù)的作用為： （1）P控制只改變偏差信號的幅值而不影響其相位。加大比例增益K ，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但Kt 過大時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 （2）I控制能對偏差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除穩(wěn)態(tài)誤差，所以采用積分控制器有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。但積分往制作用使系統(tǒng)增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，使信號產(chǎn)生則9o。的相角滯后，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。 （3）P控制與I控制是根據(jù)當(dāng)前和過去的偏差信號的方向與大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，而D控制對信號的變化趨勢很敏感，具有一定的預(yù)見性。但是，D控制只對動態(tài)過程起作用，而對穩(wěn)態(tài)過程沒有影響，并且對系統(tǒng)噪聲非常敏感。 P、I、D三個(gè)控制環(huán)節(jié)特性各異，在實(shí)際使用中常將這三種控制規(guī)律進(jìn)行不同的優(yōu)化組合，以滿足系統(tǒng)對動態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能的綜合要求。 液壓回路中閥類控制對象的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子電路的響應(yīng)速度，因此，在實(shí)際的控制過程中出現(xiàn)偏差時(shí)，若不采用一定的措施，常常會出現(xiàn)積分飽和的現(xiàn)象。即：如果系統(tǒng)一直存在一個(gè)方向的偏差，PID控制器的輸出由于積分作用的不斷累 加而加大，從而導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到極限位置+X⋯（即電液比例閥的閥門開度達(dá)到最大）或一X （即電液比例閥的閥門關(guān)閉），如圖2所示，若控制器輸出u（k）繼續(xù)增大，閥門開度不可能再增大，此時(shí)就稱計(jì)算機(jī)輸出控制量超出了正常運(yùn)行范圍而進(jìn)入了飽和區(qū)。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)反向偏差，u（k）逐漸從飽和區(qū)退出。進(jìn)入飽和區(qū)愈深則退出飽和區(qū)所需時(shí)間愈長。在這段時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍停留在極限位置而不能隨偏差反向立即做出相應(yīng)的改變，這時(shí)系統(tǒng)就像失去控制一樣，造成控制品質(zhì)的惡化，這種現(xiàn)象稱為積分飽和現(xiàn)象或積分失控現(xiàn)象。 針對控制對象（電液比例閥）的這類特性，綜合考慮動態(tài)過程的調(diào)速快速性和穩(wěn)態(tài)時(shí)的速度穩(wěn)定性，選用抗積分飽和的PID控制算法可以到到比較好的控制效果。在計(jì)算u（k）時(shí)，首先判斷上一時(shí)刻的控制量u（k一1）是否已經(jīng)超出限制范圍，對u（k）進(jìn)行限幅： 若u（k一1）>u 則只累加負(fù)偏差；若U（k一1）