基于嵌入式技術的輕小型落地抱桿自動控制系統研究

鄒 麒，張亦大，徐強

（國網江蘇省電力有限公司宿遷供電分公司，宿遷 223800）

輸電線路是電力企業提供電能供應的重要基礎設施[1]，國民經濟的蓬勃、高速發展，使得社會對電能需求量不斷擴大，這對架空輸電線路建設起到極大推動作用。特高壓輸電線路具有輸電能力強、輸送距離遠、土地占用低、線路損耗低等特點[2]，因此，在遠程、高容量電力輸送方面具有較高的應用性。在特高壓輸電線路雙回路鐵塔組立施工現場，普遍使用起重塔機等大型起重吊裝設備或內懸浮外拉線加人字抱桿等，前者雖具備較高的機械化水平以及穩定性[3]，但由于特高壓輸電線路雙回路鐵塔組立施工環境惡劣，增加了設備的搬運難度的同時，降低了施工作業效率；后者雖解決了運輸難度高的問題，但該抱桿起升風險較大，且其可承受的起吊重量難以滿足特高壓輸電線路雙回路鐵塔組立要求[4-6]。利用嵌入式技術設計具有高智能性與集成性的輕小型落地抱桿對降低特高壓鐵塔組立施工難度具有重要意義[7]。輕小型落地抱桿的運行狀態直接影響特高壓組塔施工效果，為提高其作業性能，降低故障發生率，不可避免要對其進行自動化控制[8-10]。

本文研究基于嵌入式技術的輕小型落地抱桿自動控制系統，通過對起升、回轉、變幅動作調頻速度以及吊鉤負載轉矩補償的精準控制，提高特高壓組塔施工效果。

1 輕小型落地抱桿自動控制系統

1.1 輕小型落地抱桿結構原理

本文研究的輕小型落地抱桿為雙動臂塔基式抱桿，其結構中含有塔頂，利用軟拉索或拉桿將其與吊臂相連，輕小型落地抱桿結構如圖1 所示。吊臂起吊重物時，塔頂主弦桿在荷載作用下會發生不同程度的形變，對其變形程度進行測量即可實現吊裝彎矩的確定。將力矩限制器安裝在塔頂主弦桿上，便可得到左、右吊臂起吊重物后的力矩測量值。輕小型落地抱桿在運行過程中，因吊裝、卸載與變幅動作難以滿足同時、同步性，將造成輕小型落地抱桿左右吊臂力矩的不平衡，左右吊臂的不平衡力矩之差高于給定閾值后，則驅動輕小型落地抱桿控制系統進行主副鉤負載轉矩補償控制。

圖1 輕小型落地抱桿基本結構圖Fig.1 Basic structure of light and small landing pole

1.2 嵌入式主控制器設計

嵌入式主控制器中包含4 塊電路板，其中主控板是其核心部分，具有信息處理、下達指令、協調其他電路板等關鍵硬件和軟件功能，母板是支撐和連接所有電路板的組件，脈沖寬度調制板負責生成和控制脈沖寬度調制信號，選件板提供傳感器接口等輔助功能。各電路板之間通過并行總線實現信息的交互，有利于數據傳輸效率的有效提升。嵌入式主控制器不僅具有較低的空間占用率與突出的板卡集成性能，還包含豐富的數據接入端口，以滿足輕小型落地抱桿控制要求[11]。嵌入式主控制器結構如圖2 所示。

圖2 嵌入式主控制器結構圖Fig.2 Embedded master controller structure diagram

1.3 輕小型落地抱桿變頻調速控制流程

輕小型落地抱桿的起升、回轉、變幅動作都可實現變頻調速控制，以滿足特高壓輸電鐵塔組立施工過程對吊裝速度的要求，同時確保空鉤以理想速度升降。輕小型落地抱桿變頻調速控制流程如圖3所示。輕小型落地抱桿控制系統開啟時，利用LCD界面對其啟動狀態進行可視化呈現，并以振鈴方式提示工作人員輕小型落地抱桿已準備就緒，首先對輕小型落地抱桿的運行狀態參數進行監測，判斷其是否處于正常狀態，當存在異常時，發出預警信息并解決其異常問題，當輕小型落地抱桿正常啟動后，對起升機構的起升速度以及吊裝物的重量進行檢測，將吊裝重量作為速度控制依據，按照輕小型落地抱桿程序流程并利用以太網將遠程控制中心的控制指令傳輸給嵌入式主控制器。

圖3 輕小型落地抱桿變頻調速控制流程Fig.3 Frequency conversion speed control flow chart of light and small landing pole

1.4 基于嵌入式技術的輕小型落地抱桿自動控制系統框架

基于嵌入式技術的輕小型落地抱桿自動控制系統框架如圖4 所示。

圖4 嵌入式的輕小型落地抱桿自動控制框架Fig.4 Embedded light and small automatic control frame of the landing pole

（1）基礎數據單元。該單元利用不同類型傳感器實現輕小型落地抱桿運行數據的采集。

（2）控制單元。利用CAN 總線與輕小型落地抱桿各工作機構變頻器等建立數據傳輸通信，實現控制信息的交互與共享。當嵌入式主控制器接收到來自控制盒的動作申請信息后，依據已規劃好的控制策略，采取邏輯與計算方式將其發送給各變頻器、電機及制動器，控制吊鉤以及各小車完成升降、行車等動作。

