絞吸挖泥船橫移系統多回路控制研究

蔣 爽 倪福生 魏長 李洪彬

(河海大學疏浚教育和研究中心1，江蘇 常州 213022；河海大學機電工程學院2，江蘇 常州 213022)

絞吸挖泥船橫移系統多回路控制研究

(河海大學疏浚教育和研究中心1，江蘇 常州 213022；河海大學機電工程學院2，江蘇 常州 213022)

為了提高絞吸挖泥船的施工產量，同時避免設備電流超限或管路濃度過高現象的發生，提出了混合多回路控制系統。建立了橫移系統的多個制約因素和橫移速度的數學模型，并分別設計了模糊PID和Smith預估器的控制方法。對于多個子回路之間的協調問題，設計了一個多回路自動切換控制器，并進行仿真。仿真結果表明，該控制器能根據橫移系統的運行狀態自動切換控制回路，實現了絞吸挖泥船橫移系統對多回路的穩定、高效控制。

絞吸挖泥船 橫移控制 混合系統 多回路協調 自動切換 數學模型 模糊PID控制 Smith預估器

0 引言

絞吸挖泥船在不同土質、地形等工況下施工時，制約生產能力的關鍵參數各不相同[1]。挖泥船在挖掘較硬土質(如黏土、巖石)的工況時，制約生產能力的關鍵參數是橫移阻力或絞刀切削阻力；當挖掘較軟土質(如淤泥、粉沙)時，制約參數則變為管道輸送泥漿濃度或泥泵真空度。因此，在進行挖泥船的橫移自動化研究時，需綜合考慮多個制約參數，實時調整橫移速度，在確保絞吸挖泥船安全生產的同時盡量維持較高的生產能力。本文以當前主流的電力變頻驅動型絞吸挖泥船橫移系統為研究對象[2]，選用橫移電機電流、絞刀電機電流和挖泥船產量作為控制參數，分別建立其對橫移速度影響的數學模型，設計相應的控制方法，并通過切換控制[3]決定由哪個回路進行實際控制，實現了絞吸挖泥船橫移系統的穩定、高效控制。

1 絞吸挖泥船橫移系統數學模型建立

1.1 考慮電流限制的數學模型

由于橫移電機電流和絞刀電機電流與橫移速度之間具有相似的數學模型，將兩者統一起來，建立了考慮電流限制的橫移數學模型。絞吸挖泥船施工時，橫移電機驅動橫移絞車收放纜索實現絞吸挖泥船繞定位樁的弧線擺動，同時絞刀電機驅動絞刀旋轉切削，兩個運動相互配合實現扇形挖泥作業。橫移切削的電機電流與電機所受負載有關，而電機負載的大小取決于絞刀切削反力。

絞刀切削反力計算較為復雜，采用試驗回歸方法，可得依據土質計算的絞刀總切削阻力經驗公式為[4]：

(1)

(2)

式中：Ca=0.4，Cv=1.0，Ch=0.9；r為絞刀大環內圈半徑，m；M為絞刀頭扭矩，N·m。

已知絞吸挖泥船三個方向上的切削反力，對整個挖泥船xy平面進行受力分析，如圖1所示。圖中，Fh為絞刀橫移切削時所受的水平方向作用力；Fa1、Fv1為切削反力Fa、Fv在xy平面上的投影；Fsbw、Fpsw為左右橫移錨纜拉力在xy面上的投影，Fpsw=cFsbw，c一般為0.3；γ1、γ2為左右橫移錨纜與船體中心線垂直方向的夾角；Fx總、Fy總、M總分別為船體受到的風、流、波浪作用力和力矩。

圖1 絞吸挖泥船整體xy平面受力圖

Fig.1 The forces acting onxyplane of cutter suction dredger

(3)

(4)

同樣可以得到絞刀電機的負載扭矩為：

(5)

因此，式(5)可以簡化為：

(6)

絞吸挖泥船橫移和絞刀電機都采用三相異步電機。變頻器為V/F控制，即在低頻運行時，通過適當補償定子電壓，可抵消阻抗壓降份額增大的影響，使反電動勢和磁通得到補充，從而增大低頻時帶負載能力。在變頻器V/F控制下，電機運行在恒磁通范圍內，電機電流可以表示為:

(7)

無功電流為：

(8)

有功電流為：

(9)

將式(4)、式(6)代入式(7)～式(9)，分別得到橫移電機、絞刀電機和橫移速度之間的最終數學模型，如式(10)、式(11)所示[6]。

考慮橫移電機電流限制的數學模型為：

(10)

考慮絞刀電機電流限制的數學模型為：

(11)

分析兩者的數學模型，可知其具有非線性的特點，且土壤標貫擊數和切刃有效長度與土質及地形密切相關，具有時變性的特點。同時，在上述建立模型的過程中，大部分公式都是依據經驗公式所得，無法獲得其準確數學模型，具有不確定性特點。因此，考慮電流限制的橫移數學模型具有非線性、時變性及不確定性的特點。

