基于下游大水位變率的下水式垂直升船機隨動技術的設計與實現

徐揚帆，路明明，李 彬，鄭 超

基于下游大水位變率的下水式垂直升船機隨動技術的設計與實現

徐揚帆1，路明明1，李 彬2，鄭 超1

（1.中國船舶重工集團武漢船舶工業有限公司，武漢 430022；2.武漢長海高新技術有限公司，武漢 430223）

下游航道水位變率大，快速適應水位變化的準確停位隨動技術，對下水式升船機的傳動控制很重要。本文介紹下水式垂直升船機隨動控制技術。首先，對控制對象的特性進行分析，描述了系統的速度運行曲線，對位置控制功能進行了研究。然后，搭建試驗平臺對本控制方案的性能進行了測試，給出了測試的方法和試驗結果。實驗結果表明本控制系統具有定位精度高、響應速度快等優點，能夠適應下游大水位變化率的下水式垂直升船機準確停位要求。

下水式升船機 大水位變化率 準確停位隨動技術

0 引言

目前國內垂直升船機大致分為全平衡鋼絲繩卷揚垂直提升、下水式鋼絲繩卷揚垂直提升和全平衡齒輪齒條爬升等幾種形式。下水式升船機其船廂可以直接進入水中，可以根據航道水位變化尋找減速點和停位點。升船機的運行要求停位時船廂內的標準水位和上、下游的水位一致。在船廂運行的各個階段，航道水位是變化的，變幅和變率也可能較大，船廂運行的目標位置（上、下游水位）應根據水位實時變化。針對下水式船廂動態控制，開展船廂減速停位檢測等相關科學問題的研究，具有重要意義。

1 跟隨水位變化準確停位控制技術研究

1.1 控制對象特性分析

下水式升船機航道水位波動較大，而船廂水位與航道水位對接時水位差有一定的要求。卷筒造成的鋼絲繩偏移在高行程的升船機中已不可忽視，在對位階段對電氣傳動行程計算提出了很高要求，需要更好的隨動控制特性，并糾正此前因鋼絲繩卷筒當前繩槽轉動到接近到兩側鋼絲繩偏離垂直角度最大所造成的行程誤差，快速適應水位變化的隨動技術快速跟蹤水位變化，找到最佳停機點。

為了糾正由于傳動機構間隙，結構變形等原因引起的位置誤差，在上游方位上安裝了四個接近限位開關（B0-B4，），當接近限位開關（B0-B1）動作時，船廂實際位置強制被糾正為預設定位置值，避免位置誤差對定位精度的影響。由于入水式升船機在下游方位上無法安裝接近限位開關且水位變率快，原控制方法無法滿足需求。

1.2 速度運行曲線

下水式升船機在入水前需要減速，再進入水中低速運行，按S型速度圖運行，使船廂具有位置低速微調運行功能，能動態適應上下游水位的變化。使系統速度為零，承船廂停位，保證系統停機的平穩無沖擊，并且升船機實現準確的定位。研究閉環位置控制（動態位置控制技術），電流/轉矩環、速度環三閉環控制，提高位置控制精度。與上下游水位對接時，能使承船廂按S型速度圖運行，具有船廂位置低速微調運行功能，能動態適應航道游水位的變化。

如圖1所示，常規小慣量系統中，采用簡單的斜坡控制來調整加速度（加速度變化率通常非常大）通常能滿足要求。而升船機剛性連接的驅動系統是一個大慣性多變量耦合系統，所以系統選用如下圖右所示的S形曲線，可以非常平滑的控制加速度和加速度變化率，極大地減輕系統的沖擊，保證系統運行的穩定性，同時避免對精確定位的影響。

圖1 速度運行曲線

1.3 位置控制技術研究

本方案中不采用變頻器的斜坡函數發生器輸出作為速度環速度的給定值；而是在其它控制器中設計一個速度信號給定發生器，一個完整的運行過程應該是一條S形速度曲線圖。根據升船機船廂的當前高度、運行前的目標位置（根據實時水位的變化）、位置控制器速度補償值和設定的運行速度產生運行當前時刻的升船機船廂的運行速度，并實時傳送給正在運行的傳動裝置作為速度給定。

這個發生器的工作可以由正常停機命令、快速停機命令、緊急停機命令改變運行運算條件，從而生成相應的運行曲線、停機曲線或中斷運行。由于系統長期運行可能的系統誤差和傳動機械固有誤差，故控制系統需要有精確動態校準功能，以保證控制系統內基準與外部事實基準一致。精確定位開始后，系統實時采集主站實際位置反饋信號，并與目標定位位置送入現地控制單元最優運行軌跡，控制加減速及位置差補，形成精確定位控制。位置控制原理圖如圖2所示。

圖2 位置控制原理圖

本控制方案中涉及三個位置，分別是實際船廂位置、設定目標位置和積分位置；當任意兩個位置的差值趨近于零時，表明驅動電機轉速趨近于零時且位置偏差也為零，即實現了準確停位。在準確停位過程中，若出現速度趨近于零但位置偏差不為零；或位置偏差趨近零時，速度不趨近于零時，需優化位置控制器PI參數、積分時間參數。

在運行過程中，由于外界環境易導致目標位置水位發生變化（即運行行程變大），可分為二種情況討論：

1）若傳動裝置各電機在減速點前出現目標位置增大，則此狀態和沒減速前狀態一致；

2）若傳動裝置各電機在減速點后出現目標位置發生變化，當開方器輸出的速度給定值大于速度設定值時，各傳動裝置電機會出現加速或勻速運行，由于在減速區間段外界目標位置變化率小于電機運行位置變化率，因此直至開方器輸出的速度給定值小于速度設定值后開始減速。

