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NCK2000测功器控制器用户手册DOCIDUM_NCK2G_20120601REV10联通测功器有限公司，2012年6月NCK2000测功器控制器第一章基本操作第二章进阶操作第三章扭矩校准第四章PID控制器第五章系统配置第六章安装调试第七章故障排除第八章技术指标DOCIDUM_NCK2G_20120601REV10第一章基本功能本章介绍仪器的面板组成、基本使用功能11认识面板仪器面板由LCD显示器、按键、旋钮、急停按钮和报警讯响器组成图1面板布局任何情况下按下急停按钮EMERGENCY将发生以下动作关闭点火继电器、使发动机停止供油和供电使能所有急停继电器使能所有停机继电器控制方式返回怠速模式面板上显示“外部急停”并通过总线传递给上位计算机LCD显示器测功器设定旋钮发动机设定旋钮急停按钮功能键设定键控制方式键讯响器注意为确保安全，在试验前务必要验证急停按钮的功能是否正常111按键列表分类名称功能简述REMOTE/联机切换控制源，决定控制指令来源于计算机或本地START/启动启动发动机IGNITION/点火给发动机供油、供电等STOP/停止关闭点火开关、控制方式返回怠速控制键IDLE/怠速控制方式P/P,控制量0/0P/P开环控制模式/P测功器恒扭矩、发动机开环控制/P测功器恒转速、发动机开环控制M/N测功器恒扭矩、发动机恒转速控制模式键N/M测功器恒转速、发动机恒扭矩F1多功能键报警确认、返回主界面F2多功能键F3多功能键F4多功能键F5多功能键F6多功能键多功能键F7多功能键进入设置界面112显示图2显示编号说明编号说明1控制源9转速2PID组10扭矩3ETC电压11设定区4总线状态12多功能键5点火指示13信息6登录指示14水门/励磁电流7时间15油门8控制模式16功率12345678910011112161514133113操作界面切换在主界面下按F7键进入设置界面在设置界面按F1返回主界面图3操作界面切换12基本操作121切换控制源控制源是指允许的控制指令来源LOCAL控制源是本地，允许面板操作，禁止计算机操作。REMOTE控制源是远程，允许计算机操作，禁止面板操作。切换方法方法1在面板上按REMOTE/联机键F7方法2通过远程指令切换控制源在面板上有指示图4控制源切换122基本控制模式P/P开环控制模式对水涡流测功器设定水门位置和发动机油门开度对电涡流测功器设定励磁电流和发动机油门开度对电力测功器仅设定发动机油门开度M/P测功器恒扭矩、发动机油门位置控制测功器水门/励磁电流由PID控制器驱动，通过调节水门/励磁电流使发动机输出扭矩保持恒定通过调节发动机油门位置来改变发动机转速N/P测功器恒转速、发动机油门位置控制测功器水门/励磁电流由PID控制器驱动，通过调节水门/励磁电流使发动机转速保持恒定F7通过调节发动机油门位置来改变发动机输出扭矩M/N测功器恒扭矩、发动机恒转速控制测功器水门/励磁电流由PID控制器驱动，通过调节水门/励磁电流使发动机输出扭矩保持恒定。发动机油门由PID控制器驱动，通过调节发动机油门使发动机转速保持恒定。N/M测功器恒扭矩、发动机恒转速控制测功器水门/励磁电流由PID控制器驱动，通过调节水门/励磁电流使发动机转速保持恒定。发动机油门由PID控制器驱动，通过调节发动机油门使发动机输出扭矩保持恒定。123控制模式切换本节内容仅适用于控制源在本地LOCAL情况下。控制模式切换有两种方法方法1按动相应的控制方式按键图5控制方式键方法2在主界面下，按F2MODE键，弹出模式菜单图6用多功能键切换控制模式用F3和F4键，选择控制模式用F7完成模式切换，F2取消操作124设定控制量本节内容仅适用于控制源在本地LOCAL情况下。控制量是指控制测功机和发动机状态的参数。根据不同的控制模式，控制量的含义不同。