海面溢油回收機雙馬達速度閉環同步控制實現方法研究

楊前明，李健，孔令奇

(山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266510)

0 前言

圍油欄機械化收放裝置是內嵌式溢油回收系統的重要組成部分，它主要由掃油臂和圍油欄卷筒等組件組成，用于實現圍油欄機械化布放與收卷作業。文獻［1-2］給出了掃油臂系運動協調性仿真分析與機身本體HST驅動方案力學分析，由于其作業工況下伴隨海面隨機載荷的作用，考慮其作業時具有低速、大扭矩運動及載荷特點，設計過程中將圍油欄布放(收卷)與掃油臂端部線速度同步作為其工作動態品質的關鍵考核技術指標之一。

電液閥控馬達是低速大扭矩傳動系統驅動的常用方法之一，在工業機械化裝備中獲得了比較廣泛的應用。根據實際控制精度要求，常用的控制方法主要有開環、閉環液壓同步控制，閉環控制主要為“同等方式”與“主從方式”［3-4］;隨著現代控制理論的日益豐富及其在工業控制中的成功應用，同步閉環控制采用了自適應控制理論和智能控制理論來設計控制策略及其相應控制器，如PI與PID優化調節器、模型跟隨自適應控制器 (AMFC)、參考模型自適應控制器 (MRAC)、神經網絡自適應同步控制算法和神經網絡相關學習同步控制算法［5-9］。控制方法選擇的出發點主要有技術性、綜合性價比以及使用過程中的便捷性與可靠性。本文作者根據實際設計技術要求，在綜合分析的基礎上，提出了基于PLC控制的雙路比例閥控馬達速度“同等控制”實現方法，為解決該類工程設計提供了設計參考依據。

1 系統組成與控制要求

1.1 系統組成及工作原理

圍油欄收放裝置系統組成如圖1所示，主要由掃油臂機身本體6及其驅動系統、圍油欄卷筒1及其驅動系統組成。本體與圍油欄驅動系統組成如圖2、3所示。圍油欄的一端固定在圍油欄浮筒上，另一端則纏繞在圍油欄卷筒上，并由收油機導向輥浮動夾緊其兩側，輔助其布放與收回。掃油臂本體與圍油欄卷筒由兩個HST電液閥控馬達系統驅動，分別實現掃油臂與圍油欄卷筒的旋轉運動。收油作業準備階段，掃油臂前端機械手對圍油欄浮筒進行抓握，2個HST驅動系統分別帶動掃油臂與圍油欄卷筒以不同角速度同時旋轉，實現圍油欄的牽引與布放。收油作業階段結束后，2個HST系統以不同角速度同時反方向旋轉，實現圍油欄收回作業。

圖1 圍油欄收放裝置原理圖

圖2 本體HST示意圖

圖3 圍油欄HST示意圖

1.2 系統控制要求

2個HST系統驅動的掃油臂與圍油欄卷筒的旋轉運動，由于各自運動回轉幾何半徑、減速比及驅動負載的不同，其線速度控制難以做到精確同步，實際操作過程中將線速度同步精度設計允許范圍定位在±15 mm/s。文中采用雙閉環同等控制 (DCLCC，Doubleclosed-loop Coordinative Control)方案，結合現有的同步控制回路，提出新的控制策略方法從而使其達到速度控制精度要求。

圖2與圖3分別表示掃油臂機身本體傳動系統與圍油欄卷筒傳動系統示意圖，假設掃油臂前端線速度為v1，圍油欄卷筒外緣線速度為v2。則有:

式中:n1為掃油臂驅動馬達轉速，r/s;i1為掃油臂減速比;ω1為掃油臂角速度，rad/s;R1為掃油臂臂長，m;n2為圍油欄卷筒馬達轉速，r/s;i2為圍油欄卷筒減速比;ω2為圍油欄卷筒角速度，rad/s;R2為圍油欄卷筒直徑，m。

海面溢油回收裝備作業時受到海面各種隨機載荷的影響，為便于分析假設:

(1)圍油欄布放過程中，忽略其彈性伸縮量;

(2)圍油欄卷筒纏繞外直徑不變，即圍油欄厚度忽略不計。

因此，雙HST系統的控制要求可歸納為:

(1)當系統協調運行時，需保持掃油臂端部及圍油欄卷筒線速度相同，即v1＝v2;

