翻車機(jī)C形架位置與速度的Matlab控制仿真研究

錢 微，張 俊

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 重慶 400054)

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翻車機(jī)C形架位置與速度的Matlab控制仿真研究

錢 微，張 俊

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 重慶 400054)

以翻車機(jī)為控制對(duì)象，研究了時(shí)變慣性系統(tǒng)的多目標(biāo)測(cè)控問(wèn)題。用測(cè)速傳感器得到系統(tǒng)的加速度和位置的實(shí)時(shí)量，從而建立起以控制給定為基準(zhǔn)的可預(yù)估智能控制器，為變頻器控制時(shí)變慣性對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度與位置提供準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)。Matlab仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

時(shí)變慣性；翻車機(jī)；預(yù)估

翻車機(jī)是一種大型自動(dòng)卸車系統(tǒng)，可翻卸鐵路散貨車所裝載的散粒物料，廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、港口、冶金、煤炭等領(lǐng)域。

翻車機(jī)卸車系統(tǒng)主要由“C”形折返式卸車和配套工藝設(shè)備組成。翻車機(jī)“C”形架對(duì)重車倒料停車位和空車對(duì)軌位的位置精度要求較高，同時(shí)在這兩個(gè)位置上希望速度為0。

目前，在翻車機(jī)控制中普遍采用變頻器。以多段速控制[1]調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在停車段做慣性運(yùn)動(dòng)，并輔以液壓推桿式抱閘在停車點(diǎn)制動(dòng)、定位。這種控制方案能實(shí)現(xiàn)工藝工序的主要目標(biāo)。但在控制效果上暴露出兩大問(wèn)題[2]：其一，到停車點(diǎn)時(shí)，C形架轉(zhuǎn)速不為零，一部分動(dòng)能通過(guò)抱閘摩擦生熱消耗掉，另一部分由抱閘階躍制動(dòng)引發(fā)的C形架激烈振動(dòng)散失。特別是對(duì)軸承等傳動(dòng)部件的沖擊明顯，對(duì)設(shè)備、設(shè)施帶來(lái)不利的影響。其二，這種控制在生產(chǎn)中還表現(xiàn)為停車位對(duì)位不準(zhǔn)，從而引發(fā)列車脫軌和設(shè)施設(shè)備損壞等生產(chǎn)事故。

在翻車機(jī)作業(yè)過(guò)程中，由于C形架圓周運(yùn)動(dòng)和物料狀態(tài)的變化使整個(gè)C形架處于一個(gè)慣性時(shí)變的過(guò)程中。在實(shí)際生產(chǎn)中存在較多具有此特點(diǎn)的系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)該種時(shí)變慣性系統(tǒng)端點(diǎn)位置和速度的多目標(biāo)測(cè)控具有非常重要的技術(shù)價(jià)值和工程意義。

1 系統(tǒng)作業(yè)過(guò)程分析

目前翻車機(jī)控制系統(tǒng)由單臺(tái)或兩臺(tái)變頻器對(duì)C形架實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。抱閘用于制動(dòng)和C形架定位。系統(tǒng)翻卸效率為20～25 輛/h。額定翻轉(zhuǎn)重量為100 t。最大翻轉(zhuǎn)重量為140 t。翻車機(jī)采用2臺(tái)8極變頻電動(dòng)機(jī)，其額定功率55 kW。C形架最大回轉(zhuǎn)角175°為超限停車位，正常卸車時(shí)回轉(zhuǎn)角為165°。在空車返回距零位27°時(shí)，使返回速度降至額定速度的1/6，此后系統(tǒng)慣性運(yùn)動(dòng)，以減小抱閘在停機(jī)時(shí)的機(jī)械沖擊。回轉(zhuǎn)速度n<1 r/min。通過(guò)安裝在C形架上的接近開關(guān)和光電對(duì)射式傳感器實(shí)現(xiàn)角度和位置的檢測(cè)[3]。

