徐揚(yáng)帆，李 彬，路明明，鄭 超

下水式升船機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)快速適應(yīng)變載技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐揚(yáng)帆1，李 彬2，路明明1，鄭 超1

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)武漢船舶工業(yè)有限公司，武漢 430022；2.武漢長(zhǎng)海高新技術(shù)有限公司，武漢 430223）

下水式升船機(jī)在出入水過(guò)程中載荷變率大，為實(shí)現(xiàn)多機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)載荷均衡分配，快速適應(yīng)變載技術(shù)對(duì)升船機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)尤為至關(guān)重要。本文對(duì)下水式升船機(jī)快速適應(yīng)變載技術(shù)進(jìn)行了研究。介紹了具體的控制方案，并對(duì)該方案的性能進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制方案擾動(dòng)小、動(dòng)態(tài)過(guò)程性能好，能實(shí)現(xiàn)快速載荷均衡分配的功能，具有良好的工程應(yīng)用前景。

下水式升船機(jī) 載荷變率大 載荷均衡分配

0 引言

下水式升船機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)各種不穩(wěn)定性的因素，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1）基于升船機(jī)承船廂出入水過(guò)程中涉及到的水動(dòng)力特性規(guī)律，承船廂受到水體的吸附力、浮力等附加載荷，致使承船廂側(cè)載荷發(fā)生變化，會(huì)出現(xiàn)不同的運(yùn)行狀態(tài)以及電機(jī)負(fù)載劇烈變化的現(xiàn)象；

2）由于機(jī)械同步軸的柔性和齒輪間隙對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的影響，船廂在出入水過(guò)程中會(huì)造成同步軸的扭振，破壞主電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定；

3）當(dāng)電動(dòng)機(jī)、電氣傳動(dòng)裝置、機(jī)械同步軸出現(xiàn)故障時(shí)，控制對(duì)象的特性會(huì)發(fā)生變化，易引起負(fù)載擾動(dòng)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

因此，針對(duì)下水式升船機(jī)負(fù)載載荷變率大、不穩(wěn)定等特點(diǎn)，通過(guò)開(kāi)展電氣傳動(dòng)系統(tǒng)快速適應(yīng)變載控制系統(tǒng)的研究，具有重要的意義。

1 多機(jī)傳動(dòng)負(fù)載載荷均衡控制方案比較

下水式升船機(jī)的船廂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的控制對(duì)象是一個(gè)典型的多機(jī)傳動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)，采用同步軸剛性連接形成一個(gè)封閉區(qū)域，通常可采用如下控制策略：

1）“共用速度環(huán)+轉(zhuǎn)矩跟隨”方案

一臺(tái)傳動(dòng)裝置運(yùn)行在速度模式，其余傳動(dòng)裝置運(yùn)行在轉(zhuǎn)矩模式，通過(guò)轉(zhuǎn)矩跟隨實(shí)現(xiàn)負(fù)載載荷的均衡控制。本方案的優(yōu)點(diǎn)是：技術(shù)成熟易實(shí)現(xiàn)、動(dòng)態(tài)性能好；缺點(diǎn)是運(yùn)行在速度模式的傳動(dòng)裝置出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行。

2）“速度偏差+轉(zhuǎn)矩限幅”方案

主、從傳動(dòng)裝置都工作在速度模式。各傳動(dòng)裝置的速度給定值相同，僅在從傳動(dòng)裝置的速度給定值的基礎(chǔ)上疊加±5%-±10%的速度偏差值，通過(guò)將主傳動(dòng)裝置的實(shí)際轉(zhuǎn)矩作為從傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩限幅來(lái)實(shí)現(xiàn)載荷均衡分配。本方案的優(yōu)點(diǎn)是：主從傳動(dòng)裝置速度環(huán)都起作用，易實(shí)現(xiàn)主從傳動(dòng)裝置的切換；缺點(diǎn)是疊加到從裝置的附加速度給定值比較固定，易導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩分配效果較差。

2 快適應(yīng)變載技術(shù)控制方案

針對(duì)下水式升船機(jī)多電機(jī)分散驅(qū)動(dòng)工況下電機(jī)負(fù)載劇烈變化及機(jī)械同步軸出現(xiàn)扭震等現(xiàn)象，將采用基于“速度環(huán)+力矩均衡控制策略”的多電動(dòng)機(jī)機(jī)械同軸下多點(diǎn)力矩均衡與扭振抑制控制方案。