控制模式测功器控制量发动机控制量P/P水门位置/励磁电流油门位置M/P扭矩NM油门位置N/P转速R/MIN油门位置M/N扭矩NM转速R/MINN/M转速R/MIN扭矩NM1241通过旋钮设定控制量在面板上有两个旋钮分别用于设定测功机和发动机的控制量，顺时针旋转时增大控制量，逆时针旋转时减少控制量。控制量的变化速度决定于旋钮的角速度。通常旋钮的角速度越大，控制量的变化速度也越大，但需注意的是当连续旋转时控制量的变化基数会有如下变化1251050100这样做的目的是兼顾设定的准确性和速度。图7旋钮1242通过多功能键设定控制量在主界面显示的时候，还能通过F3、F4、F5和F6多功能按键来设定控制量。测功器设定旋钮发动机设定旋钮F3测功器控制量增加F4测功器控制量减小F5发动机控制量增加F6发动机控制量减小1243控制量的反馈显示无论是通过面板还是计算机控制，当控制量和控制方式改变时，控制量都会以高对比度方式显示在LCD显示器上，显示时间大约05S。图8控制量的反馈显示125怠速本节内容仅适用于控制源在本地LOCAL情况下。当控制源处在远程REMOTE下，必须按一次REMOTE/联机按钮切换到本地LOCAL才能进行怠速操作。紧急情况时也可通过急停按钮EMERGENCY使发动机停机。任何控制模式下当IDLE/怠速按钮按下后，控制器立即进入以下状态控制模式P/P测功器控制量0水门位置或励磁电流发动机控制量0油门位置使能怠速继电器如果有怠速按钮的位置图9怠速按键的位置126停机本节内容仅适用于控制源在本地LOCAL情况下。当控制源处在远程REMOTE下，必须按一次REMOTE/联机按钮切换到本地LOCAL才能进行停机操作。紧急情况时也可通过急停按钮EMERGENCY使发动机停机。任何控制模式下STOP/停机按钮按下后，控制器立即进入以下状态控制模式P/P测功器控制量0水门位置或励磁电流发动机控制量0油门位置IDLE/怠速按键关闭点火继电器、使发动机停止供油和供电使能怠速继电器如果有使能停机继电器如果有如果处于发动机启动过程，启动过程立即停止停机按钮的位置图10停机按键的位置127报警和故障报警当某个参数达到报警限值时触发报警事件提醒操作者注意，同时使能报警继电器如果有。故障当某个参数达到故障限值时或者系统侦测到不可恢复的硬件、软件故障时触发故障事件。当故障发生时立即进入急停模式。报警和故障的配置详见安装与调试1271报警、故障指示当发生报警或故障时，讯响器会闪亮并发出报警声音，并在屏幕信息STOP/停机按键框内显示具体的事件描述。图11无报警、故障时的信息框图12有报警、故障时的信息框1272报警、故障复位方法1在主界面显示时按F1键复位。方法2当控制源在远程REMOTE时，通过总线复位。无报警、故障时的信息框有报警、故障时的信息框有报警、故障时ALARMACK显示有报警、故障按F1键复位第二章进阶功能本章介绍仪器的PID、ETC电压、滤波、限值使用功能21用户登录仪器使用分级权限管理，一些功能需要输入密码才能使用。当未输入密码时会出现“访问被禁止”的提示画面。211输入密码1在主界面下按F7进入设置界面2用F5和F6键使光标停在菜单LOGIN上3按F7进入输入密码画面4用F3、F4输入密码5按F7完成设置或F2取消修改当密码输入正确后，用户登录标识将显示在屏幕上在这儿输入密码212更改密码在输入密码界面下按F6键进入更改密码界面1用F5、F6选择需要改变的项目2用F3、F4改变项目内容3按F7完成更改或F2取消修改如果当前密码输入错误，更改密码将被拒绝。22选择PID参数组和ETC电压PID参数组在仪器中预定义了15组PID系数，这样在更换发动机后可以快速选择PID系数。ETC电压发动机电子油门控制电压。ETC电压组在仪器中预定义了14组PID系数，这样在更换发动机后可以快速选择ETC电压。