二次控制波浪補(bǔ)償絞車系統(tǒng)的建模與仿真

李欣一，楊 毅，馬建偉，張 濤

（1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)第三軍事代表室，上海 200031；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

二次控制系統(tǒng)是通過直接控制其核心元件的，二次控制單元的排量進(jìn)行補(bǔ)償作業(yè)，二次控制單元可將工作機(jī)構(gòu)的制動(dòng)動(dòng)能和重力勢(shì)能進(jìn)行回收與重新利用，具有響應(yīng)快和能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。其核心元器件二次控制單元相比較交直流伺服或變頻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、慣量小和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)上還可以連接多個(gè)互不相關(guān)的負(fù)載，在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的二次元件上直接控制其轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率，尤其在重載大功率設(shè)備上，可有效降低整機(jī)的裝機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能[4-5]。二次控制單元與電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 二次控制單元與電機(jī)性能對(duì)比表

鑒于二次控制單元具有響應(yīng)快、高精度和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，本文即以二次控制單元為核心搭建二次控制波浪補(bǔ)償絞車系統(tǒng)，并對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行研究。

1 二次控制波浪補(bǔ)償系統(tǒng)組成及原理

二次控制波浪補(bǔ)償絞車系統(tǒng)主要由高壓恒壓源、低壓恒壓源、蓄能器、二次控制單元（包括變量液壓缸和馬達(dá)本體）、絞車和負(fù)載組成，絞車經(jīng)導(dǎo)向輪系掛接載荷，由液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力源，控制臺(tái)上的手柄及人機(jī)界面操作絞車下放載荷，當(dāng)載荷下放到與平臺(tái)或地面到達(dá)一定距離時(shí)，開啟主動(dòng)波浪補(bǔ)償模式，由檢測(cè)裝置檢測(cè)載荷與接收平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并將信號(hào)傳輸給PLC模塊，由PLC模塊經(jīng)解算給出控制信號(hào)至二次控制單元和液壓系統(tǒng)，液壓二次控制單元一端與高壓恒壓源連接，另一端與低壓恒壓源連接，兩端恒壓源均配有蓄能器，通過調(diào)整二次控制單元的排量，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的電液閉環(huán)位置、速度或扭矩控制，并實(shí)現(xiàn)能源回收的功能，達(dá)到減少裝機(jī)功率的目的，系統(tǒng)組成圖見圖1。

圖1 二次控制主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)組成圖

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，本文以5 t絞車為補(bǔ)償對(duì)象，研究補(bǔ)償系統(tǒng)在3級(jí)海況下的波浪補(bǔ)償情況，輸入?yún)?shù)見表2。

表2 輸入?yún)?shù)表

續(xù)表2：

根據(jù)以上的輸入?yún)?shù)，經(jīng)計(jì)算初步確定二次控制波浪補(bǔ)償絞車系統(tǒng)主要參數(shù)見表3。

表3 系統(tǒng)主要參數(shù)表

2 二次控制波浪補(bǔ)償系統(tǒng)仿真研究

2.1 仿真模型的搭建

通過AMESim軟件建立了二次控制波浪補(bǔ)償控制模型見圖2。仿真模型由帶蓄能裝置的動(dòng)力模型、液壓缸流量位移仿真子模型、二次單元負(fù)載模型以及信號(hào)控制模型組成。2個(gè)帶蓄能器的泵源為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，由信號(hào)控制模塊按照海況給出波浪的信號(hào)，該信號(hào)傳輸?shù)絇ID控制模塊，傳感器采集到的二次單元轉(zhuǎn)速信號(hào)也傳輸?shù)絇ID控制模塊，由PID控制模塊經(jīng)解算給出信號(hào)控制電磁換向閥的啟閉，控制變量油缸的動(dòng)作，變量油缸動(dòng)作控制馬達(dá)本體的排量，馬達(dá)本體的排量控制絞車的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)絞車作收/放繩的動(dòng)作，最終達(dá)到二次控制單元輸出轉(zhuǎn)速與信號(hào)模塊輸入信號(hào)相匹配，以完成系統(tǒng)的波浪補(bǔ)償功能。

圖2 二次控制波浪補(bǔ)償系統(tǒng)模型

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

主要仿真參數(shù)見表4，結(jié)合表1中二次控制波浪補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)及圖2中相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置。

表4 二次控制波浪補(bǔ)償轉(zhuǎn)速模型仿真參數(shù)

