摘 要：本文從液粘調速離合器的調速控制原理入手，對調速控制系統的核心—— 電控器采用了抗積分飽和PID控制算法，給出了具體的PID算法實現方法并在針對電液比例閥的硬件設計中使用了顫振信號發生電路、V—I轉換和電流放大電路等關鍵技術。經試驗驗證，所設計的調速控制器能夠滿足液粘調速離合器調速時間和調速精度要求。 關鍵詞：粘性 離合器 電控器 調速 l 引言 液粘調速離合器是在二十世紀七十年代發展起來并得到廣泛應用的新型傳動裝置。它依靠液體的粘性和油膜的剪切作用傳遞轉矩和調節轉速，通過調節控制油壓改變主、從動摩擦片之間的油膜厚度即壓緊程度，從而在主動軸轉速不變的條件下，實現從動軸轉速無級調速。液壓調速及恒速控制技術是直接影響液粘調速離合器調速、恒速能力的關鍵技術，電控系統是液壓調速及控制系統的核心。 2 液壓調速及控制系統分析和方案設計 液粘調速離合器控制系統要實現的主要功能有兩個，一是調速功能，即根據輸出轉速的目標值（即設定值）調節在摩擦片組上的控制油壓調速；二是穩速功能，即自動抑制各種干擾（如負載波動、輸入轉速波動等）引起的輸出轉速的波動。現有的國內外液粘調速離合器的控制系統大致分為兩類。 一類是以奧米伽閥為核心的控制系統，這種控制系統在輸出端轉鼓上裝有奧米伽閥，這是一種離心式調速閥，可以起到提高轉速穩定精度的作用。控制油壓加在奧米伽閥閥芯的內外兩端，轉鼓帶著閥芯旋轉時，閥芯產生離心力，此力與作用在閥芯上的彈簧力、液壓力相平衡。當轉速突然有小量升高的波動時，則閥芯離心力增大，彈簧伸長，奧米伽閥的節流口開度增大，控制壓力下降，使輸出轉速降低，恢復到原來設定的轉速；反之，如果某種原因使輸出轉速降低，則閥芯離心力減小，彈簧壓縮，節流口開度減小，使控制壓力提高，則輸出轉速恢復到原來設定的轉速。若需要輸出轉速連續的變化，控制壓力使奧米伽閥的節流口連續的變化，保證輸出轉速的連續升高或降低。 這種轉速閉環控制系統結構簡單，省略了轉速的電子反饋部分，其反饋信號的提取、比較和處理均以液壓轉換的方式進行。由于奧米伽閥的反應很靈敏，能起到很好的抑制轉速波動的作用，降低了轉速的波動率。但這種控制系統中對加在奧米伽閥閥芯上的控制油壓的控制比較簡單，因此調速功能薄弱，調速精度不高。 另一類控制系統以電控器和電液比例伺服閥為核心，它們構成了電子式轉速反饋的閉環控制系統。電控器是控制主體，是實現轉速控制的樞紐；電液比例閥為執行元件，磁電式轉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，從而調節了液粘調速離合器的輸出轉速。如此，指令電流大，則輸出轉速高，反之亦然。此類控制系統采用電子式轉速反饋，轉速控制靈敏，動態響應快，且操作簡便易行，并可以與計算機實現聯網控制。 上述兩類控制系統各有特點，前者因為在油路系統中設有奧米伽閥，穩速性能較好，調速性能不如后者；后者的調速性能較好，穩速性能不如前者。在進行液壓調速及控制系統的方案設計時，通過吸取兩類控制系統的優點和長處，綜合應用奧米伽閥、電控器、電液比例閥等（如圖l所示），形成兩個閉環反饋控制回路：一路由奧米伽閥這種離心式調速閥自身形成的離心液壓式穩速反饋；另一路由磁電式轉速傳感器、電控器、電液比例閥以及奧米伽閥構成的調速反饋回路。 液粘調速離合器主要應用于風機、水泵、帶式輸送機以及特種船舶動力等場合，根據負載特點，在壓力油缸供油的控制油回路中采用了旁路節流調壓回路，以增大其大負載工況下的速度剛度（見圖1）。將節流閥（即油路中的電液比例閥）安裝在與液壓缸 進油口并聯的支路上，調節電液比例閥的溢流量就可以達到調節控制油壓的目的。