張今朝 魏海峰 劉君偉

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

0 引言

鑒于目前對土地使用面積的限制，現代農場已開始向空中發(fā)展，多層及高層農場建筑將是發(fā)展趨勢。電梯作為垂直搬運的重要設備，為適應農場特有環(huán)境的需求，需要拓展新的功能。在大規(guī)模多層養(yǎng)殖農場內，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非常必要[1-2]。

目前，典型的養(yǎng)豬農場中，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備,其垂直運載功能同樣符合高層農場的需求，其由曳引系統(tǒng)、導向系統(tǒng)、轎廂、門系統(tǒng)、質量平衡系統(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、轉矩較大的永磁同步電機和導向系統(tǒng)構成，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，現場無人為電梯操作。自動化立體車庫升降功能可實現貨物自動移進或移出轎廂[13-14]，但其結構和控制復雜，不適合農場使用。

本文針對現代規(guī)?；倚箴B(yǎng)殖多層農場用電梯功能需求，在普通貨用電梯上增設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，實現多電機協調控制，以期達到載貨驅動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的目的。

1 養(yǎng)殖農場電梯系統(tǒng)結構拓展

對于大型現代家畜飼養(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備有全自動飼喂設備、各類自動化料線、欄位的安裝、飲水排泄、通風降溫、保暖等環(huán)控設備。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，電機轉動帶動齒輪，并驅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。

考慮到農場環(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。

步驟4：門機啟動，關轎廂門和層門，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，驅動齒輪與齒條嚙合運行，驅動載貨小車運行，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，禁止開關門，則門電機是停轉狀態(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動電機協調運行狀態(tài)，曳引電機和門電機皆處于停轉狀態(tài)，只有載貨車完全進入轎廂或完全移出轎廂時，門電機才運行以關閉轎廂門及層門，后續(xù)工作狀態(tài)如此反復。

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

圖2 載貨小車驅動系統(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臺都采用三相感應電機(門電機為電機2，轎廂底驅動電機為電機3，電梯?？繒r，只有一個層門處電機工作，設為電機4)，根據4臺電機的運行邏輯關系，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)與時間的對應關系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電梯行進和轎廂門、層門關閉邏輯關系獨立運行外，電機3和電機4之間在時段t5～t6通過齒輪齒條協調運行，可認為是硬連接，時段t4～t5為軟連接。

(1)

其中

Fz=mgμ

式中Tz——等效轉矩，N·m

Fz——移動載貨小車所需驅動力，N

vz——載貨小車直線速度，m/s

陶瓷紋飾的作用已經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，已經成為中國傳統(tǒng)紋飾的經典形象而流傳下來。當現代陶瓷藝術陷入瓶頸之時，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作品。

n——電動機轉速，r/min

m——小車質量(連同貨物)，kg

μ——滑動摩擦因數

設電機3到齒輪的傳動比為j，根據式(1)，可得電機輸出轉矩為

(2)

式中Tl——電機輸出轉矩，N·m

ωr——轉子角速度，rad/s

考慮到兩電機負載相同，電機極對數相同，則任一電機在同步旋轉坐標系mt下有

(3)

(4)

np——電機極對數

Lm——坐標系mt定子與轉子同軸等效繞組間的互感，H

J——電機轉動慣量，kg·m2

Lr——坐標系mt轉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——轉子磁鏈，Wb

ω1——定子角速度，rad/s

Tr——轉子勵磁時間常數

由式(3)、(4)可得

(5)

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

(6)

ωr3——電機3角速度，rad/s

ψr3——電機3轉子磁鏈，Wb

Tz3——電機3等效轉矩，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轉子磁鏈，Wb

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

3 轉矩多參數加權模型

通過前面分析，如當轎廂門打開，電機3驅動小車，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得到轉速的信號，開始運轉，通過齒輪齒條與電機3協調運行，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，按轉子磁場定向矢量控制時，需建立轉子磁鏈、轉矩計算模型以供反饋之用，其估算結果受參數的非線性和強耦合性影響較大，如果直接建立轉矩、磁鏈和轉速線性加權模型，則可以提高驅動系統(tǒng)的動態(tài)性能，兩臺電機也無需安裝轉矩傳感器。根據文獻[16]建立函數關系

(8)

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

對轉矩及各參數值取N個樣本的數據集合,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)——調度變量

(11)

ρ——調度函數

χi——局部模型參數

參數Γ、ρ、si求法見文獻[15]，不再贅述。對于模型結構參數，根據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

通過求取目標函數的最小值求取聚類中心和最佳聚類個數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

協方差矩陣Fi計算式為

(16)

其中

(17)

局部模型參數χi可辨識由最小二乘算法來實現[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)由調度變量φ(k)樣本，取聚類個數c∈[2,cmax],初始聚類中心數可取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，并根據式(15)、(16)計算d2(φ(j),νi)和Fi。

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

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

(6)由聚類結果計算高斯基函數寬度si及第i個模型適用域[20]

(21)

Γi∈[vi-siz,vi+siz]

(7)根據式(18)計算局部模型參數χi。

4 載貨小車雙電機矢量控制分析

4.1 多參數線性加權模型矢量控制

如前所述，轎廂到每個指定的樓層?？浚攲娱T打開后，小車移動時都需要里外2臺電機驅動，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入時，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，轉速和轉矩作為主要閉環(huán)結構，使電機4跟蹤主令電機3轉速運行，同時驅動小貨車時，兩電機輸出轉矩相保，以保證協調運行。

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

圖3中，ATR和AψR分別為轉矩和磁鏈PI調節(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，多參數加權模型為式(8)。

4.2 實驗控制分析

4.2.1模型估計

由式(8)～(10)的轉矩映射關系可知，為驗證多參數加權模型的有效性，利用系統(tǒng)模型在轉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。樣本數取5 000組，向量階數取2。電機3、4的參數如表2所示。根據前述多模型建模步驟，當子模型數為5時，滿足條件ε=0.02。

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

電機3轉矩子模型估算為

表2 電機3、4部分參數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組進行訓練，得到子模型，取得加權之后，在3 s內進行驗證，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

與轉矩模型建模方法相同，可分別估計轉子磁鏈ψr、轉子位置角θr。與轉矩一起組成多參數加權模型，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，兩電機協調運行。為驗證電機3轉矩跟隨性能，給定負載轉矩輸出從25 N·m，降到0 N·m，再上升到15 N·m，圖6a所示電機轉矩輸出與負載轉矩的動態(tài)變化基本吻合。從圖6b可以看出，電機3轉速在負載轉矩突變時保持良好的調節(jié)性能。

圖6 電機3控制時轉速和轉矩波形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右側測速齒輪時，此時小車完全由電機4驅動，負載轉矩由15 N·m再突變到30 N·m，其轉速曲線如圖7所示。由圖7電機轉矩輸出可以看出，電機4轉速在負載轉矩突變時運行平穩(wěn)，電機轉矩輸出與負載轉矩的動態(tài)變化也基本吻合。

5 結束語

根據目前多層養(yǎng)殖農場的電梯需求，在普通貨梯基礎上，設計了以自動化形式搬運飼料、畜禽或廢棄物等功能，提出了電梯轎廂驅動系統(tǒng)的結構。分析了農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臺電機協調運行的數學模型，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子與轉矩模型整合為一個多參數線性加權模型，簡化了驅動系統(tǒng)的結構，提出了基于多參數線性加權模型的雙電機按轉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。