小型系留氣球收卷控制技術(shù)研究

楊占鋒，鹿 麟，徐國祥

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

系留氣球利用空氣產(chǎn)生的浮力升空，可攜帶任務(wù)載荷長時駐空執(zhí)行任務(wù)，在軍、民用一些特定領(lǐng)域取得眾多應(yīng)用，有效填補(bǔ)了地面設(shè)備在低空偵察、預(yù)警方面的死角[1]。系留氣球本身沒有動力系統(tǒng)，其升空和回收由一套收放裝置通過牽引纜繩實(shí)現(xiàn)。本文以小型系留氣球收放裝置為研究對象，分析負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了儲纜卷筒自動張力控制和閉環(huán)恒張力2種控制方案，通過實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證控制方案的合理性和有效性，為類似小型收放裝置收卷控制設(shè)計(jì)提供參考。

1 收卷控制需求分析

典型的收放裝置結(jié)構(gòu)如圖 1所示。牽引電機(jī)通過牽引輪為氣球收放提供動力，排線機(jī)構(gòu)和儲纜卷筒實(shí)現(xiàn)纜繩的整齊儲存。

圖1 收放裝置結(jié)構(gòu)示意

收卷電機(jī)通過減速機(jī)帶動儲纜卷筒實(shí)現(xiàn)纜繩收卷儲存，其驅(qū)動控制需要滿足如下要求：

a.速度與主牽引電機(jī)匹配。收卷電機(jī)與主牽引速度匹配，并具有足夠響應(yīng)速度，防止收放速度大范圍變化造成纜繩張力波動甚至松弛，導(dǎo)致繩脫槽和損傷。

b.自動適應(yīng)卷徑變化。收卷電機(jī)輸出力矩需隨儲纜卷筒卷徑變化而自動調(diào)整，維持卷筒與牽引輪之間纜繩張力穩(wěn)定。

c.動態(tài)力矩補(bǔ)償。收卷過程中牽引電機(jī)存在的加減速過程，纜繩端負(fù)載變化均會引起纜繩張力變化，收卷電機(jī)轉(zhuǎn)矩需要動態(tài)調(diào)整，維持纜繩張力穩(wěn)定。

2 收卷控制方案

適用于收放裝置收卷驅(qū)動控制功能的主流方式有：

a.交流異步力矩電機(jī)+力矩控制器。交流力矩電機(jī)特性較軟，機(jī)械特性與卷繞工況較為接近，且控制方式較為簡單，只需要進(jìn)行簡單的調(diào)壓驅(qū)動控制即可，成本低，可靠性較高。

b.異步電機(jī)+矢量控制。異步電機(jī)采用矢量控制可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。但需要配備帶有矢量控制功能的變頻器，通常還需要配備編碼器，以提高力矩控制的精度。

c.伺服電機(jī)力矩模式。伺服電機(jī)力矩控制模式能夠方便實(shí)現(xiàn)恒張力控制，但伺服電機(jī)價格較貴，電機(jī)與驅(qū)動器需要成套使用。

3種控制方式都能夠?qū)崿F(xiàn)張力控制，其中交流異步力矩電機(jī)+力矩控制器架構(gòu)最為簡單，可靠性高，成本較低。控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障后能夠快速方便地采取應(yīng)急措施實(shí)現(xiàn)系留氣球的應(yīng)急回收，因此在小型收放設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

3 收卷負(fù)載轉(zhuǎn)矩分析

3.1 負(fù)載轉(zhuǎn)矩規(guī)律

收卷電機(jī)負(fù)載力矩主要包括4T部分：纜繩張力引起的力矩，纜繩彎曲應(yīng)力引起的彎曲力矩，機(jī)械運(yùn)動引起的摩擦力矩和轉(zhuǎn)速變化時引起的慣性力矩[2]。收卷電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡表達(dá)式為

Tout·i=Tm+Ta+Tw+Tf

(1)

Tout為收卷電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；i為減速機(jī)減速比；Tm為張力引起的有效負(fù)載力矩；Ta為卷筒慣性力矩；Tw為纜繩彎曲引起的彎曲力矩；Tf為卷筒傳動系統(tǒng)摩擦力矩。

收卷張力控制就是通過調(diào)整收卷電機(jī)的輸出力矩Tout來滿足負(fù)載端力矩變化，維持系統(tǒng)力矩平衡，通過主動調(diào)整Tm實(shí)現(xiàn)儲纜卷筒與牽引輪之間纜繩張力與目標(biāo)值之間偏差在允許范圍之內(nèi)。其中彎曲力矩Tw和摩擦力矩Tf較小對收卷控制影響不大，且在系統(tǒng)運(yùn)行中變化幅度不大，控制策略上直接疊加一個固定補(bǔ)償力矩。本文主要探討收放卷過程中Tm和Ta的變化規(guī)律，探尋適合小型系留氣球收放裝置簡單可靠的收卷控制方法。

