多層農(nóng)場用電梯擴展載貨驅(qū)動系統(tǒng)建模與控制

張今朝 魏海峰 劉君偉

(1.嘉興學(xué)院機電工程學(xué)院， 嘉興 314001； 2.江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

鑒于目前對土地使用面積的限制，現(xiàn)代農(nóng)場已開始向空中發(fā)展，多層及高層農(nóng)場建筑將是發(fā)展趨勢。電梯作為垂直搬運的重要設(shè)備，為適應(yīng)農(nóng)場特有環(huán)境的需求，需要拓展新的功能。在大規(guī)模多層養(yǎng)殖農(nóng)場內(nèi)，考慮到環(huán)境衛(wèi)生及自動化喂養(yǎng)和載貨的需要，研究自動化輸送裝置及技術(shù)非常必要[1-2]。

目前，典型的養(yǎng)豬農(nóng)場中，先進的自動化飼養(yǎng)機械涉及飼料投放、傳送帶自動清糞和自動化料線等[3-5]。電梯(主要指貨梯)作為一種機電一體化特種設(shè)備,其垂直運載功能同樣符合高層農(nóng)場的需求，其由曳引系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、轎廂、門系統(tǒng)、質(zhì)量平衡系統(tǒng)、電力拖動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)等組成[6]。其中，影響電梯安全的核心部件是曳引系統(tǒng)和門系統(tǒng)。曳引系統(tǒng)主要由低速、轉(zhuǎn)矩較大的永磁同步電機和導(dǎo)向系統(tǒng)構(gòu)成，通過永磁同步電機先進控制方法獲得曳引系統(tǒng)優(yōu)越的動態(tài)性能[7-10]，符合節(jié)能環(huán)保的要求[11-12]。但農(nóng)場電梯轎廂在垂直輸送貨物同時，還需要在平層將所載貨物進行自動化進出輸送，由于環(huán)境特殊，現(xiàn)場無人為電梯操作。自動化立體車庫升降功能可實現(xiàn)貨物自動移進或移出轎廂[13-14]，但其結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，不適合農(nóng)場使用。

本文針對現(xiàn)代規(guī)?；倚箴B(yǎng)殖多層農(nóng)場用電梯功能需求，在普通貨用電梯上增設(shè)飼料及廢棄物輸送自動裝備，通過轎廂和每層?？繉娱T處安裝的電機，實現(xiàn)多電機協(xié)調(diào)控制，以期達到載貨驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的目的。

1 養(yǎng)殖農(nóng)場電梯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓展

對于大型現(xiàn)代家畜飼養(yǎng)場，為了節(jié)省用地和便于統(tǒng)一規(guī)范化管理，往往將飼養(yǎng)場建成多層養(yǎng)殖大樓。如多層養(yǎng)豬場布局所涉及到的主要設(shè)備有全自動飼喂設(shè)備、各類自動化料線、欄位的安裝、飲水排泄、通風(fēng)降溫、保暖等環(huán)控設(shè)備。隨著規(guī)模擴大，定時定點進行集中物料運送和排放，包括群豬移送、飼料投放和糞便等雜物輸出，可以利用電梯進行輸送，如圖1所示。

由圖1可知，與普通客梯不同，轎廂里面運載可移動貨車，貨車通過車輪滾動進出轎廂，在電梯底板上裝有傳動齒輪和驅(qū)動電機(層門處的樓層地板上也安裝有電機、傳動齒輪和測速齒輪)，貨車底部朝轎廂底板的一面固定有齒條，當貨車需要移動時，電機轉(zhuǎn)動帶動齒輪，并驅(qū)動齒條推動小車移動。如果電梯平層后，小車從轎廂滑向樓層地板，則先從轎廂駛出，齒條觸碰到地板上測速齒輪時，電機運行，帶動齒輪驅(qū)動小車；當位置傳感器檢測到小車到達確定位置之后，電機停轉(zhuǎn)。

考慮到農(nóng)場環(huán)境因素，電梯的主要功能為運送貨物，且由電梯自動完成，電梯運行過程分為兩個模塊：載貨小車推入電梯；用電梯將貨車送到指定樓層，步驟如下：

