錢 微，張 俊

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 重慶 400054)

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翻車機(jī)C形架位置與速度的Matlab控制仿真研究

錢 微，張 俊

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 重慶 400054)

以翻車機(jī)為控制對象，研究了時變慣性系統(tǒng)的多目標(biāo)測控問題。用測速傳感器得到系統(tǒng)的加速度和位置的實(shí)時量，從而建立起以控制給定為基準(zhǔn)的可預(yù)估智能控制器，為變頻器控制時變慣性對象的運(yùn)動速度與位置提供準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)。Matlab仿真結(jié)果驗證了該方法的有效性。

時變慣性；翻車機(jī)；預(yù)估

翻車機(jī)是一種大型自動卸車系統(tǒng)，可翻卸鐵路散貨車所裝載的散粒物料，廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、港口、冶金、煤炭等領(lǐng)域。

翻車機(jī)卸車系統(tǒng)主要由“C”形折返式卸車和配套工藝設(shè)備組成。翻車機(jī)“C”形架對重車倒料停車位和空車對軌位的位置精度要求較高，同時在這兩個位置上希望速度為0。

目前，在翻車機(jī)控制中普遍采用變頻器。以多段速控制[1]調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在停車段做慣性運(yùn)動，并輔以液壓推桿式抱閘在停車點(diǎn)制動、定位。這種控制方案能實(shí)現(xiàn)工藝工序的主要目標(biāo)。但在控制效果上暴露出兩大問題[2]：其一，到停車點(diǎn)時，C形架轉(zhuǎn)速不為零，一部分動能通過抱閘摩擦生熱消耗掉，另一部分由抱閘階躍制動引發(fā)的C形架激烈振動散失。特別是對軸承等傳動部件的沖擊明顯，對設(shè)備、設(shè)施帶來不利的影響。其二，這種控制在生產(chǎn)中還表現(xiàn)為停車位對位不準(zhǔn)，從而引發(fā)列車脫軌和設(shè)施設(shè)備損壞等生產(chǎn)事故。

在翻車機(jī)作業(yè)過程中，由于C形架圓周運(yùn)動和物料狀態(tài)的變化使整個C形架處于一個慣性時變的過程中。在實(shí)際生產(chǎn)中存在較多具有此特點(diǎn)的系統(tǒng)，同時實(shí)現(xiàn)對該種時變慣性系統(tǒng)端點(diǎn)位置和速度的多目標(biāo)測控具有非常重要的技術(shù)價值和工程意義。

1 系統(tǒng)作業(yè)過程分析

目前翻車機(jī)控制系統(tǒng)由單臺或兩臺變頻器對C形架實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制。抱閘用于制動和C形架定位。系統(tǒng)翻卸效率為20～25 輛/h。額定翻轉(zhuǎn)重量為100 t。最大翻轉(zhuǎn)重量為140 t。翻車機(jī)采用2臺8極變頻電動機(jī)，其額定功率55 kW。C形架最大回轉(zhuǎn)角175°為超限停車位，正常卸車時回轉(zhuǎn)角為165°。在空車返回距零位27°時，使返回速度降至額定速度的1/6，此后系統(tǒng)慣性運(yùn)動，以減小抱閘在停機(jī)時的機(jī)械沖擊?；剞D(zhuǎn)速度n<1 r/min。通過安裝在C形架上的接近開關(guān)和光電對射式傳感器實(shí)現(xiàn)角度和位置的檢測[3]。

如圖1所示，如果在系統(tǒng)檢測中增加測速傳感器，測得C形架的實(shí)時轉(zhuǎn)速，并將上述信號反饋回控制系統(tǒng)就可以構(gòu)建對C形架的智能預(yù)估位置與速度控制算法，從而實(shí)現(xiàn)零速精確定位控制目標(biāo)，以優(yōu)化設(shè)備的控制。

圖1 系統(tǒng)信號流程

翻車機(jī)C形架在整個重車卸車和空車返回過程中最大的特點(diǎn)就是質(zhì)量及質(zhì)量分布實(shí)時變化，特別是這種慣性變化呈現(xiàn)出散料下卸過程中固有的不規(guī)則性和沖擊性，這就給電機(jī)的轉(zhuǎn)速及力矩控制帶來了嚴(yán)重問題。這一點(diǎn)從式(1)(2)可以看出。

(1)

(2)

其中:f(t)為作用力；l(t)為折算到作用端的距離；m(t)為車輛質(zhì)量。

在重車卸車過程中，質(zhì)量m(t)會不規(guī)則減少，空車返回時不變。l(t)在重車和空車時均會因質(zhì)量分布的變化而變化。在這一過程中，由于質(zhì)量及質(zhì)量分布不規(guī)則變化，使得測得的電機(jī)電流無法表達(dá)轉(zhuǎn)矩與C形架的速度、加速度等量的對應(yīng)關(guān)系。重車時的大電流可能對應(yīng)較小的加速度，輕車或空車時較小的電流可能產(chǎn)生較大的加速度。所以用電流作為電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制難以實(shí)現(xiàn)對加速段、減速段的測控，實(shí)現(xiàn)零速、零位停車[4]。

