船用大載荷升降設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

李元哲，王 凱

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 海軍駐鄭州地區(qū)軍事代表室，河南 鄭州 450015)

船用大載荷升降設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

李元哲1，王 凱2

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 海軍駐鄭州地區(qū)軍事代表室，河南 鄭州 450015)

本文提出一種雙電機(jī)主從伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)末端鋼絲繩柔性連接的特性建立伺服系統(tǒng)模型，通過(guò)仿真分析，改進(jìn)位置環(huán)PID控制器，對(duì)位置誤差調(diào)整和消除，以滿(mǎn)足大載荷、高平層精度的控制要求。

大載荷；雙電機(jī)；伺服控制；PID控制

0 引 言

根據(jù)船用條件，大載荷的升降設(shè)備不僅要滿(mǎn)足在海浪沖擊搖擺條件下的使用工況，而且要滿(mǎn)足龐大的載荷需求，因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，使用雙電機(jī)經(jīng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒，滾筒連接鋼絲繩，鋼絲繩多點(diǎn)提拉平臺(tái)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以滿(mǎn)足負(fù)載端提供10 t以上的拉力需求，但是需要伺服控制系統(tǒng)具備大扭矩高精度的特點(diǎn)，以克服平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中鋼絲繩伸縮帶來(lái)的位置誤差。

本文提出一種雙電機(jī)主從伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)末端鋼絲繩柔性連接的特性建立伺服系統(tǒng)模型，通過(guò)仿真分析，改進(jìn)位置環(huán)PID控制器，對(duì)位置誤差調(diào)整和消除，以達(dá)到預(yù)期的平層精度要求。

1 雙電機(jī)升降裝置伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

升降裝置為了實(shí)現(xiàn)最高12 t的載荷，配備了2個(gè)相同參數(shù)的大功率交流永磁同步電機(jī)，2個(gè)電機(jī)共轉(zhuǎn)軸共同帶動(dòng)后端的減速機(jī)，減速機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連接著平臺(tái)的鋼絲繩，從而驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上下運(yùn)行。由于運(yùn)行通道較長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)編碼器配備于電機(jī)側(cè)，控制器通過(guò)采集電機(jī)角度進(jìn)行位置控制，而鋼絲繩連接的平臺(tái)作為彈性負(fù)載，當(dāng)平臺(tái)上下運(yùn)行過(guò)程中，鋼絲繩伸長(zhǎng)量不斷變化，平臺(tái)的準(zhǔn)確位置無(wú)法從編碼器準(zhǔn)確獲取。本文的目的就是設(shè)計(jì)一個(gè)可靠地位置環(huán)PID控制器解決該問(wèn)題。

2個(gè)電機(jī)采用較常用的主從控制結(jié)構(gòu)，即主電機(jī)工作于位置環(huán)，從電機(jī)工作于電流環(huán)。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1，主電機(jī)和從電機(jī)具備相互獨(dú)立的電流環(huán)，并設(shè)計(jì)一個(gè)電流調(diào)節(jié)器使其穩(wěn)定且無(wú)靜差。主電機(jī)設(shè)計(jì)在電流環(huán)外部設(shè)計(jì)一個(gè)速度環(huán)調(diào)節(jié)器，使速度環(huán)穩(wěn)定且無(wú)靜差，其輸出電流給定同時(shí)發(fā)送給主從電機(jī)。主電機(jī)同樣設(shè)計(jì)了一個(gè)位置調(diào)節(jié)器，對(duì)位置誤差進(jìn)行計(jì)算。

2 雙電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

本伺服系統(tǒng)通過(guò)將主電機(jī)與從電機(jī)的電流環(huán)指令信號(hào)并聯(lián)，保留主電機(jī)的速度環(huán)和位置環(huán)，斷開(kāi)從電機(jī)的速度環(huán)，從電機(jī)與主電機(jī)共轉(zhuǎn)軸連接在減速機(jī)上，因此從電機(jī)的轉(zhuǎn)速與主電機(jī)一致，通過(guò)主電機(jī)的速度反饋信號(hào)進(jìn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。不考慮后端齒隙等非線(xiàn)性環(huán)節(jié)的影響，從電機(jī)采用跟隨主電機(jī)電流的方式運(yùn)行，因此，可以將雙電機(jī)模型看做主電機(jī)模型，根據(jù)主電機(jī)的控制規(guī)律進(jìn)行建模。

根據(jù)經(jīng)典電機(jī)學(xué)相關(guān)方程[1]進(jìn)行推導(dǎo)，可知電樞電壓方程：

電機(jī)力矩方程：

電樞反電動(dòng)勢(shì)方程：

力矩和轉(zhuǎn)角關(guān)系方程：

對(duì)式（1）～ 式（4）進(jìn)行聯(lián)立，并經(jīng)拉氏變換后，可得到以下方程[2]：

式中：U為輸入電壓；I為電樞電流；V為電樞反電動(dòng)勢(shì)；R為電樞電阻；L為電樞電感；為電機(jī)力矩；為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；為 電機(jī)轉(zhuǎn)速，為電機(jī)轉(zhuǎn)角。為負(fù)載側(cè)粘性阻尼系數(shù)；為電機(jī)側(cè)粘性阻尼系數(shù)；為負(fù)載側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為 電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

