Engine_Test_2012说明书.docx

nck2000 测功器控制器用户手册doc id um_nck2g_20120601rev 1.0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doc id um_nck2g_20120601rev 1.0第一章 基本功能本章介绍仪器的面板组成、基本使用功能1.1 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急停按钮发动机设定旋钮测功器设定旋钮lcd 显示器讯响器控制方式键设定键功能键图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1.1.1 按键列表:分类名称功能简述控制键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idle/怠速控制方式p/p,控制量0/0控制模式键p/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n/m测功器恒转速、发动机恒扭矩多功能键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f7多功能键：进入设置界面1.1.2 显示76543218111913314151612100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1.1.3 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f7图3 操作界面切换1.2 基本操作1.2.1 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/联机键方法2：通过远程指令切换控制源在面板上有指示：f7 图4：控制源切换1.2.2 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。1.2.3 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f2 (mode)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1.2.4 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(n.m)油门位置(%)n/p转速(r/min)油门位置(%)m/n扭矩(n.m)转速(r/min)n/m转速(r/min)扭矩(n.m)1.2.4.1 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：1-2-5-10-50-100这样做的目的是兼顾设定的准确性和速度。发动机设定旋钮测功器设定旋钮 图7：旋钮1.2.4.2 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。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1.2.4.3 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0.5s。图8：控制量的反馈显示1.2.5 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：idle/怠速按键图9：怠速按键的位置1.2.6 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) 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：stop/停机按键图10：停机按键的位置1.2.7 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1.2.7.1 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，并在屏幕信息框内显示具体的事件描述。无报警、故障时的信息框图11：无报警、故障时的信息框有报警、故障时的信息框有报警、故障按f1键复位有报警、故障时alarm ack显示图12：有报警、故障时的信息框1.2.7.2 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。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。21.1 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进入输入密码画面在这儿输入密码(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登录标识显示登录标识显示21.2 更改密码在输入密码界面下按f6键进入更改密码界面输入当前密码输入新密码(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。(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pid&etc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：autopid 1pid 2pid 3 pid 15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pid 1。 etc电压组的设置范围：actuatoretc 1etc 2etc 3 etc 14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etc 1-etc14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limit values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取消修改滤波门限滤波开关滤波时间图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：0-100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未滤波数据滤波时间2s滤波时间10s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(3) 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发动机额定功率发动机最高转速发动机额定转速发动机最大功率发动机最大扭矩发动机转向图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：n扭矩为正？y改变方向图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。26 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。26.1 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、频率采样值报警、急停输出急停输入图19：测功器输入输出通道26.2 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dynamometer supervisory unit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数字输入通道继电器输出通道图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。3.1 校准设备 砝码：误差不大于0.1% 校准臂：长度误差不大于0.1%3.2 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3.3 校准扭矩计算校准扭矩值按以下公式计算：t=mg其中：t： 扭矩值(单位：n.m)m: 砝码质量(单位：kg)g : 重力加速度(单位：m/s2)，取g= 9.807l： 准臂长度(单位：m)例如：对于0.9737m校准臂和1kg的砝码t=9.549 n.m对于1.0197m校准臂和1kg的砝码t=10.000 n.m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。 3.4 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zero calibration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。3.5 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span calibration(positive)菜单上(6) 按f7进入满量程校准画面输入扭矩值图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。3.6 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3.4校准零点。(3) 参照3.5选择菜单span calibration(negative)校准满量程。3.7 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3.4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：砝码质量kg理论扭矩(n.m)pi实际读数(n.m)最大偏差(n.m)i=max(|pi1-pi|,|pi2-pi|)相对精度i=i/pmax加荷pi1卸荷pi2w1w2wn(5) 测功器的精度即各个校验点的相对精度的最大值。=max(1, 2,n)(6) 可重复以上过程，取精度的最大值作为校验结果。3.8 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3.3小节内容计算所增加的扭矩t(3) 计算测功器的灵敏度e=t/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。3.9 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3.4重新校准零点。3.10 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。4.1 pid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24：pid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。4.2 pid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。4.2.1 pid控制器系数整定一般方法(1) p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。(2) i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。(3) d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。4.2.2 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油门恒位置方式。如柴油机采用两级泵调速器，整定pid参数时应特别注意高速区、低速区、过渡区的控制特性。实现步骤：(1) 在主界面下按f7进入设置界面(2) 用f5和f6键使