(1)載貨小車推入電梯

步驟1：載貨小車放在層門口地板滑槽位置，給出呼梯信號，待梯。

步驟2：電梯轎廂在指定樓層停下，曳引機停機，抱閘。門機開啟開轎廂門，層門開鎖連同轎廂門打開。

步驟3：齒輪在電機驅(qū)動下，將小車推入轎廂，小車下面齒條接觸到轎廂底板上的測速齒輪17后，電機運行，通過齒條傳動送到指定位置，電機停轉(zhuǎn)。

步驟4：門機啟動，關(guān)轎廂門和層門，層門上鎖，松閘，曳引機啟動，電梯運行。

(2)電梯將貨車送到指定樓層

步驟1：電梯載貨運行到指定樓層，減速，平層。

步驟2：門機工作，轎廂門帶動層門開鎖、打開。

步驟3：轎廂底板驅(qū)動電機運行，齒輪與齒條傳動，載貨小車在齒輪推動下，四輪沿固定滑槽向轎廂外滑動。

步驟4：載貨小車部分移出轎廂，沿所在樓層層門外地板固定滑槽滑動，齒條接觸到測速齒輪18后，安裝在地板上電機運行，驅(qū)動齒輪與齒條嚙合運行，驅(qū)動載貨小車運行，直到位置傳感器給出信號為止，表示小車已經(jīng)移動到確定位置，進入卸貨或裝貨步驟。

2 電機運行模型及參數(shù)分析

2.1 多臺電機運行狀態(tài)

從以上運行步驟來看，電梯運行過程中，完整的一個周期，驅(qū)動系統(tǒng)由4臺電機組成，分別是曳引電機、門電機和載貨小車的2臺驅(qū)動電機。其中曳引電機和門電機的運行邏輯是任何時間只有其中1臺在運行，即當曳引電機運行時，轎廂閉合，禁止開關(guān)門，則門電機是停轉(zhuǎn)狀態(tài)；當門電機工作時，表示轎廂門和層門在開啟狀態(tài)，此時轎廂鋼絲繩被抱閘，曳引電機處于失電停止狀態(tài)。而轎廂完全打開之后，載貨小車進出轎廂，轎廂底板及層門地板上驅(qū)動電機協(xié)調(diào)運行狀態(tài)，曳引電機和門電機皆處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，只有載貨車完全進入轎廂或完全移出轎廂時，門電機才運行以關(guān)閉轎廂門及層門，后續(xù)工作狀態(tài)如此反復(fù)。

小車移出轎廂外時，貨車尾與層門外壁安全距離也為lΔ。設(shè)置轎廂底部驅(qū)動齒輪位于轎廂中線右側(cè)，層門外驅(qū)動齒輪位于中線h′0左側(cè)，以保證兩電機的“接力”距離。

圖2 載貨小車驅(qū)動系統(tǒng)路線圖Fig.2 Truck drive system road map1.貨車 2.轎廂 3.層門

2.2 電機運行模型分析

假設(shè)不考慮電機的損耗，曳引電機采用永磁同步電機(電機1)以外，其他3臺都采用三相感應(yīng)電機(門電機為電機2，轎廂底驅(qū)動電機為電機3，電梯停靠時，只有一個層門處電機工作，設(shè)為電機4)，根據(jù)4臺電機的運行邏輯關(guān)系，以電梯運送貨物到指定樓層為例，得到時間段及工況邏輯如表1所示。

表1 電梯送貨物時電機運行狀態(tài)與時間的對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding relationship between motor operation and time when elevator delivered goods

除曳引電機和門電機在運行時根據(jù)電梯行進和轎廂門、層門關(guān)閉邏輯關(guān)系獨立運行外，電機3和電機4之間在時段t5～t6通過齒輪齒條協(xié)調(diào)運行，可認為是硬連接，時段t4～t5為軟連接。

(1)

其中

Fz=mgμ

式中Tz——等效轉(zhuǎn)矩，N·m

Fz——移動載貨小車所需驅(qū)動力，N

vz——載貨小車直線速度，m/s

陶瓷紋飾的作用已經(jīng)從基本的視覺愉悅性上升到人的精神感染的范疇，人們對紋飾的感悟也是有了更加深刻的見解。獅子作為外來的瑞獸形象，在逐漸融入中國文化的時候，已經(jīng)成為中國傳統(tǒng)紋飾的經(jīng)典形象而流傳下來。當現(xiàn)代陶瓷藝術(shù)陷入瓶頸之時，不妨從傳統(tǒng)的紋飾中汲取養(yǎng)分，靜心思考，以求創(chuàng)作出更加優(yōu)異和能引起人共鳴的藝術(shù)作品。

n——電動機轉(zhuǎn)速，r/min

m——小車質(zhì)量(連同貨物)，kg

μ——滑動摩擦因數(shù)