1.2 考慮產量限制的數學模型

絞吸挖泥船產量形成可以分為三個過程：絞刀切削、管道輸送和產量計檢測。整個過程如圖2所示。

圖2 絞吸挖泥船產量形成過程

Fig.2 The forming process of construction output

of cutter suction dredger

(12)

式中:YC為絞吸挖泥船濕方產量，t/h;VS為絞吸挖泥船橫移速度，m/min。增益K隨外界土質、地形變化而變化，同樣具有時變性特點，而且模型中滯后時間τ較長，τ/V>0.3，屬于大時滯系統。

2 橫移系統多回路控制方法設計

2.1 電流保護回路設計

為了保證在提高絞吸挖泥船產量的同時，橫移電機電流和絞刀電機電流不超限，需要建立電流保護回路。由于前述所建立的電流數學模型具有非線性、時變性和不確定性的特點，常規PID控制難以達到較好的控制效果，考慮將模糊控制和傳統PID 控制相結合，得到模糊自適應PID控制器。其中，模糊控制部分根據電流誤差E和誤差變化率Ec，實時在線自適應調整PID控制中三個參數：kp、ki和kd。PID控制部分采用智能積分算法，在誤差E較小并具有繼續減少的趨勢時，消除積分作用，以防止積分飽和現象。

2.2 產量控制回路設計

為了在提高產量的同時，避免挖掘淤泥、流沙時濃度過高造成管道堵塞，需要建立產量控制回路。由于前文所建立的產量數學模型具有大時滯、時變性和不確定的特點，考慮采用Smith預估控制器對模型的純滯后予以補償，以減少滯后系統的超調，增強系統穩定性。但傳統的Smith預估控制器系統對模型估計準確性要求較高，在模型不準確時，控制性能會變差甚至不穩定。因此，需要在傳統Smith預估器的基礎上對其進行改進。

實際對象參數中增益K和時滯常數τ對Smith 預估器穩定性的影響較大，對時間常數T的影響較小。對絞吸挖泥船系統而言，其滯后時間τ主要取決于泥沙從吸口輸送到泥沙產量計處的時間，這部分時間可以由計算得到且變化很小。增益K主要取決于絞刀切削過程的漏泥率，其波動性較大，是影響系統控制性能的關鍵因素。本文通過改進傳統的Smith 預估控制方法，系統引入實際對象的輸出產量和預估器輸出產量的誤差來在線調整預估器的系統增益K，使其能跟蹤并收斂于實際對象參數增益。改進后的Smith方法結構框圖如圖3所示。其主控制器采用模糊PID控制算法，以增加系統自適應性能。

圖3 改進Smith預估器控制系統框圖

Fig.3 The improved Smith predictor control system

參數自適應辨識模塊由模糊控制和參數辨識兩部分組成。模糊控制部分取實際對象的輸出y和預估器輸出的誤差ep作為輸入量，增益K的調節量為輸出量。對輸入/輸出變量進行模糊化處理，輸入/輸出變量的語言集都為{NB，NM,，NS，ZO，PS，PM，PB}，隸屬度函數采用靈敏性強的三角函數。參數辨識部分中，令θ為可調參數，記為θn，選擇性能指標為f(x)=|ep|，當滿足f(x)≤0.5時，即認為達到參數的調節要求，不再對增益K進行調節。調節后的增益為K調=Kθn。

3 多回路自動切換控制器設計

混合系統已經成為控制界的研究熱點[7-8]，而切換控制作為混合系統的一種有效控制方法，已經得到了實際應用[9-10]。本文采用自動切換控制的方法，設計了一種多回路自動切換控制器，可在不同的工況下選擇不同的控制回路，以實現絞吸挖泥船橫移自動化控制。產量與電流保護回路切換示意圖如圖4所示。

圖4 產量與電流保護回路切換示意圖

Fig.4 The switchover of current protection loops

and construction output

當絞吸挖泥船產量較低時，為提高生產效率，需要提高橫移速度，由產量控制回路進行控制。從工況點A運行至工況點B時，由于橫移速度的增加會引起橫移電機和絞刀電機電流上升，可能達到電流限定值。在工況點B處，電流保護回路接替產量控制回路開始工作，以電流保護回路目標值作為整個系統的控制目標值來調整橫移速度。子回路實際值與設定值的差值即誤差值越大，該回路越危險。當所有子回路都低于或都高于其目標設定值時，則以其中最為危險的子回路目標值作為整個系統的控制目標值。

同時，絞吸挖泥船施工時外部環境較為復雜，疏浚地形、地質多變，這些外部的干擾都會引起絞吸挖泥船產量和電機電流的瞬時波動變化，進而引起產量與電流保護回路頻繁切換甚至造成系統不穩定。為提高切換控制系統的穩定性和抗干擾性，避免回路間頻繁切換影響系統控制性能，本文在設計的自動切換控制系統中加入了一個濾波時間t濾波，即在t濾波內需作多次判斷以確認絞吸挖泥船產量、橫移電機電流或絞刀電機電流中某一值是否超過系統限定值。當產量或電流的超限時間大于t濾波時進行切換(如圖4中BC工況中t1和t2均大于t濾波)，否則不進行切換(如圖4中DE工況中t3和t4均小于t濾波)，從而消除信號突變或干擾的影響，其中時間的設定應低于系統超限所允許的時間。自動切換控制器以各回路誤差作為輸入信號，輸出為回路切換信號。整個自動切換控制系統框圖如圖5所示。