3.2 有效負(fù)載力矩Tm

收卷過程中卷徑不斷增大，為了維持纜繩張力不變有效負(fù)載轉(zhuǎn)矩不斷增大，即

(2)

Fobj為纜繩目標(biāo)張力；Dact為當(dāng)前儲纜卷筒直徑；Fobj為系統(tǒng)設(shè)定控制時直接引用。纜繩長度是系留氣球的重要參數(shù)，收放系統(tǒng)通過計(jì)算獲取放出纜繩的長度，并將該參數(shù)上報(bào)，因此Dact可以通過放出纜繩長度Lact進(jìn)行換算。纜繩長度與儲纜卷筒纜繩圈數(shù)之間關(guān)系為

(3)

k為每層纜繩圈數(shù)；d為纜繩直徑；n為層數(shù)；D0為卷筒底徑；

為了控制方便，通過式(3)將纜繩長度"分段"，得到纜繩長度區(qū)間與層數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，在通過層數(shù)計(jì)算當(dāng)前儲纜卷筒直徑Dact。

針對小型收放裝置相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，當(dāng)纜繩目標(biāo)張力Fobj=300 N，最大卷徑為1.3 m，卷筒底徑為0.5 m，線徑為20 mm時，按照式(2)可得有效負(fù)載力矩Tm最大為192 N·m，最小為78 N·m。

3.3 卷筒慣性力矩Ta

收放裝置工作時卷筒轉(zhuǎn)動慣量和角速度均動態(tài)變化，慣性力矩一般表達(dá)式為

(4)

a.卷徑變化引起的卷筒角加速度αωd。纜繩的放出造成卷筒卷徑逐漸減小，牽引速度不變卷筒角速度逐漸增加。牽引速度最大，纜繩從第二層過渡到第一層的過程中卷筒角速度變化最大。

(5)

αωd，max為αωd最大值;ωn1為卷筒第一圈最大角速度；ωn2為卷筒第二圈最大角速度；vmax為最收放速度；D1為第一圈卷徑；D2為第二圈卷徑；

針對小型收放裝置相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)按照式(5)可得，卷徑變化引起最大角加速度為0.02 rαd/s2，由此可見卷徑變化引起的卷筒角加速的較少，實(shí)際控制中可以忽略。

b.牽引速度變化引起的卷筒角加速度αωv。卷筒速度始終跟隨主牽引速度，主牽引速度由操作員根據(jù)任務(wù)需求、氣象條件、風(fēng)層變化進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。卷筒轉(zhuǎn)速被動變化將產(chǎn)生角加速度αωv，收卷電機(jī)需要額外轉(zhuǎn)矩滿足速度變化所需的角加速度，即

(6)

av為主牽引最大加速度；Dact為卷筒當(dāng)前直徑。按照式(6)參照小型收放裝置相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)可得，牽引速度變化引起的卷筒角加速度αωv在卷徑最小時最大為0.48 rad/s2。如圖 2所示，隨著儲纜卷筒上纜繩圈數(shù)增多，αωv逐漸減小，而儲纜卷筒的轉(zhuǎn)動慣量逐漸增加，根據(jù)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式因牽引速度變化引起的慣性力矩在滿盤最大為63.34 N·m。

圖2 牽引速度變化引起慣性力矩變化

4 張力控制方案

4.1 自動張力控制

自動張力控制是指不通過外接張力傳感器進(jìn)行張力閉環(huán)的間接張力控制[4]。

圖3 自動張力控制結(jié)構(gòu)

自動張力控制結(jié)構(gòu)如圖 3所示。根據(jù)卷筒纜繩層數(shù)，當(dāng)前卷筒，主牽引加速度、卷筒慣量依據(jù)控制策略進(jìn)行開環(huán)張力控制[5]。其中儲纜卷筒當(dāng)前卷徑按照纜繩長度換算，當(dāng)前轉(zhuǎn)速根據(jù)排線用編碼器脈沖微分獲取。牽引加速度和卷筒慣量程序設(shè)計(jì)時進(jìn)行預(yù)設(shè)，并通過人際交互界面開放給用戶可需要時進(jìn)行修改。

為了減少控制系統(tǒng)的實(shí)時運(yùn)算量降低多個控制變量之間的耦合，將輸入變量與纜繩長度關(guān)聯(lián)形成如表 1控制策略矩陣。表中Tij按照第四節(jié)中分析進(jìn)行確定。