續(xù)表4：

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 二次控制波浪補(bǔ)償轉(zhuǎn)速仿真

在圖2的波浪補(bǔ)償仿真模型中，給定輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，觀察二次控制單元的軸轉(zhuǎn)速輸出信號(hào)的變化情況。

圖3為二次單元的軸轉(zhuǎn)速輸出曲線，根據(jù)轉(zhuǎn)速曲線可以看出，二次控制單元在蓄能器剛開始充能時(shí)有1.1 s的響應(yīng)延遲以及超調(diào)現(xiàn)象，之后轉(zhuǎn)速逐漸收斂。蓄能器充能結(jié)束后，速度給定信號(hào)輸入轉(zhuǎn)為正弦信號(hào)，在信號(hào)轉(zhuǎn)換的過程中，轉(zhuǎn)速曲線平滑、穩(wěn)定、收斂，且轉(zhuǎn)速達(dá)到了2 000 r/min，滿足二次元件真實(shí)工況的使用要求。

圖3 二次控制波浪補(bǔ)償轉(zhuǎn)速仿真模型轉(zhuǎn)速曲線

圖4為二次單元軸轉(zhuǎn)速輸出與正弦輸入信號(hào)對(duì)比曲線圖，可以看出二次控制單元的輸出轉(zhuǎn)速與輸入信號(hào)基本重合。除去在蓄能器充能階段有一個(gè)1.1 s的響應(yīng)延遲與超調(diào)現(xiàn)象外，之后的183 s內(nèi)，二次單元軸轉(zhuǎn)速與輸入信號(hào)基本上完全跟隨，響應(yīng)較好。由仿真曲線可知：在轉(zhuǎn)速控制階段，二次單元軸轉(zhuǎn)速與輸入信號(hào)基本重合，在正弦信號(hào)的峰值時(shí)，有超調(diào)現(xiàn)象，超調(diào)誤差約為2.3%，精度在97.7%左右，具有較高的補(bǔ)償精度。

圖4 二次控制波浪補(bǔ)償轉(zhuǎn)速仿真模型轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

2.3.2 二次控制波浪補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩仿真

在0 s～264 s的時(shí)間段內(nèi)，與前文轉(zhuǎn)速控制階段一致，在264 s～300 s的時(shí)間段內(nèi)，將仿真系統(tǒng)的控制模式改為轉(zhuǎn)矩控制階段，運(yùn)動(dòng)控制器通過開關(guān)S1接入扭矩給定信號(hào)，控制器開關(guān)接扭矩PID控制器，反饋信號(hào)接扭矩傳感器。扭矩輸入信號(hào)K2設(shè)為定值363 null。

如圖5所示，蓄能器充能階段、轉(zhuǎn)速控制階段、轉(zhuǎn)矩控制階段的響應(yīng)效果均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，幾乎無超調(diào)或響應(yīng)延遲現(xiàn)象，響應(yīng)曲線跟隨較好。

圖5 二次控制波浪補(bǔ)償系統(tǒng)模型反饋跟隨響應(yīng)曲線

蓄能器充能階段，在0～1.1 s時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋響應(yīng)信號(hào)有微小的系統(tǒng)波動(dòng)，之后趨于穩(wěn)定，且與輸入信號(hào)基本重合，不影響仿真結(jié)果[6]。在184 s時(shí)，蓄能器沖壓完成后定值信號(hào)切換為正弦信號(hào)時(shí)，反饋信號(hào)，曲線平滑，穩(wěn)定跟隨、無明顯的超調(diào)或延遲現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速補(bǔ)償仿真精度在96.5%以上，達(dá)到仿真要求。當(dāng)轉(zhuǎn)速控制切換為轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，系統(tǒng)有輕微的超調(diào)現(xiàn)象，但很快趨于收斂，跟隨穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)姆抡婢仍?7%以上。綜上，二次控制波浪補(bǔ)償系統(tǒng)模型符合設(shè)計(jì)要求。

2.3.3 蓄能器充能情況仿真研究

高壓蓄能器的容量較大，壓力較高，蓄能器需要一段充能時(shí)間，見圖6。

圖6 高壓蓄能器壓力圖

蓄能器充滿大概需要139 s，蓄能器保壓穩(wěn)定在30 MPa左右。184 s時(shí)，輸入信號(hào)切換為正弦輸入信號(hào)，二次控制元件開始工作，蓄能器壓力隨著輸入信號(hào)在29.1 MPa～30 MPa波動(dòng)，蓄能器壓力最低為29 MPa。可知蓄能器充能完成后的壓力與系統(tǒng)工作壓力基本一致，驗(yàn)證了液壓泵以及蓄能器計(jì)算選型的正確性。