如圖1所示，如果在系統(tǒng)檢測(cè)中增加測(cè)速傳感器，測(cè)得C形架的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，并將上述信號(hào)反饋回控制系統(tǒng)就可以構(gòu)建對(duì)C形架的智能預(yù)估位置與速度控制算法，從而實(shí)現(xiàn)零速精確定位控制目標(biāo)，以優(yōu)化設(shè)備的控制。

圖1 系統(tǒng)信號(hào)流程

翻車機(jī)C形架在整個(gè)重車卸車和空車返回過(guò)程中最大的特點(diǎn)就是質(zhì)量及質(zhì)量分布實(shí)時(shí)變化，特別是這種慣性變化呈現(xiàn)出散料下卸過(guò)程中固有的不規(guī)則性和沖擊性，這就給電機(jī)的轉(zhuǎn)速及力矩控制帶來(lái)了嚴(yán)重問(wèn)題。這一點(diǎn)從式(1)(2)可以看出。

(1)

(2)

其中:f(t)為作用力；l(t)為折算到作用端的距離；m(t)為車輛質(zhì)量。

在重車卸車過(guò)程中，質(zhì)量m(t)會(huì)不規(guī)則減少，空車返回時(shí)不變。l(t)在重車和空車時(shí)均會(huì)因質(zhì)量分布的變化而變化。在這一過(guò)程中，由于質(zhì)量及質(zhì)量分布不規(guī)則變化，使得測(cè)得的電機(jī)電流無(wú)法表達(dá)轉(zhuǎn)矩與C形架的速度、加速度等量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。重車時(shí)的大電流可能對(duì)應(yīng)較小的加速度，輕車或空車時(shí)較小的電流可能產(chǎn)生較大的加速度。所以用電流作為電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制難以實(shí)現(xiàn)對(duì)加速段、減速段的測(cè)控，實(shí)現(xiàn)零速、零位停車[4]。

如果引入速度測(cè)量，并以此直接作為C形架速度控制的依據(jù),將得到下列結(jié)論：

(3)

通過(guò)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)，以智能控制器來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)(驅(qū)動(dòng))力矩，控制減(加)速過(guò)程的速度變化；也通過(guò)對(duì)速度的積分值來(lái)控制C形架的位置。據(jù)此可以方便地構(gòu)建定點(diǎn)、零速停車曲線，并以其作為智能預(yù)估控制算法的給定基準(zhǔn)來(lái)預(yù)估控制量，從而大大提高控制的品質(zhì)。

根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍、工藝作業(yè)要求[5]，可以將C形架的回轉(zhuǎn)周期定為60 s。翻車機(jī)C形架重車卸料作業(yè)翻轉(zhuǎn)165°，到位時(shí)要考慮175°超限位置的安全措施。在重車卸車作業(yè)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)提供的位置傳感器和兩個(gè)光電開關(guān)將控制給定設(shè)置成0°～75°為加速段，75°～110°為勻速段，110°～165°為減速段。165°位置完成零速停車。在空車返回時(shí)主要考慮27°時(shí)減速控制，實(shí)現(xiàn)零位精確對(duì)軌，以避免空車脫軌事故。在卸車與空車返回過(guò)程中用系統(tǒng)提供的位置傳感器校驗(yàn)控制時(shí)刻與角位移的關(guān)系。具體分段見(jiàn)表1。