設(shè)電機3到齒輪的傳動比為j，根據(jù)式(1)，可得電機輸出轉(zhuǎn)矩為

(2)

式中Tl——電機輸出轉(zhuǎn)矩，N·m

ωr——轉(zhuǎn)子角速度，rad/s

考慮到兩電機負載相同，電機極對數(shù)相同，則任一電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標系mt下有

(3)

(4)

np——電機極對數(shù)

Lm——坐標系mt定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感，H

J——電機轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

Lr——坐標系mt轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感，H

ist——定子電流在坐標系mt的t軸分量

ψr——轉(zhuǎn)子磁鏈，Wb

ω1——定子角速度，rad/s

Tr——轉(zhuǎn)子勵磁時間常數(shù)

由式(3)、(4)可得

(5)

如電機3、電機4兩臺電機固有參數(shù)及齒輪傳動系統(tǒng)完全相同，則同時驅(qū)動小車時，結(jié)合文獻[15]，可得

(6)

ωr3——電機3角速度，rad/s

ψr3——電機3轉(zhuǎn)子磁鏈，Wb

Tz3——電機3等效轉(zhuǎn)矩，N·m

ism3——電機3定子電流在mt坐標系的m軸分量，A

ωr4——電機4角速度，rad/s

ψr4——電機4轉(zhuǎn)子磁鏈，Wb

Tz4——電機4等效轉(zhuǎn)矩，N·m

ism4——電機4定子電流在mt坐標系的m軸分量,A

ΔT34——兩電機對通過齒輪齒條之間的轉(zhuǎn)矩差，N·m

ist3——電機3定子電流在mt坐標系的t軸分量，A

ist4——電機4定子電流在mt坐標系的t軸分量，A

平層后，載貨小車在電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩驅(qū)動下，從轎廂到所到樓層的層門處。如圖2所示，先由電機3獨立通過驅(qū)動齒輪將載貨小車移至轎廂門外，驅(qū)動力為F3，再由電機4“接力”,兩臺電機同時驅(qū)動載貨小車，此時兩臺電機的驅(qū)動力都為F34，最后由電機4獨立將載貨小車移動到(小車左側(cè))距層門lΔ處，整個過程，載貨小車受到的驅(qū)動力變化為F3→F34→F4，當小車所載貨物質(zhì)量不同時，則電機對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩Tz3、T34、Tz4在運行時也相應(yīng)動態(tài)調(diào)整。

3 轉(zhuǎn)矩多參數(shù)加權(quán)模型

通過前面分析，如當轎廂門打開，電機3驅(qū)動小車，通過滾輪移出轎廂，首先接觸到測速齒輪，作為“接力”作用的電機4得到轉(zhuǎn)速的信號，開始運轉(zhuǎn)，通過齒輪齒條與電機3協(xié)調(diào)運行，對式(6)進行拉氏變換，得到

(7)

由式(7)可看出，兩電機參數(shù)較多，非線性和耦合性強，以三相異步電動機動態(tài)模型作為控制對象，按轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制時，需建立轉(zhuǎn)子磁鏈、轉(zhuǎn)矩計算模型以供反饋之用，其估算結(jié)果受參數(shù)的非線性和強耦合性影響較大，如果直接建立轉(zhuǎn)矩、磁鏈和轉(zhuǎn)速線性加權(quán)模型，則可以提高驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能，兩臺電機也無需安裝轉(zhuǎn)矩傳感器。根據(jù)文獻[16]建立函數(shù)關(guān)系

(8)

式(8)表明了函數(shù)fT(·)、fψ(·)、fθ(·)與電機拖動轉(zhuǎn)矩Te(k)、轉(zhuǎn)子磁鏈ψr(k)、位置角θr(k)、電機轉(zhuǎn)速ωr、電流分量ist和ism當前及前2步值之間的函數(shù)關(guān)系。限于本文篇幅，僅對電機3拖動轉(zhuǎn)矩進行建模，其他參數(shù)以此類推。

對轉(zhuǎn)矩及各參數(shù)值取N個樣本的數(shù)據(jù)集合,令

φ(k)=[T3(k-1)ist3(k-1)ism3(k-1)
ωr3(k-1)]

(9)

φ(k)=[T3(k-1)T3(k-2)ist3(k-1)

ist3(k-2)ism3(k-1)ism3(k-2)

ωr3(k-1)ωr3(k-2)]

(10)

式中φ(k)——輸入變量

φ(k)——調(diào)度變量

(11)

