黨存祿 ，劉 靜

（1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050；2.甘肅省先進(jìn)工業(yè)過程控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730050；3.蘭州理工大學(xué) 國家級電氣與控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，蘭州 730050）

海洋自升式平臺是深海區(qū)域油氣開發(fā)的主要設(shè)備，我國對海上石油勘探和開采起步較晚，技術(shù)相對國外比較薄弱。大部分關(guān)鍵設(shè)備都是進(jìn)口的，尤其是自動(dòng)控制系統(tǒng)和主要設(shè)備。因此開展這一領(lǐng)域關(guān)鍵理論和技術(shù)的研究，對提升我國競爭能力具有重大的經(jīng)濟(jì)和政治意義[1]。

由于自升式海洋平臺在深水作業(yè)且重量大、起升高度高，單個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率很難驅(qū)動(dòng)。在現(xiàn)代大功率、大慣性控制要求下，必須采用多電機(jī)聯(lián)動(dòng)來滿足大功率需求。為了提高平臺升降系統(tǒng)的跟蹤精度和控制性能，必須保證多驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同步性能。事實(shí)上，由于傳動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)特性、電機(jī)對物體的傳輸特性、負(fù)載的擾動(dòng)等因素的影響，使多電機(jī)的同步性能產(chǎn)生惡化。因此，多電機(jī)同步控制成為平臺升降系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 升降系統(tǒng)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(fù)載是平衡的，升降齒輪將會以相同的負(fù)載量穩(wěn)定地進(jìn)行上升和下降。然而在實(shí)際中，例如平臺電機(jī)單元的速度不同步，或傾斜等各種因素，都會使齒輪的負(fù)載不平衡。一般有2種狀況：由于馬達(dá)轉(zhuǎn)速過快而導(dǎo)致的負(fù)載過大，以及由于馬達(dá)轉(zhuǎn)速過慢導(dǎo)致的負(fù)載過小，無論哪種狀況，在平臺升降過程中如果不進(jìn)行調(diào)整，都將不可避免地導(dǎo)致平臺事故。因此，電機(jī)協(xié)調(diào)同步升降控制效果將直接影響升降系統(tǒng)使用壽命及升降過程的安全性[2]。

1.1 機(jī)械同步方式

機(jī)械同步的控制方式，該系統(tǒng)由一臺大功率的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸，系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)軸的速度作為共同的給定信號，系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置通過齒輪在主軸上嚙合，當(dāng)外部因素發(fā)生變化時(shí)，某個(gè)驅(qū)動(dòng)單元也隨之變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩信號被傳送到機(jī)器的主軸上，這導(dǎo)致主軸的轉(zhuǎn)速改變，由于主軸的旋轉(zhuǎn)速度是給定的，這會使其余的驅(qū)動(dòng)裝置跟隨主軸變化。這種控制方式容易實(shí)現(xiàn)，但它只采用一臺大功率的電機(jī)來拖動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，使單元的負(fù)載因電機(jī)容量的有限受到了限制，并且驅(qū)動(dòng)單元是經(jīng)過齒輪箱來與機(jī)械總軸進(jìn)行嚙合，因此增加了齒輪箱的加工和維修費(fèi)用[2]。

1.2 并聯(lián)控制同步方式

在并聯(lián)控制系統(tǒng)中，各電機(jī)給定的轉(zhuǎn)速信號相同，同步控制方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

并聯(lián)給定速度控制方式，從理論上講，所有電機(jī)都使用相同的給定信號，電機(jī)在啟停階段的同步性能會更好。由于系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，每個(gè)電機(jī)都獨(dú)立工作，任意2臺電機(jī)之間沒有耦合作用，當(dāng)某臺電機(jī)因?yàn)楦蓴_而波動(dòng)時(shí)，無法影響到其他電機(jī)，電機(jī)之間形成同步誤差，所以這種控制方式只適用于系統(tǒng)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(tǒng)的給定速度作主電機(jī)的輸入信號，從電機(jī)的輸入速度信號是主電動(dòng)機(jī)的輸出速度。其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主從控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Master-slave control structure diagram

該系統(tǒng)中某臺電機(jī)，因?yàn)樨?fù)載擾動(dòng)等因素引起電機(jī)的速度波動(dòng)只能影響到后面電機(jī)，系統(tǒng)的跟隨性具有單向性。此外，每臺電機(jī)的速度給定值并不是相同時(shí)間接收到，所以此控制方式在系統(tǒng)啟停階段時(shí)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(jī)除了自身的轉(zhuǎn)速度誤差計(jì)算外，還對電機(jī)之間的運(yùn)行速度偏差進(jìn)行補(bǔ)償，其控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 誤差耦合同步結(jié)構(gòu)Fig.3 Deviation coupling synchronous control structure diagram