船廂運行在空氣中時，速度曲線運行在A-B-C曲線段。船廂入水前需減速，即從C點開始減速，對應C-y-D曲線段。入水后按照指定入水運行速度開始運行，對應曲線D-E段。

船廂在運行過程中，目標位置能實時跟隨上下游水位實時變化。從控制原理圖2可知：當傳動裝置在減速點E前，由于積分的位置與實際目標位置的絕對值經開方器輸出的速度值（對應圖2的X-E曲線段）大于速度的設定值，此時選擇器輸出的值為速度的設定值，經斜坡函數發生器后輸出值作為各傳動裝置的速度給定值，故船廂按照入水后的正轉速度設定值或反轉速度設定值運行，如圖2的D-E曲線段。當積分的位置與實際目標位置的絕對值經開方器輸出的速度值小于速度的設定值，此時選擇器輸出的值為開方器的輸出值，速度曲線為E-z-F曲線段。

因此船廂的運行曲線由二段曲線ABCYDE與xEZF合成而成。

2 技術方案論證

2.1 試驗平臺構建

（1）試驗設備型號

“適應下游大水位變率的下水式船廂動態控制技術”試驗樣機主要器件包括現地控制柜低壓器件、可編程邏輯控制器（西門子S7-400PLC）、交流變頻傳動裝置（采用VLT丹佛斯(Danfoss)公司FC302系列矢量控制變頻器）、三相交流異步電機、測速編碼器等設備組成。

（2）電機位置換算減速齒輪箱、機械同步軸系統等設備參數為參考，結合試驗電機銘牌為原則，構建的電機位置換算關系如下：

1）試驗電機轉速：1465轉/分；配增量型脈沖編碼器：1024脈沖/轉

2）齒輪箱減速比：1519.9

3）轉筒直徑：4米；轉筒周長：12.5664米

因此；電機實際位置（船廂實際位置）等于脈沖數*12.5664/1519.9/1024。

（3）測試軟件

運用Autem PLC-ANALYZER軟件采集記錄電機的速度數據波形，采樣周期20毫秒。

2.2 試驗分析

2.2.1下游航道水位持續增加模擬試驗

（1）試驗方法

1）設置運行參數。電機運行速度739轉/分、船廂初始位置0米、下游水位值14米（目標位置）、下游水位變化率300 厘米/4分鐘；

2）試驗分析

從記錄的試驗波形可知：船廂實際位置是15.713米處電機開始按照設定減速度開始減速，此時下游水位值是16.461米、下游水位變化值為246.057厘米。由于下游水位值（目標位置）在持續增加，且變化率比較大，因此電機速度只減速到（約）106轉/分恒速運行。只有當下游水位值接近恒定或變化量很小時，電機再次開始減速至零，此時船廂實際位置與下游水位值偏差-4毫米。

3）試驗波形

圖3 適應下游大水位變化率的下水式船廂試驗波形

2.2.2下游水位持續減少模擬試驗

1）設置運行參數: 電機運行速度739轉/分、船廂初始位置0米、下游水位值17米（目標位）、下游水位變化率-300厘米/4分鐘；

2）試驗分析

從記錄的試驗波形可知：船廂實際位置是14.429米處電機開始按照設定減速度開始減速，此時下游水位值是14.805米、下游水位變化值為-219.507厘米。由于下游水位值（目標位）在持續減小，且變化率比較大，因此控制好減速度避免出現船廂實際位置比下游水位值大得過多顯得非常重要。

從波形上可以看出，電機轉速開始反向加速，反向速度最大（-142轉/分）時船廂實際位置（14.681米）與下游水位值（14.627米）偏差負向最大，隨后電機反向加速到（約）106轉/分恒速運行。只有當下游水位值接近恒定或變化量很小時，電機再次開始減速至零，此時船廂實際位置與下游水位值偏差2毫米。

3）試驗波形，如圖4所示。

圖4 適應下游大水位變化率的下水式船廂試驗波形

3 結論

本文對下游大水位變化率的下水式垂直升船機準確停位、快速適應水位變化的隨動技術進行了研究，選取通用變頻器丹佛斯FC302及西門子S7-400PLC控制器搭建試驗平臺，通過試驗記錄的波形可知：本控制系統具有定位精度高、響應速度快等優點，能夠適應下游大水位變化率的下水式垂直升船機準確停位要求。

[1] 李彬, 譚明波, 翁晨雷. 三峽升船機傳動控制系統電氣行程同步性能測試[J]. 船電技術, 2014, 34(7): 27-29.

[2] 劉紅兵. 升船機主拖動系統性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2003.

[3] 秦雅嵐, 唐勇, 王偉. 垂直升船機多軸多電機機械同步力矩均衡控制技術的研究與應用[J]. 中國水運, 2011, 11(1): 106-108.

[4] 馬小亮, 蔣琪, 等. 升船機交流主拖動系統幾個特殊問題的研究[J]. 電力電子技術, 2000, 5.

Design and Realization of Follow-up Technology of Submerge Chamber Ship Lift Based on Large Variation of Downstream Water Level

Xu Yangfan1, Lu Mingming1, Li Bin2, Zheng Chao1

(1. China Shipbuilding Industry Group Wuhan Shipbuilding Industry Co., Ltd, Wuhan 430022, China；2. Wuhan Great Sea Hi Tech Co., Ltd, Wuhan 430223, China)

TP273

A

1003-4862（2021）10-0048-04

2020-12-16

國家重點研發計劃“重大水利樞紐通航建筑物建設與提升技術”（課題編號：2016YFC0402002）

徐揚帆（1985-），男，工程師。研究方向：電力電子與電氣傳動。E-mail: libin1979121@163.com