ρ——調(diào)度函數(shù)

χi——局部模型參數(shù)

參數(shù)Γ、ρ、si求法見文獻[15]，不再贅述。對于模型結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)G-K模糊聚類方法[18]進行求解，得聚類中心

(12)

其中

(13)

式中μik——隸屬度

[μik]c×N——樣本φ(k)屬于第i個聚類中心的程度

通過求取目標函數(shù)的最小值求取聚類中心和最佳聚類個數(shù)copt，即

(14)

其中

(15)

式中d(φ(k),νi)——樣本φ(k)與聚類中心νi之間的距離

協(xié)方差矩陣Fi計算式為

(16)

其中

(17)

局部模型參數(shù)χi可辨識由最小二乘算法來實現(xiàn)[19]，表示為

(18)

式中λi——第i個聚類中Ni個輸入向量

T3——第i個聚類中Ni個系統(tǒng)輸出

Q——第i個聚類中樣本φ(k)的最大隸屬度

采用均方根誤差ERMSE表示模型輸出與實際輸出精度，計算式為

(19)

式中T3(k)——兩電機轉(zhuǎn)矩差的實際值

基于滿意模糊G-K均值聚類的多模型建模方法，步驟如下：

(1)由調(diào)度變量φ(k)樣本，取聚類個數(shù)c∈[2,cmax],初始聚類中心數(shù)可取c=2，考慮精度要求，可取閾值范圍0.01≤ε≤0.05。

(2)以兩個最不相似的樣本作為初始聚類中心，即兩中心距離最遠，表示為

(20)

(3)由式(12)計算聚類中心，并根據(jù)式(15)、(16)計算d2(φ(j),νi)和Fi。

(5)若‖Ul-Ul-1‖<ε，則迭代結(jié)束；否則，令l=l+1，跳轉(zhuǎn)到步驟(3)。

迭代結(jié)束后，隸屬度矩陣U=[μi,j]c×N，則可得到聚類中心V=[ν1ν2…νc]。

(6)由聚類結(jié)果計算高斯基函數(shù)寬度si及第i個模型適用域[20]

(21)

Γi∈[vi-siz,vi+siz]

(7)根據(jù)式(18)計算局部模型參數(shù)χi。

4 載貨小車雙電機矢量控制分析

4.1 多參數(shù)線性加權(quán)模型矢量控制

如前所述，轎廂到每個指定的樓層?？?，當層門打開后，小車移動時都需要里外2臺電機驅(qū)動，而層門處的電機在小車移出轎廂時，起著接力的作用，最后把小車停在指定位置。由于不同樓層有不同的電機和轎廂底的電機進行配合，小車移出時，可以將轎廂里的電機作為主電機，而當小車從轎廂外駛?cè)霑r，層門處的電機為主令電機。以小車移出轎廂來分析，如圖3所示，兩臺電機工作在轉(zhuǎn)子磁鏈定向模式下，考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)運行時保證磁鏈固定不變，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩作為主要閉環(huán)結(jié)構(gòu)，使電機4跟蹤主令電機3轉(zhuǎn)速運行，同時驅(qū)動小貨車時，兩電機輸出轉(zhuǎn)矩相保，以保證協(xié)調(diào)運行。

圖3 小貨車驅(qū)動系統(tǒng)控制模塊圖Fig.3 Truck drive system control module diagram

圖3中，ATR和AψR分別為轉(zhuǎn)矩和磁鏈PI調(diào)節(jié)器，ACMR和ACTR分別為電流分量控制器，輸出為坐標系mt電壓分量，多參數(shù)加權(quán)模型為式(8)。

4.2 實驗控制分析

4.2.1模型估計

由式(8)～(10)的轉(zhuǎn)矩映射關(guān)系可知，為驗證多參數(shù)加權(quán)模型的有效性，利用系統(tǒng)模型在轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制模式，各輸入端加激勵信號。如圖4所示，虛線框處輸入隨機信號作為干擾信號。采樣周期取0.001 s。樣本數(shù)取5 000組，向量階數(shù)取2。電機3、4的參數(shù)如表2所示。根據(jù)前述多模型建模步驟，當子模型數(shù)為5時，滿足條件ε=0.02。