該控制方式?jīng)]有主從之分，每個(gè)電機(jī)初始給定速度一致，在系統(tǒng)啟停階段不存在速度滯后問題，且每臺電機(jī)都是相互關(guān)聯(lián)的，當(dāng)電動(dòng)機(jī)受到外部干擾時(shí)，控制器根據(jù)每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速自動(dòng)計(jì)算所需要的補(bǔ)償量，然后對每臺電動(dòng)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償控制并作用于各電機(jī)，電機(jī)輸出速度實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)設(shè)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(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合該系統(tǒng)的同步控制的特點(diǎn)，我們不難發(fā)現(xiàn)并聯(lián)控制結(jié)構(gòu)和主從控制結(jié)構(gòu)達(dá)到的同步控制效果并不是很好，為了進(jìn)一步提高同步控制系統(tǒng)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(tǒng)的多電機(jī)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(jī)同步控制算法

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

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

根據(jù)相鄰交叉耦合控制思想，定義相鄰電機(jī)的同步誤差為

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)或遭受外部干擾，在正常情況下多個(gè)電機(jī)系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的同步誤差時(shí)，只有當(dāng)系統(tǒng)滿足 εi（t）→0條件時(shí)，所有電機(jī)的同步誤差收斂到零。根據(jù)上述誤差的定義，控制器可以設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是在啟動(dòng)和停止階段的同步效果顯然相當(dāng)出色，不足之處是如果系統(tǒng)中有一臺電機(jī)受到干擾，它糾正同步誤差的方式是只能依靠相鄰的電機(jī)逐個(gè)來影響其余的電機(jī)。

根據(jù)升降系統(tǒng)的控制特點(diǎn)，以及對比分析上述控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本文在相鄰耦合誤差控制算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了加權(quán)耦合誤差控制算法。

2.2 基于加權(quán)交叉耦合的多電機(jī)同步控制算法

在實(shí)際控制系統(tǒng)中，樁腿會受到平臺不同作用力，故對電機(jī)設(shè)定了不同的權(quán)重，承受作用力大的電機(jī)設(shè)置高權(quán)重，反之作用力小的設(shè)置低權(quán)重。當(dāng)高權(quán)重的電動(dòng)機(jī)被干擾時(shí)，系統(tǒng)中的大多數(shù)電動(dòng)機(jī)可以一起工作，以獲得更快的恢復(fù)速度；而當(dāng)次要電機(jī)受到干擾時(shí)，只由少數(shù)電機(jī)來補(bǔ)償擾動(dòng)[4]。

同步誤差ei*（t）定義為第i臺電機(jī)與與其它電機(jī)之間的誤差的加權(quán)求和：

式中：耦合系數(shù)p和q是正常數(shù)，p≠q。

式（3）可以很容易地重寫為

在矩陣A上進(jìn)行等價(jià)變換，我們可以得到如下

的上三角矩陣

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

系統(tǒng)中第i臺電機(jī)的速度控制量為

式中：ui0（t）為第i臺電機(jī)跟蹤誤差補(bǔ)償器輸出；（t）為第i臺電機(jī)的兩個(gè)同步誤差補(bǔ)償器輸出。

通過改善相鄰耦合同步控制方案，設(shè)定了每個(gè)電機(jī)之間的影響關(guān)系，針對不同權(quán)重的電機(jī)，采取了不同的控制參數(shù)。此方案既滿足了多個(gè)電機(jī)之間的同步，也增加了電機(jī)主從控制關(guān)系，系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

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

3 仿真研究

根據(jù)平臺升降控制系統(tǒng)搭建3臺交流電機(jī)同步系統(tǒng)模型如圖6、圖7所示，基于加權(quán)相鄰耦合控制策略進(jìn)行Simulink仿真驗(yàn)證。針對同步效果進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并且在2 s時(shí)添加負(fù)載轉(zhuǎn)矩為80 N·M的擾動(dòng)信號，加權(quán)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(quán)交叉耦合仿真模型Fig.7 Weighted cross coupling simulation model

圖8 電機(jī)控制仿真曲線Fig.8 Simulation curves of motor control

Simulink仿真表明，升降系統(tǒng)采用基于加權(quán)相鄰耦合控制方法，在啟動(dòng)階段速度能夠快速跟隨，不存在滯后問題，在出現(xiàn)干擾信號時(shí)，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(quán)相鄰耦合控制具有很好的起動(dòng)性能和抗擾動(dòng)性能，能夠較好地實(shí)現(xiàn)多電動(dòng)機(jī)同步控制。

4 結(jié)語

通過對升降系統(tǒng)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(jī)同步控制問題。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了加權(quán)交叉耦合控制方法的多電機(jī)同步控方案。

基于Matlab對加權(quán)耦合控制同步算法進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果表明：基于加權(quán)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(tǒng)的控制要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]齊繼陽，王凌云，李金燕，等.海洋平臺嵌入式升降控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（7）：142-145.

[2]萬雙妮.自升式海洋平臺升降系統(tǒng)監(jiān)控方法及應(yīng)用研究 [D].青島：中國石油大學(xué)，2012.

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

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