內(nèi)張力控制在海洋科考牽引式絞車(chē)上的應(yīng)用

曹 銘，段裘佳，吳金奎，何陽(yáng)生，潘國(guó)新

（廣州鴻海海洋專(zhuān)用設(shè)備有限公司，廣東廣州 511493）

0 引言

目前海洋科考絞車(chē)分為直拉式和牽引式結(jié)構(gòu)，這兩種絞車(chē)主要以是否配置牽引裝置來(lái)進(jìn)行區(qū)分：直拉式絞車(chē)對(duì)使用環(huán)場(chǎng)合有一定的要求，受到海洋與船舶影響，終端狀況很容易直接反饋到直拉式絞車(chē)的滾筒上，會(huì)導(dǎo)致排纜張力的不斷變化，影響纜繩在滾筒上的排纜，容易發(fā)生意外情況；對(duì)于大深度、大負(fù)載的海洋科考情況，牽引式絞車(chē)在海洋科考市場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛，外界的影響通過(guò)牽引器進(jìn)行物理隔離，保證滾筒和牽引器之間的張力處于設(shè)定值范圍內(nèi)，纜繩能穩(wěn)定的纏繞在滾筒上。但是，牽引式絞車(chē)存在滾筒和牽引器兩個(gè)不同慣性單元，如何保證不同慣性單元的同步驅(qū)動(dòng)是必須要解決的問(wèn)題，不然會(huì)發(fā)生纜繩在滾筒與牽引器之間被拉斷，或者纜繩在牽引器兩個(gè)輪槽之間打滑。

1 海洋科考牽引式絞車(chē)布局介紹

牽引式絞車(chē)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由五大部件組成：①由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾筒是儲(chǔ)纜的主要部件，工作的纜繩都會(huì)儲(chǔ)存在該機(jī)構(gòu)上；②由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的排纜器是纜繩排纜的執(zhí)行部件，排纜器根據(jù)程序在滾筒左右移動(dòng)，控制纜繩在滾筒上的排布；③松弛補(bǔ)償器是補(bǔ)償內(nèi)張力的部件，保證滾筒和牽引器之間的張力在設(shè)定的范圍內(nèi)；④由兩臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的牽引器提供設(shè)備收放的拉力和速度，決定著絞車(chē)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)指標(biāo)；⑤外部滑輪是提供纜繩走向的部件，改變纜的方向。

圖1 海洋科考牽引式絞車(chē)布局

由于儲(chǔ)纜電滾筒和牽引機(jī)構(gòu)屬于兩個(gè)不同質(zhì)量的設(shè)備，在啟動(dòng)、停止和運(yùn)行中，會(huì)經(jīng)常發(fā)生速度不匹配的情況，進(jìn)而導(dǎo)致儲(chǔ)纜電滾筒和牽引機(jī)構(gòu)之間的纜繩會(huì)被拉斷，也可能導(dǎo)致纜繩無(wú)法按照恒定的張力排列在滾筒上。因此，牽引式絞車(chē)能否正常工作，如何防止儲(chǔ)纜電滾筒和牽引機(jī)構(gòu)之間的纜繩速度適配性是需要解決的首要問(wèn)題。為了匹配不同慣性量的速度，絞車(chē)有速度控制和張力控制兩種模式。對(duì)于儲(chǔ)纜電滾筒和牽引機(jī)構(gòu)之間，速度控制以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速為目的，此時(shí)電機(jī)的力矩必須為保持該速度而調(diào)整，這種情況很容易讓兩個(gè)設(shè)備之間纜繩因?yàn)橐ヅ渌俣葘?dǎo)致被拉斷。張力控制是指變頻器以控制電機(jī)的輸出力矩為目的，速度大小和外部負(fù)載有關(guān)，與轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)。滾筒的電機(jī)與牽引器上的一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩匹配，牽引器上另外一個(gè)電機(jī)和負(fù)載之間形成轉(zhuǎn)速控制。因此，在設(shè)計(jì)的新型牽引式絞車(chē)中，滾筒和牽引器之間會(huì)采用張力控制，并且在兩個(gè)設(shè)備之間加上緩沖設(shè)備，配置張力檢測(cè)元件，通過(guò)PLC邏輯運(yùn)算保證兩者之間的張力恒定在某個(gè)區(qū)間，避免纜繩拉斷，保證在滾筒上排纜順暢。

