自升式平臺升降系統同步控制策略研究

黨存祿 ，劉 靜

（1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，蘭州 730050；2.甘肅省先進工業過程控制重點實驗室，蘭州730050；3.蘭州理工大學 國家級電氣與控制工程實驗教學中心，蘭州 730050）

海洋自升式平臺是深海區域油氣開發的主要設備，我國對海上石油勘探和開采起步較晚，技術相對國外比較薄弱。大部分關鍵設備都是進口的，尤其是自動控制系統和主要設備。因此開展這一領域關鍵理論和技術的研究，對提升我國競爭能力具有重大的經濟和政治意義[1]。

由于自升式海洋平臺在深水作業且重量大、起升高度高，單個電動機的功率很難驅動。在現代大功率、大慣性控制要求下，必須采用多電機聯動來滿足大功率需求。為了提高平臺升降系統的跟蹤精度和控制性能，必須保證多驅動電機的同步性能。事實上，由于傳動軸的驅動特性、電機對物體的傳輸特性、負載的擾動等因素的影響，使多電機的同步性能產生惡化。因此，多電機同步控制成為平臺升降系統研究的熱點和難點。

1 升降系統同步控制研究

在正常升降過程的工況下，如果齒輪之間的負載是平衡的，升降齒輪將會以相同的負載量穩定地進行上升和下降。然而在實際中，例如平臺電機單元的速度不同步，或傾斜等各種因素，都會使齒輪的負載不平衡。一般有2種狀況：由于馬達轉速過快而導致的負載過大，以及由于馬達轉速過慢導致的負載過小，無論哪種狀況，在平臺升降過程中如果不進行調整，都將不可避免地導致平臺事故。因此，電機協調同步升降控制效果將直接影響升降系統使用壽命及升降過程的安全性[2]。

1.1 機械同步方式

機械同步的控制方式，該系統由一臺大功率的異步電機驅動傳動軸，系統的機械傳動軸的速度作為共同的給定信號，系統的驅動裝置通過齒輪在主軸上嚙合，當外部因素發生變化時，某個驅動單元也隨之變化時，轉矩信號被傳送到機器的主軸上，這導致主軸的轉速改變，由于主軸的旋轉速度是給定的，這會使其余的驅動裝置跟隨主軸變化。這種控制方式容易實現，但它只采用一臺大功率的電機來拖動整個系統，使單元的負載因電機容量的有限受到了限制，并且驅動單元是經過齒輪箱來與機械總軸進行嚙合，因此增加了齒輪箱的加工和維修費用[2]。

1.2 并聯控制同步方式

在并聯控制系統中，各電機給定的轉速信號相同，同步控制方法簡單，易于實現。其系統結構如圖1所示。

并聯給定速度控制方式，從理論上講，所有電機都使用相同的給定信號，電機在啟停階段的同步性能會更好。由于系統在運行過程中，每個電機都獨立工作，任意2臺電機之間沒有耦合作用，當某臺電機因為干擾而波動時，無法影響到其他電機，電機之間形成同步誤差，所以這種控制方式只適用于系統無外界干擾、同步性能不高的場合。

1.3 主從控制同步方式

主從控制同步方式是指系統的給定速度作主電機的輸入信號，從電機的輸入速度信號是主電動機的輸出速度。其控制結構如圖2所示。

圖2 主從控制結構Fig.2 Master-slave control structure diagram

該系統中某臺電機，因為負載擾動等因素引起電機的速度波動只能影響到后面電機，系統的跟隨性具有單向性。此外，每臺電機的速度給定值并不是相同時間接收到，所以此控制方式在系統啟停階段時的同步效果不是很好。

1.4 誤差耦合控制同步方式

誤差耦合控制方式是通過對電機除了自身的轉速度誤差計算外，還對電機之間的運行速度偏差進行補償，其控制結構如圖3所示。

圖3 誤差耦合同步結構Fig.3 Deviation coupling synchronous control structure diagram

該控制方式沒有主從之分，每個電機初始給定速度一致，在系統啟停階段不存在速度滯后問題，且每臺電機都是相互關聯的，當電動機受到外部干擾時，控制器根據每個電機的轉速自動計算所需要的補償量，然后對每臺電動機進行補償控制并作用于各電機，電機輸出速度實時跟蹤系統設定速度，具有較好的同步控制性能。

通過對比分析上述控制方案的優缺點，結合該系統的同步控制的特點，我們不難發現并聯控制結構和主從控制結構達到的同步控制效果并不是很好，為了進一步提高同步控制系統的同步性能，本文采用基于偏差耦合的同步控制方法作為本系統的多電機同步控制方案。