3 二次控制主動(dòng)波浪補(bǔ)償絞車系統(tǒng)節(jié)能效果分析

3.1 采用二次控制單元+蓄能器系統(tǒng)所需的裝機(jī)功率

1）主泵

主泵流量應(yīng)同時(shí)滿足以下2個(gè)條件：（1）滿足常規(guī)起升時(shí)的馬達(dá)流量需求；（2）滿足補(bǔ)償工況時(shí)的高壓蓄能器的流量損失。

由第1章節(jié)可知，常規(guī)起升時(shí)馬達(dá)所需流量約為Qhp=33.72 L/min。補(bǔ)償工況時(shí)高壓蓄能器的流量損失為1個(gè)周期內(nèi)進(jìn)出馬達(dá)的油液體積差，則流量需求可計(jì)算為

式中：Vahc,up為補(bǔ)償時(shí)馬達(dá)進(jìn)油體積，L，取值為9.08 L；Vahc,down為補(bǔ)償時(shí)馬達(dá)出油體積，L，取值為6.15 L；T為補(bǔ)償周期，s，取值為8 s；Qhp為主泵所需提供流量，L/min。

補(bǔ)償時(shí)的Qhp＝22 L/min。在常規(guī)起升時(shí)馬達(dá)所需流量和補(bǔ)償時(shí)高壓蓄能器損失流量二者間取大值，則主泵所需提供流量不低于33.72 L/min。

則主泵功率可計(jì)算如下：

式中：Qhp為主泵所需提供流量，L/min；php為常規(guī)工況時(shí)工作壓力，MPa，取值為30 MPa；ηhp為高壓泵效率，取值為0.88；Php為主泵應(yīng)滿足的功率，kW。計(jì)算可得：Php＝19.2 kW。

2）補(bǔ)油泵流量

由于在整個(gè)補(bǔ)償周期中，低壓區(qū)的流量是富裕的，因此在補(bǔ)償工況時(shí)，對(duì)補(bǔ)油泵的流量基本無要求。補(bǔ)油泵的流量只需要滿足在常規(guī)下降時(shí)的馬達(dá)流量需求即可。計(jì)算如下：

式中：Qlp為補(bǔ)油泵流量，L/min；plp為補(bǔ)油泵工作壓力，MPa，取值為2.5 MPa；ηlp為低壓泵效率，取為0.85；Plp為補(bǔ)油泵功率，kW。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)及式（4）計(jì)算可得：Plp＝1.55 kW。則系統(tǒng)所需的裝機(jī)功率為二次控制單元P=Plp+Php，P=20.75 kW。

3.2 采用普通馬達(dá)系統(tǒng)所需的裝機(jī)功率

為便于對(duì)比，將普通馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絞車系統(tǒng)中的減速機(jī)等機(jī)構(gòu)與二次控制單元驅(qū)動(dòng)絞車系統(tǒng)中的機(jī)構(gòu)保持一致，區(qū)別在于普通馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絞車系統(tǒng)無法配置蓄能器，不具備能量回收功能。

則根據(jù)第1 章節(jié)可知，系統(tǒng)所需的最大流量為收繩補(bǔ)償時(shí)的平衡點(diǎn)流量Q=213.9 L/min，取系統(tǒng)工作壓力P為30 MPa，則據(jù)此可計(jì)算出普通馬達(dá)系統(tǒng)所需的最大功率：P普通馬達(dá)=125.82 kW。則根據(jù)以上計(jì)算可知：節(jié)能η為0.84。

采用二次控制單元+蓄能器驅(qū)動(dòng)絞車的補(bǔ)償系統(tǒng)相比較于采用普通馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絞車的補(bǔ)償系統(tǒng)，節(jié)能效果很好，可達(dá)到84%的節(jié)能效率。

4 結(jié)論

1）本文通過搭建二次控制主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的閉環(huán)控制仿真模型，對(duì)主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制仿真研究，經(jīng)仿真研究可知：系統(tǒng)選擇PID控制策略，合理配置參數(shù)，二次控制主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的精度可達(dá)到95%以上，可為后續(xù)樣機(jī)研制提供理論基礎(chǔ)。

2）通過對(duì)比二次控制波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的功率與普通馬達(dá)補(bǔ)償系統(tǒng)的功率，定量得出二次控制波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的節(jié)能效果，可為后續(xù)樣機(jī)研制提供理論基礎(chǔ)。