(2)在圍油欄布放結束后，掃油臂端部與圍油欄卷筒外緣線位移量應相同，即等于圍油欄的布放長度L;

(3)系統在運行過程中可以隨時調節協調運動的運行速度且系統運行應穩定可靠。

為使系統運行時掃油臂端部 (浮筒)與圍油欄卷筒外緣的線速度與設定的目標速度相同，即有:v1＝v2＝v

由式 (1)、(2)得:

式 (3)即為兩馬達在速度協調運行時的轉速比，與其旋轉半徑R和減速比i有關。式 (4)、(5)為目標速度與各個馬達轉速之間的數值關系。

由此可以看出，雖然兩執行元件的線速度相同，但是其馬達轉速并不相同。因此準確實現兩馬達的旋轉速度n1、n2的控制是實現圍油欄兩個端點 (浮筒與卷筒)線速度同步控制的前提與技術關鍵。另外，為使系統運行結束后兩執行元件線性位移量相同，除保持轉速比例協調外，還應該保持兩馬達啟停時的同步性。

2 雙HST系統同步實現方法

2.1 PID與“同等方式”同步聯合控制

速度“同等方式”是指多個需要同步控制的執行元件分別獨立跟蹤設定的理想輸出而受到控制并達到同步驅動。

圖4為同等方式獨立反饋同步控制方案原理圖。當給定系統輸入信號時，系統對兩個輸出運動參量進行獨立反饋校正，保證兩輸出具有良好的速度跟隨性，實現速度同步控制。

圖4 獨立反饋校正同步控制方案

圖5 為雙HST比例閥控馬達速度閉環控制系統原理圖。系統由圍油欄卷筒馬達M1、機身本體驅動馬達M2、比例換向閥PV1與PV2、比例放大器PA1與PA2、編碼器Edcoder1與Edcoder2、PLC和D/A模塊組成。

圖5 雙HST閥控馬達速度閉環控制原理

圖5 的控制基本思想是:給PLC設定速度控制指令信號，并通過式 (4)、(5)將速度值轉化為兩個馬達對應的數字量發送給D/A模塊;D/A模塊將數字量信號轉化為模擬量信號輸送給比例放大器，調節比例閥開口量，實現馬達轉速與旋轉方向控制。馬達輸出轉速通過速度傳感器檢測反饋，PLC將其處理并與設定速度比較、構成閉環控制回路，直至馬達轉速滿足設計控制精度。為使控制系統獲得更好的控制效果，實際控制中利用PLC內置PID控制模塊，實現系統PID與“同等控制”聯合實現雙馬達速度閉環同步控制。圖6所示為該系統采用同等控制原理框圖。

圖6 同等控制原理框圖

2.2 控制系統硬件與軟件設計

液壓控制系統主要元器件包括LEDUC-MSI系列63CC自帶轉速檢測傳感器式定量液壓馬達、華德4WRA10和4WRA6直動型比例閥及其配套比例放大器、臺達 DVP-20EH00T3型 PLC、配套 D/A模塊。

高速計數器和PID控制策略的聯合應用是PLC控制程序的技術核心，臺達PLC中的高速計數器端子不受其掃描周期的限制，能夠接受最高20 kHz頻率的高速脈沖，并通過指令將測得的脈沖數存儲到寄存器中供計算使用。

PLC中內置的PID功能指令能夠方便地實現PID控制，其格式如下:PID S1 S2 S3 D。其中，S1為目標值，S2為現在值，S3為運行參數的起始地址，D為輸出值。在該系統中，通過公式 (4)、(5)計算的結果，分別設置為圍油欄和掃油臂驅動馬達的目標轉速;高速計數器計得的脈沖數通過公式 (6)轉化為當前轉速反饋到PLC中作為當前值;最后將PID控制的輸出結果通過TO指令傳送到D/A模塊中轉化為模擬量控制比例放大器。

式中:D為脈沖個數;t為采集周期;N為編碼器每圈產生的脈沖數。

(1)轉速檢測。雙HST比例閥控馬達控制系統中，轉速檢測是由馬達自帶的霍爾轉速傳感器 (測速齒輪與霍爾元件)將馬達轉速脈沖信號 (每轉39個)送入PLC內置高速計數器HHSC0進行計數。圖7為本體馬達轉速檢測PLC控制程序。