在該控制方案中，每套傳動(dòng)裝置中都設(shè)置有速度環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)，并選取任意一套傳動(dòng)裝置為主傳動(dòng)裝置；選取任意另一套（除主傳動(dòng)裝置外）為備用主傳動(dòng)裝置，剩下的傳動(dòng)裝置為從傳動(dòng)。除主傳動(dòng)裝置之外的傳動(dòng)裝置中設(shè)置有一個(gè)負(fù)荷均衡調(diào)節(jié)器，其輸入為主傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩給定與該從傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩給定之差，其輸出作為速度的附加給定信號(hào)，從而消除主、從傳動(dòng)間轉(zhuǎn)矩給定的差值，實(shí)現(xiàn)了多軸多電機(jī)機(jī)械同軸出力均衡控制技術(shù)的目的。在電流閉環(huán)控制環(huán)節(jié)加入速度前饋、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償、預(yù)加力矩、平均速度阻尼等振蕩抑制控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)同步軸系統(tǒng)軸扭振的抑制，提高系統(tǒng)的整體性能。

每套傳動(dòng)裝置都設(shè)有速度環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)，能對(duì)各驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的擾動(dòng)更快響應(yīng)，不必等到擾動(dòng)傳遞到主傳動(dòng)裝置后才進(jìn)行補(bǔ)償，因而能達(dá)到更好的控制效果。尤其是擾動(dòng)在離主傳動(dòng)裝置遠(yuǎn)端的情況下作用更加明顯，同時(shí)減小機(jī)械同步軸上的擾動(dòng)傳遞，降低振蕩的可能性。快適應(yīng)變載技術(shù)控制方案原理圖如圖1所示。

2.1 冗余控制器速度曲線(xiàn)的生成

為實(shí)現(xiàn)附加速度給定疊加在主速度信號(hào)源上，本方案中不采用傳動(dòng)裝置控制器內(nèi)的斜坡函數(shù)發(fā)生模塊的輸出作為速度環(huán)速度的給定值；而是在冗余控制器中設(shè)計(jì)一套速度信號(hào)發(fā)生器作為變頻傳動(dòng)裝置的速度給定。另外，易于實(shí)現(xiàn)位置控制滿(mǎn)足入水式升船機(jī)停位時(shí)跟隨目標(biāo)水位變化。

2.2 負(fù)荷均衡調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)

傳動(dòng)裝置可采用全數(shù)字矢量控制交流變頻器，載荷分配的邏輯控制由各變頻器控制單元完成。傳動(dòng)裝置的負(fù)荷均衡調(diào)節(jié)器、速度環(huán)調(diào)節(jié)器均采用比例積分（PI）調(diào)節(jié)，主傳動(dòng)裝置將速度環(huán)調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)輸出的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的方式發(fā)送給各從傳動(dòng)裝置；與從傳動(dòng)裝置的速度控制的積分環(huán)節(jié)輸出的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值經(jīng)比例積分（PI）調(diào)節(jié)器的輸出值疊加到各自的速度曲線(xiàn)上，從而改變從傳動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均衡分配。

2.3 載荷補(bǔ)償來(lái)抑制系統(tǒng)擾動(dòng)

由控制方案原理圖一可知：變頻傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩給定由兩部分組成，一部分是速度環(huán)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩給定，另一部分是附加轉(zhuǎn)矩前饋給定：由摩擦轉(zhuǎn)矩給定、抑制震蕩阻力轉(zhuǎn)矩給定及克服摩擦力轉(zhuǎn)矩給定組成。

1）出入水變化載荷補(bǔ)償

承船廂在出入水過(guò)程中涉及到的水動(dòng)力特性規(guī)律，承船廂受到水體的吸附力、浮力等附加載荷，需變頻傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行在不同的工作狀態(tài)。為保證運(yùn)行平穩(wěn)，需對(duì)出入水過(guò)程中變化載荷進(jìn)行補(bǔ)償。

根據(jù)承船廂與平衡重側(cè)安裝的載荷傳感器可近似計(jì)算出重量偏差，可折算出電機(jī)對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩；根據(jù)船廂入水深度計(jì)算出承船廂受到水體的浮力，從而折算出電機(jī)輸出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。利用轉(zhuǎn)矩環(huán)響應(yīng)比速度環(huán)快的特點(diǎn)，可預(yù)先將補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩疊加到轉(zhuǎn)矩環(huán)的轉(zhuǎn)矩給定端，實(shí)現(xiàn)出入過(guò)程中的平穩(wěn)運(yùn)行。

2）震蕩阻力載荷補(bǔ)償

升船機(jī)機(jī)電系統(tǒng)中存在著許多非剛性的環(huán)節(jié)，如平衡重的長(zhǎng)鋼絲繩、齒輪間應(yīng)力、長(zhǎng)同步軸、承船廂及水體等，運(yùn)行中可能的振蕩源較多。這里采用了振蕩抑制環(huán)節(jié)，其基本原理是采用各拖動(dòng)裝置間實(shí)時(shí)傳遞的轉(zhuǎn)速值，根據(jù)各個(gè)拖動(dòng)的速度和趨勢(shì)，以此對(duì)速度控制以合適的補(bǔ)償，抑制拖動(dòng)裝置的振蕩和拖動(dòng)裝置間的扭振。