表1 30 s等加減速條件下卸車作業(yè)過(guò)程

由表1可知：在C形架上位置傳感器安裝位置已經(jīng)確定，因此加減速及勻速段的角位移就據(jù)此確定[6]。如果設(shè)定勻加速的工況，結(jié)合系統(tǒng)工作節(jié)拍的要求，給定頻率與時(shí)刻、角位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)如表1所示。在這種情況下啟停位置和速度拐點(diǎn)處速度連續(xù)不可導(dǎo)，在這些點(diǎn)將引起設(shè)備的運(yùn)行震蕩。應(yīng)當(dāng)對(duì)這些點(diǎn)做平滑處理，在拐點(diǎn)處使其速度連續(xù)可導(dǎo)，以提高設(shè)備運(yùn)行品質(zhì)。具體處理上，以等加速度控制曲線為基本依據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)、設(shè)備能力、生產(chǎn)節(jié)拍不變等要素分段給出控制給定曲線。在啟動(dòng)時(shí)，負(fù)荷重要低頻慢速啟動(dòng)，在75°進(jìn)入勻速段時(shí)物料開始大量下瀉，整車質(zhì)量急劇下降。110°～135°因轉(zhuǎn)速較高且動(dòng)能較大，可以用小制動(dòng)力矩緩慢減速，在135°～150°段，速度減小到勻速時(shí)的70%，整車質(zhì)量也變小且趨于穩(wěn)定，動(dòng)能在50%以下，因此，有條件大力矩快速減速。而在150°～165°段，動(dòng)能小，慣性變化小，主要考慮零速準(zhǔn)確對(duì)位停車。

根據(jù)上述分析，以表1所示數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，采用式(4)所示的分段多項(xiàng)式擬合構(gòu)建出變頻器頻率與時(shí)刻對(duì)應(yīng)的設(shè)定速度曲線，如圖2所示。

根據(jù)C形架的實(shí)際運(yùn)行情況，在C形架轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于45°(工作時(shí)刻約12 s)時(shí)物料開始大量?jī)A泄，致使負(fù)載急劇減小，在翻車機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)行程的末段，由于物料所剩無(wú)幾，負(fù)載變化趨緩?？紤]翻車機(jī)及物料質(zhì)量分布變化的總體趨勢(shì)及其不規(guī)則性和沖擊性變化，采用圖3所示擬合曲線及混合隨機(jī)噪聲的方法來(lái)模擬系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中負(fù)載轉(zhuǎn)矩的非線性時(shí)變特性。

圖3 負(fù)載變化曲線

2 系統(tǒng)仿真

在Matlab中，構(gòu)建轉(zhuǎn)速和電流閉環(huán)的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)[7]的仿真模型，如圖4所示，異步電動(dòng)機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的主回路由IGBT逆變電源、異步電動(dòng)機(jī)等部分組成。其中IGBT逆變電源由一個(gè)780 V恒定直流電壓源和一個(gè)IGBT原件構(gòu)成的通用變流器橋組成。

在仿真系統(tǒng)的矢量控制器模塊中，采用了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)反饋控制，見(jiàn)圖5，其中速度環(huán)控制采用了模糊控制器[8]，其模糊規(guī)則表如表2所示。

圖4 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)

圖5 矢量控制器子模塊結(jié)構(gòu)表2 速度環(huán)模糊控制器規(guī)則表

輸出誤差誤差變化率負(fù)大負(fù)小0正小正大負(fù)大負(fù)大負(fù)大負(fù)小負(fù)小負(fù)小負(fù)小負(fù)大負(fù)小負(fù)小000負(fù)小00正小正大正小00正小正小正大正大正小正大正大正大正大

通過(guò)對(duì)速度給定曲線和等加減速曲線分別積分得到給定角位移的頻率折算量，30 s時(shí)對(duì)應(yīng)值為828.580 2，而速度給定響應(yīng)曲線對(duì)時(shí)間的積分值為827.955 3，誤差率低于0.001。說(shuō)明C形架在沒(méi)有抱閘的干預(yù)下，能通過(guò)分段預(yù)估智能控制調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)停車。

具體仿真結(jié)果如圖6所示，觀察圖6(a)發(fā)現(xiàn)，給定速度曲線在加減速段平滑，在負(fù)載非線性時(shí)變的情況下，系統(tǒng)響應(yīng)良好。