在該升降設(shè)備控制系統(tǒng)中，鋼絲繩雙層纏繞在滾筒上，當(dāng)平臺(tái)向鋼絲繩向伸長(zhǎng)方向運(yùn)行，此時(shí)滾筒轉(zhuǎn)角增大鋼絲繩伸長(zhǎng)量x加長(zhǎng)，彈性系數(shù)k變小，彈性系數(shù)與滾筒轉(zhuǎn)角θ成反比例關(guān)系。當(dāng)加大載荷GL，鋼絲繩伸長(zhǎng)量x加長(zhǎng)。同理，當(dāng)平臺(tái)向鋼絲繩縮短方向運(yùn)行或載荷減小時(shí)鋼絲繩縮短。其關(guān)系方程為：

根據(jù)式（5）～式（9），畫(huà)出其控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

3 改進(jìn)的控制系統(tǒng)模型

由于在真實(shí)的控制系統(tǒng)中負(fù)載是一個(gè)變化量，每次升降平臺(tái)進(jìn)行加載時(shí)是在一定范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，而平臺(tái)本身無(wú)稱(chēng)重功能，無(wú)法獲取其靜載荷。并且編碼器安裝于電機(jī)側(cè)，無(wú)法反映后端鋼絲繩提拉平臺(tái)的真實(shí)位置，也就是說(shuō)系統(tǒng)存在靜差，而且無(wú)法通過(guò)計(jì)算負(fù)載載荷的方式在控制器端進(jìn)行算法補(bǔ)償。

因此根據(jù)該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)該控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。首先硬件上，在平臺(tái)最終?？课恢酶浇还潭ㄎ恢锰幇惭b一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)平臺(tái)觸碰到該開(kāi)關(guān)的時(shí)候計(jì)算距目標(biāo)停止位置距離并替換當(dāng)前的位置給定。同時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的采集周期、系統(tǒng)延時(shí)和運(yùn)行速度對(duì)位置給定進(jìn)行再修正。改進(jìn)后的控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示，引入當(dāng)前的運(yùn)行速度并乘以系統(tǒng)掃描周期，將采集該位置時(shí)的系統(tǒng)誤差作為前饋，相應(yīng)的，其位置環(huán)PID控制器也作了相應(yīng)更改，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖5。

4 控制系統(tǒng)仿真

為消除系統(tǒng)靜差，根據(jù)圖3改進(jìn)的控制系統(tǒng)原理框圖再次進(jìn)行仿真，同時(shí)引入改進(jìn)的位置PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)量輸入in2為0時(shí)直接使用PID控制，當(dāng)開(kāi)關(guān)量輸入in2為1時(shí)將常量和誤差反饋的差值進(jìn)行PID運(yùn)算，以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

仍然在額定載荷條件下，使用臨界比例度法，對(duì)PID控制器的控制參數(shù)進(jìn)行整定，確定其位置控制器的PID參數(shù)分別為Kp=23.15，KI=0.47，KD=0.22，其位置階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖6所示，系統(tǒng)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。

再次進(jìn)行仿真，使用規(guī)劃好的s曲線(xiàn)作為速度給定，可以看出電機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的速度曲線(xiàn)進(jìn)行加速和減速，在末尾位置時(shí)通過(guò)外部開(kāi)關(guān)位置進(jìn)行位置給定補(bǔ)償后，又出現(xiàn)一個(gè)加速減速過(guò)程，以補(bǔ)償鋼絲繩拉伸環(huán)節(jié)中的伸長(zhǎng)量。電機(jī)的轉(zhuǎn)速和平臺(tái)位置曲線(xiàn)分別如圖7和圖8所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)雙電機(jī)大載荷船用升降設(shè)備，對(duì)其系統(tǒng)特性進(jìn)行原理分析，并建立控制系統(tǒng)模型。針對(duì)控制系統(tǒng)后端鋼絲繩柔性負(fù)載容易發(fā)生伸縮，且伸縮量不容易測(cè)量和采集的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了改進(jìn)的PID位置控制器，根據(jù)位置開(kāi)關(guān)的信號(hào)配合對(duì)鋼絲繩的變化量進(jìn)行補(bǔ)償。

經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)的建模、模型改進(jìn)前后的仿真比較，證明改進(jìn)后的系統(tǒng)模型消除了系統(tǒng)位置靜態(tài)誤差。經(jīng)過(guò)實(shí)際設(shè)備的研制和使用，實(shí)際設(shè)備的控制效果與仿真一致，雙電機(jī)能夠在1.2倍過(guò)載條件下按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)的s曲線(xiàn)進(jìn)行速度跟蹤，并可靠消除鋼絲繩伸縮帶來(lái)的位置誤差。鋼絲繩在船用載重設(shè)備中經(jīng)常使用，本文對(duì)鋼絲繩模型和其形變補(bǔ)償算法做了一些有益的探索，具備很好的實(shí)用和參考價(jià)值。

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Design and simulation for large load ship lifter control system

LI Yuan-zhe1, WANG Kai2
(1. The 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015, China;2. Naval Representative Office in Zhengzhou Region, Zhengzhou 450015, China)

This article proposed a servo control model for the flexibility feature of steel w ire rope. According to the system simulation and the improvement of position loop PID controller, the position error can be eliminated , and the high-precision controlling demand is able to be satisfied.

large load；dual-motor；servo control；PID control

TH21

A

1672–7649(2017)12–0167–04

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.035

2017–08–28

李元哲(1985–)，男，工程師，主要從事轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)電氣控制方向的研究。