登录标识显示登录标识显示输入当前密码输入新密码4在主界面下按F7进入设置界面5用F5和F6键使光标停在菜单OPTIONS上6按F7进入子菜单7用F5和F6键使光标停在菜单PIDETC菜单上8按F7进入设置画面9用F5、F6选择需要改变的项目10用F3、F4改变项目内容11按F7完成设置或F2取消修改图13选择PID参数组和ETC电压PID参数组的设置范围AUTOPID1PID2PID3PID15当选择AUTO时，如果已经配置好分段策略，仪器将进行分段PID控制，否则选择PID1。ETC电压组的设置范围ACTUATORETC1ETC2ETC3ETC14当选择ACTUATOR时，将使用油门执行器进行发动机控制，并忽略ETC电压输出。当选择ETC1ETC14时，将使用ETC电压进行发动机控制，并忽略油门执行器。此时油门反馈值将立即显示，无论该组电压是否正确连接到发动机。23设置报警、停机限值在仪器中可以分别设置转速、扭矩的报警、停机限值以防止测功机或发动机在超转速、超扭矩下运行。1在主界面下按F7进入设置界面2用F5和F6键使光标停在菜单LIMITVALUES上3按F7进入设置画面图14设置转速、扭矩限值4用F5、F6选择需要改变的项目5用F3、F4改变项目内容6按F7完成设置或F2取消修改当转速或扭矩大于停机值时将触发故障事件，否则当大于报警值时将触发报警事件注意当参数设置为0时，相应的功能将被停用。24设置滤波器仪器工作时高速采集转速、扭矩信号，不可避免数据非常离散，不利于人工读数，因此加入数字低通滤波器是必要的，但太长的滤波时间会影响动态数据的读取。用户必须权衡数据稳定性和及时性来设置滤波时间。1在主界面下按F7进入设置界面2用F5和F6键使光标停在菜单OPTIONS上3按F7进入子菜单4用F5和F6键使光标停在菜单FILTERS菜单上5按F7进入设置画面6用F5、F6选择需要改变的项目7用F3、F4改变项目内容8按F7完成设置或F2取消修改图16设置转速、扭矩滤波时间滤波开关当选择ENABLE时低通滤波器作用。当选择DISABLE时低通滤波器将停止使用。滤波时间滤波时间越长、数据越稳定，但动态响应越差。滤波时间取值范围0100秒滤波门限当过程参数瞬时变化量大于此门限值时，低通滤波器将自动关闭，以提高动态响应性能滤波开关滤波时间滤波门限图16滤波效果比较建议当只需要观察稳态工况数据时，应使能低通滤波器，并设置滤波时间10S以上，滤波门限不小于20。当需要观察动态工况数据时，应尽量减小滤波时间和滤波门限，甚至关闭低通滤波器。25设置发动机参数通常情况下无需设置发动机参数。但以下情况需要设置相关参数当改变发动机转向时做船用柴油机推进特性试验时输出转速、扭矩、功率模拟信号时1在主界面下按F7进入设置界面2用F5和F6键使光标停在菜单OPTIONS上未滤波数据滤波时间2S滤波时间10S3按F7进入子菜单4用F5和F6键使光标停在菜单ENGINE菜单上5按F7进入设置画面6用F5、F6选择需要改变的项目图17设置发动机参数7用F3、F4改变项目内容8按F7完成设置或F2取消修改发动机转向发动机额定转速发动机额定功率发动机最高转速发动机最大扭矩发动机最大功率发动机转向发动机转向不同时使用的扭矩校准系数不同，因此必须正确确定发动机的旋转方向发动机转向的取值范围正向反向自动正向时使用扭矩校准时正方向的系数反向时使用扭矩校准时负方向的系数当选择自动时，仪器按以下方式确定转向图18自动转向确定注意一般情况下仪器能正确判断出转向，但当扭矩非常小时可能会出现错误。发动机额定转速和功率当进行船用柴油机推进特性试验时需正确输入这两个参数。发动机最大转速、扭矩和功率这些参数仅用于设定控制量上限和模拟信号输出。扭矩为正改变方向YN26查看输入输出通道仪器可以方便地查看输入输出通道的采样值和状态。此功能用于诊断和调试。261测功器控制单元1在主界面下按F7进入设置界面2用F5和F6键使光标停在菜单MONITOR上3按F7进入子菜单4用F5和F6键使光标停在菜单DYNAMOMETER菜单上5按F7进入监控画面6再按F7退出扭矩采样值转速、频率采样值急停输入报警、急停输出图19测功器输入输出通道262测功器监控单元1在主界面下按F7进入设置界面2用F5和F6键使光标停在菜单MONITOR上3按F7进入子菜单4用F5和F6键使光标停在菜单DYNAMOMETERSUPERVISORYUNIT菜单上5按F7键进入监控画面6用F5和F6键切换画面，画面顺序模拟输入通道数字输入通道继电器输出通道7按F7退出模拟监控通道状态模拟监控通道过程值图20测功器监控单元输入输出通道第三章仪器校准本章介绍扭矩的校准方法在测功机安装、移动、维修后应进行测功机扭矩校准。