表1 張力開環(huán)控制策略

由于力矩電機(jī)機(jī)械特性較軟[3]，無法做到恒轉(zhuǎn)矩輸出，相同電壓下轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系為非線性關(guān)系，為保證纜繩張力恒定，需要通過預(yù)先標(biāo)定的方法進(jìn)行確定收卷電機(jī)扭矩輸出與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系。

4.2 直接張力控制

如圖 4所示直接張力控制通過外接張力傳感器實(shí)時測量卷筒與牽引輪之間纜繩張力進(jìn)行閉環(huán)控制?？刂品绞礁又苯樱刂凭雀泳珳?zhǔn)，但需要外接張力傳感器。

圖4 直接張力控制

PI控制簡單高效，離散化之后PLC易于實(shí)現(xiàn)。閉環(huán)控制方法在前期設(shè)計(jì)不需很多標(biāo)定工作，只需要在調(diào)試時對P，I值進(jìn)行標(biāo)定，工作量較少。但需要安裝張力傳感器，對于小型低成本或者不易于安裝張力傳感器的場合不適用。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 實(shí)驗(yàn)平臺

為了實(shí)際驗(yàn)證所述2種自動方案,搭建如圖5所示實(shí)驗(yàn)平臺。采用松下A5系列驅(qū)動器和電機(jī)模擬主牽引電機(jī)進(jìn)行工作。力矩電機(jī)采用YLJ通用力矩電機(jī)采用聯(lián)軸器與伺服電機(jī)連接。

圖5 力矩控制驗(yàn)證平臺實(shí)物

使用伺服驅(qū)動器的力矩監(jiān)視反饋力矩電機(jī)的實(shí)際輸出，速度監(jiān)視功能反映當(dāng)前電機(jī)工作速度，控制器采用西門子S7-200 224XP。由于硬件條件的限制且轉(zhuǎn)矩與卷徑之間關(guān)系相對固定，本實(shí)驗(yàn)方案主要驗(yàn)證加減速情況下不同目標(biāo)張力、不同轉(zhuǎn)速時張力控制效果。

5.2 力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩測試

采用驗(yàn)證平臺測定不同轉(zhuǎn)速下力矩電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，如圖 6所示為電壓為280 V時力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速在100～1 000 r/min之間時轉(zhuǎn)速和力矩變化趨勢。

圖6 收卷電機(jī)轉(zhuǎn)矩測試

從圖6可以看出，力矩電機(jī)輸出力矩隨轉(zhuǎn)速提高明顯減小。在280V輸出電壓下，轉(zhuǎn)速7擋速度下輸出力矩只有1擋速度的6.25%，因此，如果收放過程中不對力矩電機(jī)輸出進(jìn)行實(shí)時控制會極大影響收卷效果，進(jìn)而影響收放系統(tǒng)性能。

5.3 自動張力控制驗(yàn)證

卷筒慣量，牽引加速度等相關(guān)參數(shù)計(jì)算標(biāo)定完成后制成如表 1所示控制策略矩陣，通過PLC可以進(jìn)行自動張力控制。圖 7所示為自動張力控制算法當(dāng)主牽引速度在100～550 r/min之間變化時控制效果。PLC根據(jù)不同速度實(shí)時調(diào)整力矩電機(jī)電壓，從而保持在約0.3 N·m的恒定力矩輸出。

圖7 自動張力控制實(shí)驗(yàn)

5.4 閉環(huán)張力控制驗(yàn)證

閉環(huán)模式采用經(jīng)典PI控制算法，控制器根據(jù)當(dāng)前的力矩輸出通過PI控制算法實(shí)時調(diào)整力矩電機(jī)控制電壓。如圖 8所示為閉環(huán)張力控制實(shí)驗(yàn)，整個實(shí)驗(yàn)過程力矩電機(jī)能夠較好地穩(wěn)定在目標(biāo)力矩附近，實(shí)現(xiàn)輸出張力的穩(wěn)定。

圖8 閉環(huán)張力控制實(shí)驗(yàn)

6 結(jié)束語

根據(jù)系留氣球收放裝置工作特點(diǎn)，詳細(xì)分析了收卷驅(qū)動控制的基本需求，對分體式收放裝置卷筒的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行研究，得到了收放過程中有效負(fù)載轉(zhuǎn)矩、卷筒慣性力矩，彎曲轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)慣性力矩和有效力矩對收卷電機(jī)轉(zhuǎn)矩影響較大，為控制過程主要考慮因素。根據(jù)分析結(jié)果討論設(shè)計(jì)了直接張力控制和間接張力2種收卷控制方案，并在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明本文原理分析清楚，控制算法有效，對擬采取異步力矩電機(jī)進(jìn)行收卷驅(qū)動控制的系統(tǒng)具有良好借鑒意義。