翻車機(jī)多軸電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究

宋希亮，高德鵬

(本鋼板材原料廠，遼寧 本溪 117000)

翻車機(jī)是煤礦、冶金行業(yè)常用的大型設(shè)備，翻車機(jī)首先通過光電傳感器檢測并定位準(zhǔn)備進(jìn)行翻轉(zhuǎn)的火車車廂，然后靠車板與火車傾翻一側(cè)的車體貼合，壓車梁將火車車廂邊壓豎向壓緊，這就完成了火車車廂的抱緊操作，之后依靠連接端環(huán)齒輪的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)下火車車廂被翻轉(zhuǎn)傾倒貨物。翻車機(jī)是通過多臺直流電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)進(jìn)行火車貨箱反轉(zhuǎn)工作的[1-2]?；疖囓噹D(zhuǎn)過程中，由于重心會實(shí)時(shí)變化，因此火車車廂對于翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來說是一個(gè)時(shí)變的非線性負(fù)載。會影響多臺驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的同步性能，輕則損壞電機(jī)、磨損傳動(dòng)齒輪，重則損壞整個(gè)翻車機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此對于翻車機(jī)多電機(jī)的同步性能要求極為嚴(yán)苛[3]。

傳統(tǒng)的翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，采用的機(jī)械式的同步機(jī)械軸來強(qiáng)制保證多臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同，這種剛性的、機(jī)械式的同步驅(qū)動(dòng)方式在低速、低載荷時(shí)有一定作用[4-5]，但是在高速、重載場合非但不能保證多臺電機(jī)的同步性能，反而會引起驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的振蕩，從而加劇多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜非線性擾動(dòng)，影響翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析

翻車機(jī)的兩套多臺電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置在翻車機(jī)入口和出口雙側(cè)端環(huán)上，每套驅(qū)動(dòng)裝置通常需要功率為60～90kW之間的直流電機(jī)，每套驅(qū)動(dòng)裝置可以是一臺電機(jī)，也可以是多臺電機(jī)。多臺電機(jī)通過減速器、制動(dòng)器等一些列傳動(dòng)裝置最終連接到驅(qū)動(dòng)軸上。一些列傳動(dòng)裝置都在一個(gè)共同的底座上固定[6]。翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

普通的翻車機(jī)每套驅(qū)動(dòng)裝置使用一臺直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這樣直流電機(jī)的功率就會很高，高功率電機(jī)啟動(dòng)沖擊大，而使用多臺小功率電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)可以得到一臺大功率電機(jī)的效果，而且有利于減小啟動(dòng)沖擊，減小控制系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。本文擬使用兩臺電機(jī)來驅(qū)動(dòng)一套翻車機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，這樣翻車機(jī)系統(tǒng)中總共有四臺電機(jī)，針對這四臺電機(jī)的同步控制方法進(jìn)行研究。

2 翻車機(jī)直流電機(jī)控制模型

翻車機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流電機(jī)，直流電機(jī)的簡化模型如圖2所示：

圖2 直流電機(jī)模型

由比爾霍夫電壓定律給出了直流電機(jī)的電壓方程：

(1)

其中，為電樞反電動(dòng)勢，通常情況下電樞反電動(dòng)勢為：

(2)

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為：

(3)

式中：為電機(jī)轉(zhuǎn)矩因子；

由翻車機(jī)的電機(jī)負(fù)載特性能夠得出電機(jī)平衡方程：

日前，在中國舉行的NVIDIA GPU技術(shù)大會（GTC大會）上，英偉達(dá)公司全面闡述了其在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的技術(shù)儲備與發(fā)展構(gòu)想。在自動(dòng)駕駛與智能網(wǎng)聯(lián)汽車大潮涌動(dòng)的背景下，計(jì)算機(jī)技術(shù)將與汽車行業(yè)深度融合。今后的汽車將會是怎樣的？我們的交通出行又會變成什么方式？英偉達(dá)公司汽車事業(yè)部高級總監(jiān)Danny Shapiro先生表達(dá)了他對這些問題的看法。

(4)

將公式1～4進(jìn)行拉普拉斯變換：

(5)

綜上可以得出翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型[7]，由該模型可實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的精確控制：

(6)

3 翻車機(jī)多軸電機(jī)同步控制策略

翻車機(jī)的多個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)是相互關(guān)聯(lián)和耦合的，因此如若不使用合適的多電機(jī)同步控制策略，無法實(shí)現(xiàn)高精度的多電機(jī)同步控制。本文使用等狀態(tài)交叉耦合控制策略進(jìn)行翻車機(jī)的多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)控制，翻車機(jī)多電機(jī)等狀態(tài)交叉耦合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 等狀態(tài)交叉耦合同步控制結(jié)構(gòu)