因此，要達到快速平穩調速的目的，如何控制電液比例閥的溢流量是電控器設計的關鍵。 電控器是調速控制系統的核心，它將轉速反饋信號與轉速設定信號進行比較，將得到的誤差值進行處理，再經過積分放大，去控制電液比例閥的溢流量，使控制系統獲得對應的油壓，從而獲得所需要的輸出轉速。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，可連續無級調節控制油路的壓力。在電控器的設計中，采用了軟硬件結合的方法，對電控器輸出到電液比例閥的控制電流進行優化，既做到調速靈敏，響應快，又要減小沖擊和轉速波動。 3 電控系統控制算法設計 現代伺服驅動系統一般都要求在調速時既要滿足高的調速精度，又要求響應快速、超調量小，因此采取合理的控制策略至關重要。目前在工業過程控制中采用最多的依然是PID控制，其比例超過了95 ，即使在發達國家如日本，PID控制的使用率也達到了84．5 [j ，之所以如此，是因為PID控制算法簡單、魯棒性好、可靠性高、易于實現。另外，由于在電液伺服系統中往往存在包括死區、滯環等非線性環節，使用未經優化的PID算法也難以達到好的控制效果。因此，有必要針對電液回路的具體特征進行分析，對數字PID算法進行優化和改進。 位置式PID控制器控制算法的離散形式為： P、I、D控制參數的作用為： （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 ，可以提高系統的開環增益，減少系統的穩態誤差，從而提高系統的控制精度，但Kt 過大時系統的穩定性變差，甚至可能造成閉環系統的不穩定。 （2）I控制能對偏差進行記憶并積分，有利于消除穩態誤差，所以采用積分控制器有利于提高系統的穩態性能。但積分往制作用使系統增加了一個位于原點的開環極點，使信號產生則9o。的相角滯后，對系統的穩定性不利。 （3）P控制與I控制是根據當前和過去的偏差信號的方向與大小進行調節，而D控制對信號的變化趨勢很敏感，具有一定的預見性。但是，D控制只對動態過程起作用，而對穩態過程沒有影響，并且對系統噪聲非常敏感。 P、I、D三個控制環節特性各異，在實際使用中常將這三種控制規律進行不同的優化組合，以滿足系統對動態與穩態性能的綜合要求。 液壓回路中閥類控制對象的響應速度遠遠小于電子電路的響應速度，因此，在實際的控制過程中出現偏差時，若不采用一定的措施，常常會出現積分飽和的現象。即：如果系統一直存在一個方向的偏差，PID控制器的輸出由于積分作用的不斷累 加而加大，從而導致執行機構達到極限位置+X⋯（即電液比例閥的閥門開度達到最大）或一X （即電液比例閥的閥門關閉），如圖2所示，若控制器輸出u（k）繼續增大，閥門開度不可能再增大，此時就稱計算機輸出控制量超出了正常運行范圍而進入了飽和區。一旦系統出現反向偏差，u（k）逐漸從飽和區退出。進入飽和區愈深則退出飽和區所需時間愈長。在這段時間內，執行機構仍停留在極限位置而不能隨偏差反向立即做出相應的改變，這時系統就像失去控制一樣，造成控制品質的惡化，這種現象稱為積分飽和現象或積分失控現象。 針對控制對象（電液比例閥）的這類特性，綜合考慮動態過程的調速快速性和穩態時的速度穩定性，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。在計算u（k）時，首先判斷上一時刻的控制量u（k一1）是否已經超出限制范圍，對u（k）進行限幅： 若u（k一1）>u 則只累加負偏差；若U（k一1）