2 絞車(chē)的內(nèi)張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

張力控制系統(tǒng)，可分為直接張力控制和間接張力控制系統(tǒng)。直接張力控制系統(tǒng)需要配置張力傳感器，其輸出信號(hào)作為張力實(shí)際值反饋到張力調(diào)節(jié)器輸入端，再以張力調(diào)節(jié)器的輸出作為電機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，并通過(guò)閉環(huán)控制保持張力恒定。而間接張力控制系統(tǒng)不配置張力傳感器，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的張力值計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值，通過(guò)轉(zhuǎn)矩來(lái)控制張力。間接張力控制方法屬于張力的開(kāi)環(huán)控制，控制精度不高，對(duì)于動(dòng)態(tài)干擾及調(diào)節(jié)能力都較差。因此新絞車(chē)的設(shè)計(jì)采用直接張力控制方式。

控制系統(tǒng)采用常規(guī)的PID（Proportional-Integral-Derivative，比例-積分-微分）控制，通過(guò)比例、積分和微分控制，該控制系統(tǒng)d參數(shù)可調(diào)，通過(guò)一定的線(xiàn)性組合，完成對(duì)系統(tǒng)的控制。其經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中，e（t）為給定值與輸出值的偏差值，K為比例常數(shù)，T為時(shí)間常數(shù)。Kp的增大會(huì)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但是可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)變大，出現(xiàn)振蕩；積分系數(shù)使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度，過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間；微分可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，過(guò)大或者過(guò)小對(duì)系統(tǒng)的抗干擾性都有很大的影響。

當(dāng)牽引器運(yùn)行時(shí)，牽引電機(jī)速度不斷變化會(huì)導(dǎo)致滾筒和牽引器的之間張力也在不停變化。對(duì)于兩個(gè)不同慣性量的滾筒和牽引器，滾筒無(wú)法做到實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)整，需要通過(guò)兩者之間的松弛補(bǔ)償器進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

在控制界面上輸入壓力范圍值，絞車(chē)液壓系統(tǒng)的比例溢流閥不斷調(diào)整閥口開(kāi)度，松弛補(bǔ)償器上的單作用液壓油缸不斷進(jìn)行行程調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)匹配控制界面上設(shè)定的壓力值，將其兩者間的內(nèi)張力穩(wěn)定在設(shè)定的范圍，達(dá)到纜繩在滾筒上順暢緊密的排列。同時(shí)，單作用液壓油缸的行程傳感器可以反饋給操作人員，使操作人員從控制界面上了解松弛補(bǔ)償器的位置信息。系統(tǒng)將排纜器上軸銷(xiāo)張力傳感器產(chǎn)生的張力信號(hào)與松弛補(bǔ)償器上的張力設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算，將運(yùn)算的結(jié)果傳給PID控制器，通過(guò)PLC轉(zhuǎn)換的結(jié)果作為變頻器的給定輸入值來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，從而使?fàn)恳g車(chē)內(nèi)張力得到控制，其邏輯框圖如圖2所示。

圖2 張力PID控制邏輯

3 總結(jié)

海洋科考牽引式絞車(chē)的速度與張力是兩大重要控制參數(shù)指標(biāo)，其中以張力控制為最重要的核心控制元素。采用直接張力閉環(huán)控制方式和PID控制對(duì)滾筒與牽引器之間張力進(jìn)行控制，并安裝松弛補(bǔ)償器進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，能夠很好地解決內(nèi)張力穩(wěn)定的問(wèn)題，也能讓纜能夠順暢緊密的排列在滾筒上。常規(guī)PID控制器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果好，但是對(duì)于被控制參數(shù)變化較為敏感，只要系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，就需要重新整定參數(shù)，否則會(huì)影響控制效果。在新的控制系統(tǒng)中可采用模糊PID控制方式進(jìn)行張力控制，在抗干擾和解耦方面比常規(guī)PID控制器效果好，具有較強(qiáng)的魯棒性（Robust）。本系統(tǒng)為今后新的設(shè)計(jì)提供了借鑒和指導(dǎo)作用，具有一定的參考價(jià)值。