圖5 絞吸挖泥船橫移自動切換控制系統框圖

Fig.5 Automatic traverse switching control system of CSD

4 多回路控制系統的仿真研究

本文選取外部環境因素中的土質軟硬程度變化作為干擾因素，對多回路控制系統進行仿真，設定t濾波=1 s。在t濾波=20 s時，引入土壤標貫擊數外界干擾曲線，如圖6所示。

圖6 土壤標貫擊數變化曲線

Fig.6 Variation curve of the soil SPT blow count

在土質軟硬程度即土壤標貫擊數N變化的外界干擾下，子回路相對誤差及切換曲線如圖7所示。

圖7 子回路相對誤差及切換曲線

Fig.7 The relative error and switching curve of sub-loops

圖7(a)中，誤差大于0即表示該子回路實際值超過系統設定值。圖7(b)中，當狀態值為-1時，說明目前處于絞刀電機電流保護回路；當狀態值為0或1時，說明目前處于橫移電機電流保護回路或產量控制回路。多回路控制系統以各子回路的誤差作為輸入信號，圖7(a)中，當0

電機電流保護回路，即狀態變量由1變為-1。同樣，在t=38.1 s和t=40.5 s時進行了回路切換，在t=54 s時，雖然挖泥船產量曲線誤差大于0，但由于其時間較短(t<1 s)，因而其被當作信號干擾而被過濾掉，系統不進行切換。

按照以上規律，系統判斷確認各子回路誤差大小并進行自動切換，實現整個絞吸挖泥船橫移混合多回路系統的穩定控制。

5 結束語

本文建立了電力驅動型絞吸挖泥船橫移速度和橫移電機電流、絞刀電機電流及產量之間的數學模型，設計了各控制回路的控制方法。針對混合控制系統中的多回路協調問題，設計了多回路自動切換控制系統，并對其進行了仿真。仿真結果表明，多回路自動切換控制器在施工工況(如土質)變化較大的情況下，能夠根據各子回路誤差信號，自動切換至適合該工況條件的控制器，實現了橫移系統在多種工況下的高效、穩定控制。系統安全性和自適應性好，對實現挖泥船的橫移自動化具有一定的指導意義。

[1] 肖博,孫守勝.絞吸式挖泥船橫移系統加速施工[J].中國港灣建設,2015,35(9):77-80.

[2] 任經緯.絞吸式挖泥船集成控制系統的構建[D].上海:上海交通大學,2010.

[3] 于達仁,劉曉鋒,隋巖峰.考慮切換特性的航空發動機多回路控制系統設計[J].航空動力學報,2007(8):1378-1383.

[4] 李洪彬.挖泥船絞刀三維參數化建模及應用分析[D].常州:河海大學,2009.

[5] 潘英杰.絞吸式挖泥船絞刀架載荷計算和強度分析[D].上海:上海交通大學,2008.

[6] 谷孝利.基于變頻技術的大型絞吸式挖泥船電力驅動控制系統研究[D].上海:上海交通大學,2011.

[7] LENNARTSON B,TITTUS M,EGARD B,et al.Hybrid systems in process control[J].Control System Maginze,1996,16(5):45-56.

[8] CASSANDRAS C G,PEPYNE D L,WARDI Y.Optimal control of a class of hybrid systems control[J].Automatic Control,2001,46(3):398-415.

[9] CHEN S S,CHANG Y C.Fuzzy control design for switched nonlinear systems[C]//SICE Annual Conference.Okayama:Eileen Breen,2008:352-357.

[10]仇小杰,黃金泉,魯峰,等.航空發動機多路模糊切換控制系統設計[J].南京航空航天大學學報,2011,43(4):439-445.

Research on the Multi-loop Control for Traverse System of Cutter Suction Dredger

In order to increase the construction output of cutter suction dredgers,and avoid the over limit current of equipment or excessive concentration in pipeline,a hybrid multi-loop control system is proposed.The mathematical models of a plurality of restrictive factors and the traverse speed are built,and the control methods of fuzzy PID and Smith predictor are respectively designed.For the coordination among multiple sub-loops,a multi-loop automatic switching controller is designed and simulated.The simulation results show that the controller can automatically switchover the control loops according to the running state of the traverse system,thus the stable and highly efficient control of the traverse system of cutter suction dredger is realized.

Cutter suction dredger Swing control Hybrid system Multi-loop coordination Automatic switching Mathematical model Fuzzy PID control Smith predictor

蔣爽(1981—)，男，2007年畢業于河海大學材料加工專業，獲碩士學位，實驗師；主要從事疏浚技術自動化方向的研究。

TH39;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612016

修改稿收到日期：2016-05-11。