为防止测功机精度降低，建议校准间隔不超过6个月。31校准设备砝码误差不大于01校准臂长度误差不大于0132校准准备仪器加热预热至少15分钟检查测功器水管、油管、电缆等是否影响测功器的摆动对于电力测功器务必按下急停按钮或者关闭变频器电源数字输入通道继电器输出通道以防止电机/发动机意外启动对于电力测功器，安装固定支架安装校准臂，使校准臂处于水平位置，放置好托盘。输入密码进入登录状态33校准扭矩计算校准扭矩值按以下公式计算TMG其中T扭矩值单位NMM砝码质量单位KGG重力加速度单位M/S2，取G9807L准臂长度单位M例如对于09737M校准臂和1KG的砝码T9549NM对于10197M校准臂和1KG的砝码T10000NM图21测功器校准机构不同测功器所加砝码质量及校准臂参阅测功器说明书。34校准零点1在主界面下按F7进入设置界面2用F5和F6键使光标停在菜单CALIBRATION上3按F7进入子菜单4用F5和F6键使光标停在菜单ZEROCALIBRATION菜单上5按F7进入零点校准画面图22校准零点6准备好后，按F7键完成操作或者按F2键取消操作。35校准满量程1把砝码依次放入托盘中2在主界面下按F7进入设置界面3用F5和F6键使光标停在菜单CALIBRATION上4按F7进入子菜单5用F5和F6键使光标停在菜单SPANCALIBRATIONPOSITIVE菜单上6按F7进入满量程校准画面图23校准满量程7按用F3和F4键输入校准扭矩值8准备好后，按F7键完成操作或者按F2键取消操作。36校准满量程反方向对于双向测功器，还应该在相反的方向进行扭矩校准。1在相反方向安装校准臂，使校准臂处于水平位置，放置好托盘。2参照34校准零点。3参照35选择菜单SPANCALIBRATIONNEGATIVE校准满量程。输入扭矩值37扭矩校验校验可以在校准后立即进行或工作一段时间后进行。校验点不少于10个，并且大致均匀分布。1参照34校准零点。2加砝码，记录各个校验点的砝码质量和扭矩读数,直到达到最大校验点3卸砝码，记录各个校验点的砝码质量和扭矩读数,直到达到最小校验点4按记录表中的数据计算。记录表中PMAX测功器的额定扭矩。记录表样式实际读数NM砝码质量KG理论扭矩NMPI加荷PI1卸荷PI2最大偏差NMIMAX|PI1PI|,|PI2PI|相对精度II/PMAXW1W2WN5测功器的精度即各个校验点的相对精度的最大值。MAX1,2,N6可重复以上过程，取精度的最大值作为校验结果。38扭矩灵敏度检查扭矩灵敏度在最大校验点和空载点分别测试。1给测功器逐步加载，直到测功器读数有明显变化记录所加的砝码质量M0。2根据33小节内容计算所增加的扭矩T3计算测功器的灵敏度ET/PMAX其中PMAX测功器的额定扭矩4各次试验的最大值作为扭矩的灵敏度。39结束校准，重新校零1移除砝码、托盘、校准臂及固定支架。2打开冷却水阀。3按34重新校准零点。310其它对于采用标准测力计作为标准仪器的情况，请参照以上内容进行操作。注意以上校准、校验的方法仅供参考。用户可根据实际情况增加或简化或取消某些内容。第四章PID控制器本节介绍PID控制器的原理及系数调节方法PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。NCK2000采用PID控制原理进行恒转速、恒扭矩控制。41PID控制器原理PID控制器（比例积分微分控制器），由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。