與常用的主從交叉耦合控制相比，等狀態(tài)交叉耦合同步控制系統(tǒng)是將多個(gè)電機(jī)的反饋信號及其偏差共同反饋至各個(gè)電機(jī)的控制輸入端，使得多電機(jī)同步控制系統(tǒng)具有更好的跟蹤控制能力以及同步控制能力。而常用的主從交叉耦合控制系統(tǒng)是把上一臺電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)反饋給下一臺電機(jī)的控制輸入端，將最后一臺電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)反饋給第一臺電機(jī)的控制輸入端，因此只有整個(gè)多電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)后，才能夠有較好的跟蹤控制能力以及同步控制能力，系統(tǒng)的滯后性較為明顯[8-9]。設(shè)定翻車機(jī)多電機(jī)同步控制系統(tǒng)中各個(gè)電機(jī)與設(shè)定值之間的跟蹤誤差為ei(t)：

(7)

翻車機(jī)多電機(jī)同步控制系統(tǒng)中各個(gè)電機(jī)之間的同步誤差為esi(t)：

(8)

翻車機(jī)的多電機(jī)同步控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性、時(shí)滯性以及慣性。工業(yè)中通常使用的PID控制器無法實(shí)現(xiàn)對翻車機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精確同步控制[10]。因此本文使用模糊PID控制算法對翻車機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行同步控制。模糊PID控制算法是在唱歌PID控制算法上發(fā)展而來的，其結(jié)合了模糊控制算法的優(yōu)勢，通過利用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)制定的模糊推理規(guī)則來實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制器的比例、積分和微分控制參數(shù)。提高控制系統(tǒng)的魯棒性能。 翻車機(jī)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模糊PID控制系統(tǒng)原理

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)制定翻車機(jī)模糊控制器的比例、積分和微分控制參數(shù)增量規(guī)則見表1～表3。

表1 比例增量模糊控制規(guī)則

表2 積分增量模糊控制規(guī)則

表3 微分增量模糊控制規(guī)則

本文在此使用精度較高的三角形隸屬度函數(shù)來制定翻車機(jī)模糊控制器的比例、積分和微分控制參數(shù)增量規(guī)則[11]。分別設(shè)置反饋偏差和偏差變化率的基本論域?yàn)閇-10，10]和[-5，5]，比例、積分和微分控制參數(shù)增量的基本論域?yàn)閇-3，3]、[-3，3]和[-0.6，0.6]。翻車機(jī)模糊控制器中PID控制器的輸入?yún)?shù)為：

(9)

4 控制效果分析

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文研究的翻車機(jī)多軸電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的同步控制性能。實(shí)驗(yàn)過程中采用高精度旋轉(zhuǎn)角位移編碼器對多臺電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行采集并反饋至控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)根據(jù)各臺電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略，保證多臺電機(jī)的高精度同步運(yùn)行。對比本文研究的同步控制方法和常規(guī)同步控制方法性能，如圖6所示。

(a)常規(guī)同步控制系統(tǒng)中各臺電機(jī)的同步誤差

(b)本文研究的同步控制系統(tǒng)中各臺電機(jī)的同步誤差圖5 同步控制性能對比

同步控制性能對比中可以看出，常規(guī)同步控制系統(tǒng)中各臺電機(jī)的同步誤差在[-12，13]rad/s范圍內(nèi)，本文研究的同步控制系統(tǒng)中各臺電機(jī)的同步誤差在[-7，8]rad/s范圍內(nèi)，相比常規(guī)控制方法性能提升了40%左右。

5 結(jié)論

本文研究一種基于交叉耦合策略和模糊PID算法的多電機(jī)同步控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)翻車機(jī)多臺電機(jī)的同步控制。

常規(guī)同步控制系統(tǒng)中各臺電機(jī)的同步誤差在[-12，13]rad/s范圍內(nèi)，本文研究的同步控制系統(tǒng)中各臺電機(jī)的同步誤差在[-7，8]rad/s范圍內(nèi)，相比常規(guī)控制方法性能提升了40%左右。

本文研究的基于等狀態(tài)交叉耦合和模糊PID算法結(jié)合的翻車機(jī)多軸電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠有效提升翻車機(jī)多臺電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性，保證了翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。