如果引入速度測量，并以此直接作為C形架速度控制的依據(jù),將得到下列結(jié)論：

(3)

通過實(shí)時轉(zhuǎn)速的閉環(huán)，以智能控制器來調(diào)節(jié)制動(驅(qū)動)力矩，控制減(加)速過程的速度變化；也通過對速度的積分值來控制C形架的位置。據(jù)此可以方便地構(gòu)建定點(diǎn)、零速停車曲線，并以其作為智能預(yù)估控制算法的給定基準(zhǔn)來預(yù)估控制量，從而大大提高控制的品質(zhì)。

根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍、工藝作業(yè)要求[5]，可以將C形架的回轉(zhuǎn)周期定為60 s。翻車機(jī)C形架重車卸料作業(yè)翻轉(zhuǎn)165°，到位時要考慮175°超限位置的安全措施。在重車卸車作業(yè)時，根據(jù)系統(tǒng)提供的位置傳感器和兩個光電開關(guān)將控制給定設(shè)置成0°～75°為加速段，75°～110°為勻速段，110°～165°為減速段。165°位置完成零速停車。在空車返回時主要考慮27°時減速控制，實(shí)現(xiàn)零位精確對軌，以避免空車脫軌事故。在卸車與空車返回過程中用系統(tǒng)提供的位置傳感器校驗控制時刻與角位移的關(guān)系。具體分段見表1。

表1 30 s等加減速條件下卸車作業(yè)過程

由表1可知：在C形架上位置傳感器安裝位置已經(jīng)確定，因此加減速及勻速段的角位移就據(jù)此確定[6]。如果設(shè)定勻加速的工況，結(jié)合系統(tǒng)工作節(jié)拍的要求，給定頻率與時刻、角位移的對應(yīng)關(guān)系應(yīng)如表1所示。在這種情況下啟停位置和速度拐點(diǎn)處速度連續(xù)不可導(dǎo)，在這些點(diǎn)將引起設(shè)備的運(yùn)行震蕩。應(yīng)當(dāng)對這些點(diǎn)做平滑處理，在拐點(diǎn)處使其速度連續(xù)可導(dǎo)，以提高設(shè)備運(yùn)行品質(zhì)。具體處理上，以等加速度控制曲線為基本依據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)、設(shè)備能力、生產(chǎn)節(jié)拍不變等要素分段給出控制給定曲線。在啟動時，負(fù)荷重要低頻慢速啟動，在75°進(jìn)入勻速段時物料開始大量下瀉，整車質(zhì)量急劇下降。110°～135°因轉(zhuǎn)速較高且動能較大，可以用小制動力矩緩慢減速，在135°～150°段，速度減小到勻速時的70%，整車質(zhì)量也變小且趨于穩(wěn)定，動能在50%以下，因此，有條件大力矩快速減速。而在150°～165°段，動能小，慣性變化小，主要考慮零速準(zhǔn)確對位停車。

根據(jù)上述分析，以表1所示數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，采用式(4)所示的分段多項式擬合構(gòu)建出變頻器頻率與時刻對應(yīng)的設(shè)定速度曲線，如圖2所示。

根據(jù)C形架的實(shí)際運(yùn)行情況，在C形架轉(zhuǎn)動角度大于45°(工作時刻約12 s)時物料開始大量傾泄，致使負(fù)載急劇減小，在翻車機(jī)轉(zhuǎn)動行程的末段，由于物料所剩無幾，負(fù)載變化趨緩。考慮翻車機(jī)及物料質(zhì)量分布變化的總體趨勢及其不規(guī)則性和沖擊性變化，采用圖3所示擬合曲線及混合隨機(jī)噪聲的方法來模擬系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中負(fù)載轉(zhuǎn)矩的非線性時變特性。

圖3 負(fù)載變化曲線

2 系統(tǒng)仿真

在Matlab中，構(gòu)建轉(zhuǎn)速和電流閉環(huán)的異步電動機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)[7]的仿真模型，如圖4所示，異步電動機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的主回路由IGBT逆變電源、異步電動機(jī)等部分組成。其中IGBT逆變電源由一個780 V恒定直流電壓源和一個IGBT原件構(gòu)成的通用變流器橋組成。

在仿真系統(tǒng)的矢量控制器模塊中，采用了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)反饋控制，見圖5，其中速度環(huán)控制采用了模糊控制器[8]，其模糊規(guī)則表如表2所示。

圖4 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)