（3）通信單元。作為控制單元與遠程控制中心的連接紐帶，利用以太網實現控制信息的通信與交互。

1.5 基于參數自適應模糊PID 的吊鉤負載轉矩補償控制

1.5.1 模糊PID 控制器設計

模糊PID 是一種非線性控制算法，它不是直接以誤差和誤差變化率作為輸入，而是利用模糊規則進行模糊推理，通過查詢模糊矩陣表完成參數的調整，具有穩定度高、魯棒性好的優勢。因此，本文提出基于模糊PID 的吊鉤負載轉矩補償控制方法，以避免不平衡轉矩問題引發的輕小型落地抱桿故障問題。圖5 所示為模糊PID 控制器原理圖。

圖5 模糊PID 控制器原理圖Fig.5 Principle diagram of fuzzy PID controller

1.5.2 基于粒子群算法的模糊PID 控制

粒子群算法（PSO）是一種智能優化算法，算法思想源于鳥群捕食行為[12]。在PSO 中，每個個體的移動方向與距離取決于其位置與運行速度，在反復迭代過程中實現最優個體的搜索。本文采用粒子群算法對模糊PID 控制參數Kp、Ki、Kd進行優化，以提高輕小型落地抱桿控制系統的控制精度。基于PSO的模糊PID 控制參數優化流程如圖6 所示。

圖6 基于PSO 的模糊PID 控制參數優化流程Fig.6 Flow chart of fuzzy PID control parameter optimization based on PSO

2 實驗結果與分析

以應用于某特高壓組塔施工中的輕小型落地抱桿為實驗對象，在下述實驗環境中進行本文系統的搭建。操作系統為Windows10.0，采用八核CPU 處理器，工作頻率為4.2 GHz，內存64 GB。將本文系統應用于該輕小型落地抱桿的自動化控制中，對其起吊重量、高度、轉矩等實時運行狀態數據進行采集，數據采集周期為10 s，通過對其進行分析，驗證本文系統的控制效果。

控制參數對輕小型落地抱桿吊鉤負載轉矩補償控制效果具有直接影響，通過對比分析控制參數優化后的平均適應度曲線與最優適應度曲線的差異，實驗結果如圖7 所示。分析圖7 可知，對模糊PID 控制器參數進行在線優化整定后，隨著進化次數的不斷增大，平均適應度值呈逐漸減小規律變化，平均適應度曲線走勢平緩，波動起伏小，經過50次進化后，適應度值降至最低，最終穩定在1.0。平均適應度曲線與最優適應度曲線基本保持相同的走勢規律，二者貼合度極高。實驗結果表明，模糊PID 控制器控制參數優化效果突出，有利于輕小型落地抱桿吊鉤負載轉矩補償控制效果的提升。

圖7 控制參數優化效果分析Fig.7 Analysis of optimization effect of control parameters

應用本文系統對2 種工況下的輕小型落地抱桿進行負載轉矩補償控制，并與傳統PID 控制結果進行對比，通過對信號的階躍響應曲線進行分析，研究本文系統的控制效果，實驗結果如圖8 所示。分析圖8 可知，采用傳統PID 控制算法對輕小型落地抱桿進行吊鉤負載轉矩補償控制，在轉動力矩為75%的工況下，信號階躍響應曲線在控制初期表現出劇烈波動，曲線平滑度低，75 s 后曲線逐漸開始趨于穩定；轉動力矩為50%工況下的控制效果優于75%工況，60 s 后曲線呈現平穩走勢規律，曲線波動幅度減緩。本文系統采用參數自適應模糊PID 控制器對50%、75% 2 種工況吊鉤負載轉矩進行補償，取得了突出的控制效果，信號階躍響應曲線走勢更平穩，抖動更小，控制時間分別為10 s、35 s，超調量更小。

圖8 信號階躍響應結果對比Fig.8 Comparison of signal step response results

轉動力矩為50%工況下，應用本文系統對輕小型落地抱桿進行自動化控制，通過對比分析控制前后模擬電壓輸出波形差異，驗證本文系統的控制效果，實驗結果如圖9 所示。分析圖9 可知，轉動力矩為50%工況下，模糊PID 控制前的輕小型落地抱桿變頻器模擬電壓輸出波形呈現出較高的波動性，曲線不平滑，特別是波峰波谷位置處波動的劇烈程度較高；完成抱桿吊鉤負載轉矩補償控制后，輸出的模擬電壓曲線走勢穩定、平滑度高，力矩不足引起的振蕩問題得到有效控制。實驗結果表明，本文系統可實現輕小型落地抱桿吊鉤負載轉矩補償控制，控制效果突出。

圖9 控制前后模擬電壓輸出波形差異對比Fig.9 Comparison of analog voltage output waveform difference before and after control

輕小型落地抱桿是特高壓組塔施工中的重要設備，本文選取多個施工指標用于特高壓組塔施工效果衡量，實踐證明，通過對輕小型落地抱桿進行自動化控制，在實現特高壓輸電線路鐵塔組立的同時，也能提高特高壓組塔施工效率，降低施工難度、施工風險以及成本，另外，也放寬了對操作人員的技能要求，本文系統具有實際應用性，并可取得突出的施工效果。

3 結語

研究基于嵌入式技術的輕小型落地抱桿自動化控制系統，通過對比分析吊鉤負載轉矩補償控制結果、控制參數優化結果等，驗證本文系統的實際應用性，實驗結果表明，該系統可實現輕小型落地抱桿自動化控制，控制后的階躍響應曲線平滑、控制時間短、超調量小；輸出的模擬電壓波形走勢平穩，不存在振蕩問題；特高壓組塔施工效果突出。