圖4 輸入輸出參數(shù)系統(tǒng)Fig.4 Input and output parameter system

電機3轉(zhuǎn)矩子模型估算為

表2 電機3、4部分參數(shù)Tab.2 Parameters of motor 3 and 4

T3(1)(k)=9.001 1T3(k-1)-1.107 5T12(k-2)+
3.125 5ism3(k-1)-0.960 1ism3(k-2)+
4.100 0ist3(k-1)+1.201 3ist3(k-2)+
5.091 0ωr3(k-1)-1.401 8ωr3(k-2)+1.058 6
T3(2)(k)=8.701 2T3(k-1)+2.510 0T12(k-2)+
2.001 0ism3(k-1)-0.320 1ism3(k-2)+
3.007 7ist3(k-1)+1.178 1ist3(k-2)+
6.024 5ωr3(k-1)-1.402 3ωr3(k-2)-0.088 9
T3(3)(k)=6.630 3T3(k-1)+4.602 0T12(k-2)+
3.393 9ism3(k-1)-1.300 1ism3(k-2)+
2.044 4ist3(k-1)-0.285 7ist3(k-2)+
5.708 6ωr3(k-1)+0.882 1ωr3(k-2)+3.747 0
T3(4)(k)=3.205 6T3(k-1)+11.186 3T12(k-2)+
4.075 7ism3(k-1)-2.022 5ism3(k-2)+
7.101 4ist3(k-1)+1.202 2ist3(k-2)-
0.100 8ωr3(k-1)+3.770 0ωr3(k-2)+1.020 0
T3(5)(k)=10.085 2T3(k-1)+7.151 4T12(k-2)-
2.363 3ism3(k-1)+4.019 0ism3(k-2)+
4.659 0ist3(k-1)-1.332 7ist3(k-2)+
2.400 9ωr3(k-1)+2.003 3ωr3(k-2)+1.700 0

給系統(tǒng)加入隨機信號，取前2 000組進行訓(xùn)練，得到子模型，取得加權(quán)之后，在3 s內(nèi)進行驗證，如圖5a所示。圖5b為估計誤差曲線，均方根誤差為0.080 4 N·m，所得模型估計值有效逼近了參考模型的非線性特征。

圖5 模型估算與實際輸出對比Fig.5 Comparison of model estimation and actual output

4.2.2控制過程分析

與轉(zhuǎn)矩模型建模方法相同，可分別估計轉(zhuǎn)子磁鏈ψr、轉(zhuǎn)子位置角θr。與轉(zhuǎn)矩一起組成多參數(shù)加權(quán)模型，在矢量控制中，形成ψr、θr和Te的3個反饋量，兩臺電機分別構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖3所示。

(1)小車從轎廂移出，由圖2可看出，當電機3獨立驅(qū)動小車運行至層門外電機4的測速齒輪處，電機4開始運行，兩電機協(xié)調(diào)運行。為驗證電機3轉(zhuǎn)矩跟隨性能，給定負載轉(zhuǎn)矩輸出從25 N·m，降到0 N·m，再上升到15 N·m，圖6a所示電機轉(zhuǎn)矩輸出與負載轉(zhuǎn)矩的動態(tài)變化基本吻合。從圖6b可以看出，電機3轉(zhuǎn)速在負載轉(zhuǎn)矩突變時保持良好的調(diào)節(jié)性能。

圖6 電機3控制時轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形Fig.6 Speed and torque waveforms during motor 3 control

(2)由圖2可知，當小車車尾運行至電機3右側(cè)測速齒輪時，此時小車完全由電機4驅(qū)動，負載轉(zhuǎn)矩由15 N·m再突變到30 N·m，其轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示。由圖7電機轉(zhuǎn)矩輸出可以看出，電機4轉(zhuǎn)速在負載轉(zhuǎn)矩突變時運行平穩(wěn)，電機轉(zhuǎn)矩輸出與負載轉(zhuǎn)矩的動態(tài)變化也基本吻合。

5 結(jié)束語

根據(jù)目前多層養(yǎng)殖農(nóng)場的電梯需求，在普通貨梯基礎(chǔ)上，設(shè)計了以自動化形式搬運飼料、畜禽或廢棄物等功能，提出了電梯轎廂驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。分析了農(nóng)用電梯在轎廂門和層門開啟時的載貨小車平穩(wěn)進出過程。建立了2臺電機協(xié)調(diào)運行的數(shù)學(xué)模型，為保證載貨小車運行時的平穩(wěn)性和可靠性，將傳統(tǒng)的三相異步電動機轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)矩模型整合為一個多參數(shù)線性加權(quán)模型，簡化了驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提出了基于多參數(shù)線性加權(quán)模型的雙電機按轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制方法。通過實驗證明了此方法的有效性。