船用大載荷升降設備控制系統設計與仿真

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. 海軍駐鄭州地區軍事代表室，河南 鄭州 450015)

船用大載荷升降設備控制系統設計與仿真

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結構，根據末端鋼絲繩柔性連接的特性建立伺服系統模型，通過仿真分析，改進位置環PID控制器，對位置誤差調整和消除，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

根據船用條件，大載荷的升降設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，因此在機械結構的設計上，使用雙電機經減速機驅動滾筒，滾筒連接鋼絲繩，鋼絲繩多點提拉平臺的傳動結構。該結構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結構，根據末端鋼絲繩柔性連接的特性建立伺服系統模型，通過仿真分析，改進位置環PID控制器，對位置誤差調整和消除，以達到預期的平層精度要求。

1 雙電機升降裝置伺服控制系統的結構組成

升降裝置為了實現最高12 t的載荷，配備了2個相同參數的大功率交流永磁同步電機，2個電機共轉軸共同帶動后端的減速機，減速機驅動滾筒旋轉帶動連接著平臺的鋼絲繩，從而驅動平臺上下運行。由于運行通道較長，旋轉編碼器配備于電機側，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。本文的目的就是設計一個可靠地位置環PID控制器解決該問題。

2個電機采用較常用的主從控制結構，即主電機工作于位置環，從電機工作于電流環。其控制系統結構詳見圖1，主電機和從電機具備相互獨立的電流環，并設計一個電流調節器使其穩定且無靜差。主電機設計在電流環外部設計一個速度環調節器，使速度環穩定且無靜差，其輸出電流給定同時發送給主從電機。主電機同樣設計了一個位置調節器，對位置誤差進行計算。

2 雙電機伺服驅動系統的數學模型

本伺服系統通過將主電機與從電機的電流環指令信號并聯，保留主電機的速度環和位置環，斷開從電機的速度環，從電機與主電機共轉軸連接在減速機上，因此從電機的轉速與主電機一致，通過主電機的速度反饋信號進行電機的轉速控制。不考慮后端齒隙等非線性環節的影響，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，根據主電機的控制規律進行建模。

根據經典電機學相關方程[1]進行推導，可知電樞電壓方程：

電機力矩方程：

電樞反電動勢方程：

力矩和轉角關系方程：

對式（1）～ 式（4）進行聯立，并經拉氏變換后，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；為 電機轉速，為電機轉角。為負載側粘性阻尼系數；為電機側粘性阻尼系數；為負載側轉動慣量；為 電機側轉動慣量。

在該升降設備控制系統中，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，此時滾筒轉角增大鋼絲繩伸長量x加長，彈性系數k變小，彈性系數與滾筒轉角θ成反比例關系。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。其關系方程為：

根據式（5）～式（9），畫出其控制系統原理框圖如圖2所示。

3 改進的控制系統模型

由于在真實的控制系統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的隨機數，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，無法反映后端鋼絲繩提拉平臺的真實位置，也就是說系統存在靜差，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。

因此根據該控制系統的特點，對該控制系統的軟硬件結構進行優化。首先硬件上，在平臺最終停靠位置附近一固定位置處安裝一個接近開關，當平臺觸碰到該開關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，根據當前的采集周期、系統延時和運行速度對位置給定進行再修正。改進后的控制系統原理框圖如圖3所示，引入當前的運行速度并乘以系統掃描周期，將采集該位置時的系統誤差作為前饋，相應的，其位置環PID控制器也作了相應更改，其內部結構詳見圖5。

4 控制系統仿真

為消除系統靜差，根據圖3改進的控制系統原理框圖再次進行仿真，同時引入改進的位置PID控制器，其結構如圖5所示，當開關量輸入in2為0時直接使用PID控制，當開關量輸入in2為1時將常量和誤差反饋的差值進行PID運算，以消除系統的穩態誤差。

仍然在額定載荷條件下，使用臨界比例度法，對PID控制器的控制參數進行整定，確定其位置控制器的PID參數分別為Kp=23.15，KI=0.47，KD=0.22，其位置階躍響應曲線如圖6所示，系統無穩態誤差。

再次進行仿真，使用規劃好的s曲線作為速度給定，可以看出電機根據預設的速度曲線進行加速和減速，在末尾位置時通過外部開關位置進行位置給定補償后，又出現一個加速減速過程，以補償鋼絲繩拉伸環節中的伸長量。電機的轉速和平臺位置曲線分別如圖7和圖8所示。

5 結 語

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

經過控制系統的建模、模型改進前后的仿真比較，證明改進后的系統模型消除了系統位置靜態誤差。經過實際設備的研制和使用，實際設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預設的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備中經常使用，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[M]. 北京: 機械工業出版社,1999: 25.

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[4]胡壽松. 自動控制原理[M]. 第四版. 北京: 科學出版社, 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，主要從事轉運技術電氣控制方向的研究。