3）摩擦力載荷補(bǔ)償

補(bǔ)償實(shí)際上包括了系統(tǒng)的摩擦、形變等運(yùn)行阻力，系統(tǒng)中是一個(gè)非線(xiàn)性的環(huán)節(jié)，這里采用一個(gè)速度函數(shù)來(lái)近似摩擦力補(bǔ)償力矩。具體參數(shù)將來(lái)需要在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)大量的試驗(yàn)整定。

4）切換擾動(dòng)抑制

主傳動(dòng)裝置發(fā)生故障后的下一個(gè)掃描周期，從傳動(dòng)裝置將接替主傳動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)主從切換。由于控制器的掃描周期的快慢對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)有一定的影響，可利用力矩（電流）環(huán)響應(yīng)快的特點(diǎn)，來(lái)彌補(bǔ)切換時(shí)的擾動(dòng)；即當(dāng)任意一臺(tái)傳動(dòng)裝置退出時(shí)，可將傳動(dòng)裝置對(duì)應(yīng)電機(jī)輸出的力矩均分疊加到其它傳動(dòng)裝置的力矩環(huán)作為附加給定，能對(duì)主從切換過(guò)程中的擾動(dòng)進(jìn)行有效抑制。

圖1 快適應(yīng)變載技術(shù)控制方案原理

3 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

1）實(shí)驗(yàn)方法

本控制方案已在烏江構(gòu)皮灘第一級(jí)入水式升船機(jī)中得到驗(yàn)證，電氣控制系統(tǒng)主要由西門(mén)子S7-400H可編程邏輯控制器和八套SINAMIC系列S150交流變頻傳動(dòng)裝置及八臺(tái)交流異步電機(jī)組成，各變頻傳動(dòng)裝置控制器選用CU320-2DP。

S7-400PLC中主要完成邏輯控制、速度曲線(xiàn)的生成、主從切換及位置控制；八臺(tái)變頻傳動(dòng)裝置中的CU320-2DP之間的CBE20通過(guò)PROFINET實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，完成載荷分配控制。主傳動(dòng)將速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)矩給定值傳動(dòng)給其余從站，各從站的轉(zhuǎn)矩給定值與主站的轉(zhuǎn)矩給定值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器控制輸出后的補(bǔ)償值作為速度給定的附加值，來(lái)實(shí)現(xiàn)載荷分配。

2）試驗(yàn)結(jié)果

利用Pro-ANALYZER軟件實(shí)驗(yàn)記錄波形如下圖2、圖3所示。從圖中可以看出無(wú)論承船廂處于空氣中還是出入水過(guò)中，八臺(tái)交流異步電機(jī)無(wú)論是在電動(dòng)工況還是發(fā)電工況輸出的轉(zhuǎn)矩波形變化規(guī)律呈現(xiàn)一致性，系統(tǒng)具有擾動(dòng)小、動(dòng)態(tài)過(guò)程性能好的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速載荷均衡分配的功能。

圖3 船廂出入水試驗(yàn)波形圖

4 結(jié)論

本文對(duì)下水式升船機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的快速適應(yīng)變載技術(shù)方案進(jìn)行了研究，控制方案通過(guò)構(gòu)皮灘第一級(jí)下水式升船機(jī)的工程實(shí)際應(yīng)用，證明該控制方案擾具有擾動(dòng)小、動(dòng)態(tài)過(guò)程性能好，能實(shí)現(xiàn)快速載荷均衡分配的功能，能夠很好的克服下水式升船機(jī)出入水過(guò)程中負(fù)載快速變化對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的擾動(dòng)，具有良好的工程應(yīng)用前景。

[1] 李彬，譚明波，翁晨雷. 三峽升船機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)電氣行程同步性能測(cè)試[J]. 船電技術(shù), 2014(7): 27-29.

[2] 劉紅兵, 升船機(jī)主拖動(dòng)系統(tǒng)性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2003.

[3] 秦雅嵐, 唐勇, 王偉. 垂直升船機(jī)多軸多電機(jī)機(jī)械同步力矩均衡控制技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]. 中國(guó)水運(yùn), 2011, 11(1): 106-108.

[4] 馬小亮, 蔣琪, 等. 升船機(jī)交流主拖動(dòng)系統(tǒng)幾個(gè)特殊問(wèn)題的研究[J]. 電力電子技術(shù), 2000, 5.

Design and Realization of Variable Load Swift Response Technology for Driving Submerge Chamber Ship Lift

Xu Yangfan1, Li Bin2, Lu Mingming1, 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)

U642

A

1003-4862（2021）08-0030-03

2020-12-16

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“重大水利樞紐通航建筑物建設(shè)與提升技術(shù)”（課題編號(hào)：2016YFC0402002）

徐揚(yáng)帆（1982-），男，工程師。研究方向：電力電子與電氣傳動(dòng)。E-mail: libin1979121@163.com