2 基于偏差耦合的同步控制算法

2.1 基于相鄰耦合誤差的多電機同步控制算法

對于具有多臺電機的同步系統，假定系統中各電機之間的速度關系為[3]ω1＝ω2＝ω3＝…ωi=…ωn，并且定義第i臺電機的跟蹤誤差：

式中：ωi（t）為第 i 臺電機的輸出速度；ω*（t）為第 i臺電機的設定速度。

根據相鄰交叉耦合控制思想，定義相鄰電機的同步誤差為

當系統啟動或遭受外部干擾，在正常情況下多個電機系統將產生較大的同步誤差時，只有當系統滿足 εi（t）→0條件時，所有電機的同步誤差收斂到零。根據上述誤差的定義，控制器可以設計為使誤差收斂趨于零，具體控制原理如圖4所示。

圖4 相鄰交叉耦合同步控制結構Fig.4 Adjacent cross-coupling synchronous control structure diagram

基于相鄰交叉耦合誤差的同步控制系統的優點是在啟動和停止階段的同步效果顯然相當出色，不足之處是如果系統中有一臺電機受到干擾，它糾正同步誤差的方式是只能依靠相鄰的電機逐個來影響其余的電機。

根據升降系統的控制特點，以及對比分析上述控制方案的優缺點，本文在相鄰耦合誤差控制算法基礎上進行改進，提出了加權耦合誤差控制算法。

2.2 基于加權交叉耦合的多電機同步控制算法

在實際控制系統中，樁腿會受到平臺不同作用力，故對電機設定了不同的權重，承受作用力大的電機設置高權重，反之作用力小的設置低權重。當高權重的電動機被干擾時，系統中的大多數電動機可以一起工作，以獲得更快的恢復速度；而當次要電機受到干擾時，只由少數電機來補償擾動[4]。

同步誤差ei*（t）定義為第i臺電機與與其它電機之間的誤差的加權求和：

式中：耦合系數p和q是正常數，p≠q。

式（3）可以很容易地重寫為

在矩陣A上進行等價變換，我們可以得到如下

的上三角矩陣

可以明顯地看到，當pn≠qn，A是一個滿秩矩陣。因此，我們可以得出結論，Aε=E有唯一解。當滿足 E=0n×1，有 ε＝0n×1，故多電機同步誤差漸近收斂到零。

系統中第i臺電機的速度控制量為

式中：ui0（t）為第i臺電機跟蹤誤差補償器輸出；（t）為第i臺電機的兩個同步誤差補償器輸出。

通過改善相鄰耦合同步控制方案，設定了每個電機之間的影響關系，針對不同權重的電機，采取了不同的控制參數。此方案既滿足了多個電機之間的同步，也增加了電機主從控制關系，系統控制框圖如圖5所示。

圖5 加權交叉耦合控制Fig.5 Weighted cross-coupling control diagram

3 仿真研究

根據平臺升降控制系統搭建3臺交流電機同步系統模型如圖6、圖7所示，基于加權相鄰耦合控制策略進行Simulink仿真驗證。針對同步效果進行了仿真實驗，并且在2 s時添加負載轉矩為80 N·M的擾動信號，加權相鄰交叉耦合控制曲線如圖8所示。

圖6 Vector Control原理Fig.6 Vector Control schematic diagram

圖7 加權交叉耦合仿真模型Fig.7 Weighted cross coupling simulation model

圖8 電機控制仿真曲線Fig.8 Simulation curves of motor control

Simulink仿真表明，升降系統采用基于加權相鄰耦合控制方法，在啟動階段速度能夠快速跟隨，不存在滯后問題，在出現干擾信號時，能夠快速抑制干擾信號，具有很好的抗干擾能力。綜上所述，基于加權相鄰耦合控制具有很好的起動性能和抗擾動性能，能夠較好地實現多電動機同步控制。

4 結語

通過對升降系統控制策略的研究分析，提出了相鄰耦合控制方式，解決了自升式平臺存在的多電機同步控制問題。并在此基礎上進行了改進，提出了加權交叉耦合控制方法的多電機同步控方案。

基于Matlab對加權耦合控制同步算法進行仿真研究，仿真結果表明：基于加權相鄰耦合同步控制方式具有更好的同步控制性能，更能滿足系統的控制要求。

參考文獻：

[1]齊繼陽，王凌云，李金燕，等.海洋平臺嵌入式升降控制系統的開發[J].機械設計與制造，2016（7）：142-145.

[2]萬雙妮.自升式海洋平臺升降系統監控方法及應用研究 [D].青島：中國石油大學，2012.

[3]何新霞.自升式海洋鉆井平臺升降系統多電機同步控制研究[J].電氣應用，2013（19）：54-57．

[4]谷雨，馬鉞.基于加權交叉耦合的多電機同步控制研究[J].電氣傳動，2016，45（9）：58-61.