图24PID控制器方框图比例来控制当前，误差值和一个负常数P（比例带）相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。比如说，一个电热器的控制器的比例尺范围是10C，它的预定值是20C。那么它在10C的时候会输出100，在15C的时候会输出50，在19C的时候输出10，注意在误差是0的时候，控制器的输出也是0。积分来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个PID回路系统会在预定值稳定下来。微分来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。这个导数的控制会对系统的改变作出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。一些实际中的速度缓慢的系统可以不需要D参数对于发动机转速、扭矩控制，很多时候只使用PI控制就能取得很好的效果。42PID控制器系数调节PID控制器与受控对象构成闭环控制回路时，为保证系统运行时具有最佳的动态和静态品质，需根据受控对象的具体情况对控制回路的比例系数和积分、微分时间常数进行整定。PID控制器的动态品质主要由比例系数决定。整定比例系数的目的，就是要在保证稳定工作的前提下，使系统具有最快的响应速度和最小的静差设定值与实际输出值间的差值。积分项的作用在于消除系统的静差。积分项的作用太强，会引起系统工作的振荡；积分作用太弱，则消除静差所花费的时间太长。整定积分时间常数就是为了在保证系统稳定工作的前提下，使控制回路消除静差的时间尽量的短。微分项的作用是抑制振荡，减小回差的作用。微分项的作用太弱，效果不明显；微分作用太强，则由于对系统噪声的放大作用，会使控制器工作不稳定。421PID控制器系数整定一般方法1P参数的整定，找出接近临界振荡点的P值，使静差最小，响应最快。在整定PID参数时，应按P、I、D的顺序进行。首先整定比例参数。在寻找最佳比例参数时，为避免积分和微分作用的影响应将积分和微分的作用减到最小。在整定时如事先不知道比例参数的大致范围，宜将比例参数从小到大调整。每试一个值时应将受控变量的设定值大幅度的变化，如未出现振荡，则可再增大，直至找到开始振荡的P值后，将比例参数适当减小，即为最佳比例参数。2I参数的整定，找出接近临界振荡点的I值，使响应到设定点的时间最短。整定好P参数后，在最佳P参数下整定I参数。同样应将积分参数从小到大调整，每试一个值时应将受控变量的设定值大幅度的变化，如未出现振荡，则可再增大，直至找到开始振荡的I值后，将积分参数适当减小，即为最佳积分参数。3D参数的整定，找出适当的D值，能抑制过冲，又不产生明显的扰动。最后整定D参数。在最佳P、I参数下，将微分参数从小到大调整。但D参数不象P、I参数调整那样有明显的振荡界限。随着D值的增大，不会出现周期性的振荡现象，而是出现越来越明显的随机躁动。因而D参数的调整时不必象P、I参数整定那样寻求最佳临界值，只需感觉对过冲有明显的抑制而又不出现明显的扰动即可。422测功器恒转速控制的PID参数的整定整定测功机恒转速控制PID参数，可使测控仪转速控制回路与发动机构成的闭环系统取得最佳匹配。在进行不同机型发动机的试验时，如出现响应过慢或工作不稳定的情况，需对PID参数进行重新整定。整定测功机恒转速回路的PID参数时，应注意以下几个问题由于该控制回路为高阶系统，一般只能取比较小的P参数。在无积分项作用的情况下将会有较大的静差，以至于在发动机的某些工作区域无法运行。因而在整定PID参数时，可以先预置较小的积分系数。由于发动机的控制特性在全工作范围内不同的区域差别极大，在整定PID参数时一定要在不同的区域试验，寻找保证各区域均能稳定工作的最佳参数。由于单比例作用下系统会有较大的静差，系统最终的控制性能对积分作用的依赖性就显得特别大。因此应尽量将I值整定到最佳。在整定测功机恒转速控制回路时，为避免油门控制回路的干扰，应将油门控制模式置于