相同仿真條件下，等加減速曲線的響應(yīng)如圖6(b)所示：30 s時(shí)等加減速度響應(yīng)曲線對(duì)時(shí)間的積分值為838.687 5，誤差率約為0.012。說(shuō)明速度給定曲線的響應(yīng)優(yōu)于等加減速曲線的響應(yīng)。

圖6 速度響應(yīng)曲線

為分析減速停車階段速度曲線變化情況，選取兩條速度響應(yīng)曲線的末端進(jìn)行放大分析，具體結(jié)果如圖7所示。

從圖7(b)可以看出，在等加減速度響應(yīng)曲線末段(29.5～30 s)，變頻器頻率從約2 Hz向零速過(guò)渡，加速度明顯大于同時(shí)段給定速度響應(yīng)曲線，且速度最終沒(méi)有平緩過(guò)渡到零，加上前述其響應(yīng)曲線對(duì)時(shí)間在30 s的積分值誤差率較大，致使其不能準(zhǔn)確地到位零速停車，且對(duì)系統(tǒng)會(huì)造成一定的沖擊。而在給定速度響應(yīng)曲線末段(29.5～30 s)，如圖7(a)，變頻器頻率從小于0.3 Hz逐漸過(guò)渡到0 Hz,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了較為平緩的零速停車，大大地降低了沖擊對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響。

圖7 速度響應(yīng)曲線末端情況

3 結(jié)束語(yǔ)

翻車機(jī)C形架是典型的變質(zhì)量和變質(zhì)量分布對(duì)象?？刂粕弦笙到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)速度和位置雙目標(biāo)測(cè)控。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)引入測(cè)速裝置使系統(tǒng)具備了準(zhǔn)確描述時(shí)間與空間關(guān)系的可能，據(jù)此構(gòu)建了分段預(yù)估智能控制器。根據(jù)優(yōu)化的給定速度曲線，通過(guò)數(shù)字仿真證明重車零速定點(diǎn)停車可行。這樣就克服了實(shí)際生產(chǎn)中由于慣性和抱閘工況不確定引發(fā)的停車不能準(zhǔn)確對(duì)位，停車速度不為零的狀況?？刂破鬏^為準(zhǔn)確地跟蹤了分段給定控制曲線，改善了系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，提高了控制水平。后續(xù)通過(guò)進(jìn)一步積累大量的工程數(shù)據(jù)，可以根據(jù)物料、現(xiàn)場(chǎng)工藝節(jié)拍及設(shè)備的具體情況尋求更優(yōu)的給定速度曲線，在定點(diǎn)、零速停車、節(jié)能方面進(jìn)一步改善系統(tǒng)的運(yùn)行效率和質(zhì)量。這一控制方法對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中類似的對(duì)象也有積極的參考意義。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Simulation Control Research on Matlab of Position and Velocity of C-Frame in Dumper

QIAN Wei， ZHANG Jun

(Department of Electrical and Electronic Engineering,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

The multi-objective measurement and control problem of time-varying inertial system is studied by using the dumper as the control object. With the speed of the system at the same time, it gets the system acceleration and location of the real-time, and establishes a control given benchmark of intelligent controller to predictable export. It provides accurate and reliable basis for time-varying inertia object damping torque acquired by frequency converter and position control of the C shape frame. The Matlab simulation results verify the effectiveness of the proposed method.

time-varying inertia; car dumper; forecast

2017-05-26

錢微(1964—), 男, 陜西戶縣人,碩士研究生, 高級(jí)工程師,主要從事自動(dòng)控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用研究，E-mail: cqqianwei@cqut.edu.cn。

錢微，張俊.翻車機(jī)C形架位置與速度的Matlab控制仿真研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(7):182-187.

format：QIAN Wei，ZHANG Jun.Simulation Control Research on Matlab of Position and Velocity of C-Frame in Dumper[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):182-187.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.029

TP29

A

1674-8425(2017)07-0182-06