圖7 馬達速度檢測程序

通過對高速計數器HHSC0行為模式等參數的設置，完成對脈沖的計數，再通過式 (6)計算馬達當前轉速并將結果存儲在D130寄存器中。

(2)PID控制。圖8為機身本體馬達PID控制部分控制程序。

圖8 PID控制程序

通過對取樣時間、比例增益、積分增益、微分增益和目標值等相關參數的設置，啟動PID控制并將其運算結果存儲在D230寄存器中。其中，PID控制參數是否合理直接決定了控制系統的性能優劣。

(3)比例控制。圖9為本體馬達比例換向閥控制程序。

圖9 比例換向閥控制程序

將寄存器D230中PID控制計算結果乘以相應增益系數，通過TO指令傳送給對應的D/A模塊，作為控制比例閥閥口開度的指令信號，實現馬達轉速準確可調。

3 同步誤差測算

實際控制系統中，PLC控制程序對機身本體和卷筒馬達當前速度進行計算并存儲在PLC寄存器中，根據式 (1)、(2)分別計算兩執行器線速度，根據式 (7)、(8)和 (9)分別計算兩執行器線速度同步誤差以及與指令速度的偏差。在人機界面中，由組態軟件設計并直觀的將結果顯示出來。式中:Δv為浮筒與卷筒線速度誤差，m/s;δ1為浮筒線速度與指令速度誤差，m/s;δ2為卷筒線速度與指令速度誤差，m/s。

圖10是采用Matlab仿真軟件對該系統進行的仿真曲線。

圖10 線速度誤差曲線圖

由圖10可知，兩個輸出馬達在啟動大約6 s后速度穩定，兩者穩定速度誤差Δn≤0.1 r/s，兩執行器線速度誤差Δv≤7 mm/s，由此可見，以PLC為控制核心的PID與“同等控制”控制系統能夠很好地滿足系統同步控制設計精度要求。

4 結論

針對內嵌式溢油回收機雙HST液壓馬達速度同步協調控制問題進行研究設計，基于PID控制理論，提出了以PLC為控制核心、PID與“同等方式”同步聯合控制方案;在對控制系統硬件進行選型設計的基礎上，給出了關鍵技術的PLC控制程序設計方案;為考查控制系統同步控制精度，運用Matlab對系統控制誤差進行計算分析。結果表明本方案可以實現同步線速度誤差Δv≤7 mm/s，高于系統設計要求精度。本文解決了不同運動半徑、不同減速比等條件下兩個液壓馬達速度協調同步控制的問題，為本項目后續工作及同類技術設計提供了參考依據。

［1］楊前明，閆九祥，王世剛，等.基于D-H位移矩陣法的溢油回收系統掃油臂運動學建模［J］.山東科技大學學報:自然科學版，2014，(1):92-97.

［2］楊前明，王雪，王世剛，等.船載收油機掃油臂力學分析及其HST驅動設計［J］.現代制造技術與裝備，2014(2):1-3.

［3］施光林，史維祥，李天石.液壓同步閉環控制及其應用［J］.機床與液壓，1997(4):3-7(2).

［4］LIJingfu.The Research on Control Type and Control Strategy of Synchronous Hydraulic Closed-loop Control System［J］.IERI Procedia，2012(3):220-225.

［5］ALY Ayman A.Model Reference PID Control of an Electrohydraulic Drive［J］.International Journal of Intelligent Systems and Applications(IJISA)，2012，4(11)，:24-32.

［6］劉曉峰，劉昕暉，王龍山，等.基于模糊PID控制的大型履帶起重機雙馬達速度同步控制［J］.吉林大學學報:工學版，2011(3):659-664.

［7］朱學彪，陳奎生，傅連東.基于AMFC的電液伺服系統控制算法研究［J］.液壓氣動與密封，2008(4):57-60.

［8］胡壽松，周川，胡維禮.基于神經網絡的模型跟隨魯棒自適應控制［J］.自動化學報，2000(5):623-629.

［9］CHEN Huaizhong.Research of the Electro-hydraulic Servo System Based on RBF Fuzzy Neural Network Controller［J］.Journal of Software，2012，7(9)，1960-1967.

［10］吳根茂.新編實用電液比例技術［M］.浙江:浙江大學出版社，2006.

［11］路甬祥.電液比例控制技術［M］.北京:機械工業出版社，1988.

［12］王春行.液壓控制系統［M］.北京:機械工業出版社，2011.

［13］黃志堅.液壓系統控制與PLC應用［M］.北京:中國電力出版社，2011.