李元哲，王 凱

(1. 中國船舶重工集團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)計與仿真

李元哲1，王 凱2

(1. 中國船舶重工集團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，通過仿真分析，改進位置環(huán)PID控制器，對位置誤差調(diào)整和消除，以滿足大載荷、高平層精度的控制要求。

大載荷；雙電機；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)備不僅要滿足在海浪沖擊搖擺條件下的使用工況，而且要滿足龐大的載荷需求，因此在機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，使用雙電機經(jīng)減速機驅(qū)動滾筒，滾筒連接鋼絲繩，鋼絲繩多點提拉平臺的傳動結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以滿足負載端提供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，以克服平臺運行過程中鋼絲繩伸縮帶來的位置誤差。

本文提出一種雙電機主從伺服控制系統(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，通過仿真分析，改進位置環(huán)PID控制器，對位置誤差調(diào)整和消除，以達到預(yù)期的平層精度要求。

1 雙電機升降裝置伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

升降裝置為了實現(xiàn)最高12 t的載荷，配備了2個相同參數(shù)的大功率交流永磁同步電機，2個電機共轉(zhuǎn)軸共同帶動后端的減速機，減速機驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)帶動連接著平臺的鋼絲繩，從而驅(qū)動平臺上下運行。由于運行通道較長，旋轉(zhuǎn)編碼器配備于電機側(cè)，控制器通過采集電機角度進行位置控制，而鋼絲繩連接的平臺作為彈性負載，當平臺上下運行過程中，鋼絲繩伸長量不斷變化，平臺的準確位置無法從編碼器準確獲取。本文的目的就是設(shè)計一個可靠地位置環(huán)PID控制器解決該問題。

2個電機采用較常用的主從控制結(jié)構(gòu)，即主電機工作于位置環(huán)，從電機工作于電流環(huán)。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖1，主電機和從電機具備相互獨立的電流環(huán)，并設(shè)計一個電流調(diào)節(jié)器使其穩(wěn)定且無靜差。主電機設(shè)計在電流環(huán)外部設(shè)計一個速度環(huán)調(diào)節(jié)器，使速度環(huán)穩(wěn)定且無靜差，其輸出電流給定同時發(fā)送給主從電機。主電機同樣設(shè)計了一個位置調(diào)節(jié)器，對位置誤差進行計算。

2 雙電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

本伺服系統(tǒng)通過將主電機與從電機的電流環(huán)指令信號并聯(lián)，保留主電機的速度環(huán)和位置環(huán)，斷開從電機的速度環(huán)，從電機與主電機共轉(zhuǎn)軸連接在減速機上，因此從電機的轉(zhuǎn)速與主電機一致，通過主電機的速度反饋信號進行電機的轉(zhuǎn)速控制。不考慮后端齒隙等非線性環(huán)節(jié)的影響，從電機采用跟隨主電機電流的方式運行，因此，可以將雙電機模型看做主電機模型，根據(jù)主電機的控制規(guī)律進行建模。

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

電機力矩方程：

電樞反電動勢方程：

力矩和轉(zhuǎn)角關(guān)系方程：

對式（1）～ 式（4）進行聯(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為電樞反電動勢；R為電樞電阻；L為電樞電感；為電機力矩；為電機的反電動勢系數(shù)；為 電機轉(zhuǎn)速，為電機轉(zhuǎn)角。為負載側(cè)粘性阻尼系數(shù)；為電機側(cè)粘性阻尼系數(shù)；為負載側(cè)轉(zhuǎn)動慣量；為 電機側(cè)轉(zhuǎn)動慣量。

在該升降設(shè)備控制系統(tǒng)中，鋼絲繩雙層纏繞在滾筒上，當平臺向鋼絲繩向伸長方向運行，此時滾筒轉(zhuǎn)角增大鋼絲繩伸長量x加長，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。當加大載荷GL，鋼絲繩伸長量x加長。同理，當平臺向鋼絲繩縮短方向運行或載荷減小時鋼絲繩縮短。其關(guān)系方程為：

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

3 改進的控制系統(tǒng)模型

由于在真實的控制系統(tǒng)中負載是一個變化量，每次升降平臺進行加載時是在一定范圍內(nèi)的隨機數(shù)，而平臺本身無稱重功能，無法獲取其靜載荷。并且編碼器安裝于電機側(cè)，無法反映后端鋼絲繩提拉平臺的真實位置，也就是說系統(tǒng)存在靜差，而且無法通過計算負載載荷的方式在控制器端進行算法補償。

因此根據(jù)該控制系統(tǒng)的特點，對該控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。首先硬件上，在平臺最終?？课恢酶浇还潭ㄎ恢锰幇惭b一個接近開關(guān)，當平臺觸碰到該開關(guān)的時候計算距目標停止位置距離并替換當前的位置給定。同時，根據(jù)當前的采集周期、系統(tǒng)延時和運行速度對位置給定進行再修正。改進后的控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示，引入當前的運行速度并乘以系統(tǒng)掃描周期，將采集該位置時的系統(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改進的控制系統(tǒng)原理框圖再次進行仿真，同時引入改進的位置PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，當開關(guān)量輸入in2為0時直接使用PID控制，當開關(guān)量輸入in2為1時將常量和誤差反饋的差值進行PID運算，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PID控制器的控制參數(shù)進行整定，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)曲線如圖6所示，系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差。

再次進行仿真，使用規(guī)劃好的s曲線作為速度給定，可以看出電機根據(jù)預(yù)設(shè)的速度曲線進行加速和減速，在末尾位置時通過外部開關(guān)位置進行位置給定補償后，又出現(xiàn)一個加速減速過程，以補償鋼絲繩拉伸環(huán)節(jié)中的伸長量。電機的轉(zhuǎn)速和平臺位置曲線分別如圖7和圖8所示。

5 結(jié) 語

本文針對雙電機大載荷船用升降設(shè)備，對其系統(tǒng)特性進行原理分析，并建立控制系統(tǒng)模型。針對控制系統(tǒng)后端鋼絲繩柔性負載容易發(fā)生伸縮，且伸縮量不容易測量和采集的特點，設(shè)計了改進的PID位置控制器，根據(jù)位置開關(guān)的信號配合對鋼絲繩的變化量進行補償。

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

[1]陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,1999: 25.

[2]薛定基, 陳陽泉. 基于Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2002.

[3]趙海波. 雙電機同步聯(lián)動伺服系統(tǒng)的設(shè)計與分析[D]. 南京：南京理工大學(xué), 2006.

[4]胡壽松. 自動控制原理[M]. 第四版. 北京: 科學(xué)出版社, 2001.

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)運技術(shù)電氣控制方向的研究。