圖5 矢量控制器子模塊結(jié)構(gòu)表2 速度環(huán)模糊控制器規(guī)則表

輸出誤差誤差變化率負(fù)大負(fù)小0正小正大負(fù)大負(fù)大負(fù)大負(fù)小負(fù)小負(fù)小負(fù)小負(fù)大負(fù)小負(fù)小000負(fù)小00正小正大正小00正小正小正大正大正小正大正大正大正大

通過對速度給定曲線和等加減速曲線分別積分得到給定角位移的頻率折算量，30 s時對應(yīng)值為828.580 2，而速度給定響應(yīng)曲線對時間的積分值為827.955 3，誤差率低于0.001。說明C形架在沒有抱閘的干預(yù)下，能通過分段預(yù)估智能控制調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)停車。

具體仿真結(jié)果如圖6所示，觀察圖6(a)發(fā)現(xiàn)，給定速度曲線在加減速段平滑，在負(fù)載非線性時變的情況下，系統(tǒng)響應(yīng)良好。

相同仿真條件下，等加減速曲線的響應(yīng)如圖6(b)所示：30 s時等加減速度響應(yīng)曲線對時間的積分值為838.687 5，誤差率約為0.012。說明速度給定曲線的響應(yīng)優(yōu)于等加減速曲線的響應(yīng)。

圖6 速度響應(yīng)曲線

為分析減速停車階段速度曲線變化情況，選取兩條速度響應(yīng)曲線的末端進(jìn)行放大分析，具體結(jié)果如圖7所示。

從圖7(b)可以看出，在等加減速度響應(yīng)曲線末段(29.5～30 s)，變頻器頻率從約2 Hz向零速過渡，加速度明顯大于同時段給定速度響應(yīng)曲線，且速度最終沒有平緩過渡到零，加上前述其響應(yīng)曲線對時間在30 s的積分值誤差率較大，致使其不能準(zhǔn)確地到位零速停車，且對系統(tǒng)會造成一定的沖擊。而在給定速度響應(yīng)曲線末段(29.5～30 s)，如圖7(a)，變頻器頻率從小于0.3 Hz逐漸過渡到0 Hz,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了較為平緩的零速停車，大大地降低了沖擊對系統(tǒng)帶來的不利影響。

圖7 速度響應(yīng)曲線末端情況

3 結(jié)束語

翻車機(jī)C形架是典型的變質(zhì)量和變質(zhì)量分布對象?？刂粕弦笙到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)速度和位置雙目標(biāo)測控。通過對系統(tǒng)引入測速裝置使系統(tǒng)具備了準(zhǔn)確描述時間與空間關(guān)系的可能，據(jù)此構(gòu)建了分段預(yù)估智能控制器。根據(jù)優(yōu)化的給定速度曲線，通過數(shù)字仿真證明重車零速定點(diǎn)停車可行。這樣就克服了實(shí)際生產(chǎn)中由于慣性和抱閘工況不確定引發(fā)的停車不能準(zhǔn)確對位，停車速度不為零的狀況?？刂破鬏^為準(zhǔn)確地跟蹤了分段給定控制曲線，改善了系統(tǒng)的運(yùn)行過程，提高了控制水平。后續(xù)通過進(jìn)一步積累大量的工程數(shù)據(jù)，可以根據(jù)物料、現(xiàn)場工藝節(jié)拍及設(shè)備的具體情況尋求更優(yōu)的給定速度曲線，在定點(diǎn)、零速停車、節(jié)能方面進(jìn)一步改善系統(tǒng)的運(yùn)行效率和質(zhì)量。這一控制方法對工業(yè)生產(chǎn)中類似的對象也有積極的參考意義。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Simulation Control Research on Matlab of Position and Velocity of C-Frame in Dumper

QIAN Wei， ZHANG Jun

(Department of Electrical and Electronic Engineering,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

The multi-objective measurement and control problem of time-varying inertial system is studied by using the dumper as the control object. With the speed of the system at the same time, it gets the system acceleration and location of the real-time, and establishes a control given benchmark of intelligent controller to predictable export. It provides accurate and reliable basis for time-varying inertia object damping torque acquired by frequency converter and position control of the C shape frame. The Matlab simulation results verify the effectiveness of the proposed method.

time-varying inertia; car dumper; forecast

2017-05-26

錢微(1964—), 男, 陜西戶縣人,碩士研究生, 高級工程師,主要從事自動控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用研究，E-mail: cqqianwei@cqut.edu.cn。

錢微，張俊.翻車機(jī)C形架位置與速度的Matlab控制仿真研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(7):182-187.

format：QIAN Wei，ZHANG Jun.Simulation Control Research on Matlab of Position and Velocity of C-Frame in Dumper[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):182-187.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.029

TP29

A

1674-8425(2017)07-0182-06