徐揚(yáng)帆，路明明，李 彬，鄭 超

基于下游大水位變率的下水式垂直升船機(jī)隨動(dòng)技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐揚(yáng)帆1，路明明1，李 彬2，鄭 超1

（1.中國船舶重工集團(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）

下游航道水位變率大，快速適應(yīng)水位變化的準(zhǔn)確停位隨動(dòng)技術(shù)，對(duì)下水式升船機(jī)的傳動(dòng)控制很重要。本文介紹下水式垂直升船機(jī)隨動(dòng)控制技術(shù)。首先，對(duì)控制對(duì)象的特性進(jìn)行分析，描述了系統(tǒng)的速度運(yùn)行曲線，對(duì)位置控制功能進(jìn)行了研究。然后，搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)本控制方案的性能進(jìn)行了測(cè)試，給出了測(cè)試的方法和試驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本控制系統(tǒng)具有定位精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)下游大水位變化率的下水式垂直升船機(jī)準(zhǔn)確停位要求。

下水式升船機(jī) 大水位變化率 準(zhǔn)確停位隨動(dòng)技術(shù)

0 引言

目前國內(nèi)垂直升船機(jī)大致分為全平衡鋼絲繩卷揚(yáng)垂直提升、下水式鋼絲繩卷揚(yáng)垂直提升和全平衡齒輪齒條爬升等幾種形式。下水式升船機(jī)其船廂可以直接進(jìn)入水中，可以根據(jù)航道水位變化尋找減速點(diǎn)和停位點(diǎn)。升船機(jī)的運(yùn)行要求停位時(shí)船廂內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)水位和上、下游的水位一致。在船廂運(yùn)行的各個(gè)階段，航道水位是變化的，變幅和變率也可能較大，船廂運(yùn)行的目標(biāo)位置（上、下游水位）應(yīng)根據(jù)水位實(shí)時(shí)變化。針對(duì)下水式船廂動(dòng)態(tài)控制，開展船廂減速停位檢測(cè)等相關(guān)科學(xué)問題的研究，具有重要意義。

1 跟隨水位變化準(zhǔn)確停位控制技術(shù)研究

1.1 控制對(duì)象特性分析

下水式升船機(jī)航道水位波動(dòng)較大，而船廂水位與航道水位對(duì)接時(shí)水位差有一定的要求。卷筒造成的鋼絲繩偏移在高行程的升船機(jī)中已不可忽視，在對(duì)位階段對(duì)電氣傳動(dòng)行程計(jì)算提出了很高要求，需要更好的隨動(dòng)控制特性，并糾正此前因鋼絲繩卷筒當(dāng)前繩槽轉(zhuǎn)動(dòng)到接近到兩側(cè)鋼絲繩偏離垂直角度最大所造成的行程誤差，快速適應(yīng)水位變化的隨動(dòng)技術(shù)快速跟蹤水位變化，找到最佳停機(jī)點(diǎn)。

為了糾正由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙，結(jié)構(gòu)變形等原因引起的位置誤差，在上游方位上安裝了四個(gè)接近限位開關(guān)（B0-B4，），當(dāng)接近限位開關(guān)（B0-B1）動(dòng)作時(shí)，船廂實(shí)際位置強(qiáng)制被糾正為預(yù)設(shè)定位置值，避免位置誤差對(duì)定位精度的影響。由于入水式升船機(jī)在下游方位上無法安裝接近限位開關(guān)且水位變率快，原控制方法無法滿足需求。

1.2 速度運(yùn)行曲線

下水式升船機(jī)在入水前需要減速，再進(jìn)入水中低速運(yùn)行，按S型速度圖運(yùn)行，使船廂具有位置低速微調(diào)運(yùn)行功能，能動(dòng)態(tài)適應(yīng)上下游水位的變化。使系統(tǒng)速度為零，承船廂停位，保證系統(tǒng)停機(jī)的平穩(wěn)無沖擊，并且升船機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位。研究閉環(huán)位置控制（動(dòng)態(tài)位置控制技術(shù)），電流/轉(zhuǎn)矩環(huán)、速度環(huán)三閉環(huán)控制，提高位置控制精度。與上下游水位對(duì)接時(shí)，能使承船廂按S型速度圖運(yùn)行，具有船廂位置低速微調(diào)運(yùn)行功能，能動(dòng)態(tài)適應(yīng)航道游水位的變化。

如圖1所示，常規(guī)小慣量系統(tǒng)中，采用簡(jiǎn)單的斜坡控制來調(diào)整加速度（加速度變化率通常非常大）通常能滿足要求。而升船機(jī)剛性連接的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)大慣性多變量耦合系統(tǒng)，所以系統(tǒng)選用如下圖右所示的S形曲線，可以非常平滑的控制加速度和加速度變化率，極大地減輕系統(tǒng)的沖擊，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)避免對(duì)精確定位的影響。

圖1 速度運(yùn)行曲線

1.3 位置控制技術(shù)研究

本方案中不采用變頻器的斜坡函數(shù)發(fā)生器輸出作為速度環(huán)速度的給定值；而是在其它控制器中設(shè)計(jì)一個(gè)速度信號(hào)給定發(fā)生器，一個(gè)完整的運(yùn)行過程應(yīng)該是一條S形速度曲線圖。根據(jù)升船機(jī)船廂的當(dāng)前高度、運(yùn)行前的目標(biāo)位置（根據(jù)實(shí)時(shí)水位的變化）、位置控制器速度補(bǔ)償值和設(shè)定的運(yùn)行速度產(chǎn)生運(yùn)行當(dāng)前時(shí)刻的升船機(jī)船廂的運(yùn)行速度，并實(shí)時(shí)傳送給正在運(yùn)行的傳動(dòng)裝置作為速度給定。

這個(gè)發(fā)生器的工作可以由正常停機(jī)命令、快速停機(jī)命令、緊急停機(jī)命令改變運(yùn)行運(yùn)算條件，從而生成相應(yīng)的運(yùn)行曲線、停機(jī)曲線或中斷運(yùn)行。由于系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行可能的系統(tǒng)誤差和傳動(dòng)機(jī)械固有誤差，故控制系統(tǒng)需要有精確動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)功能，以保證控制系統(tǒng)內(nèi)基準(zhǔn)與外部事實(shí)基準(zhǔn)一致。精確定位開始后，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集主站實(shí)際位置反饋信號(hào)，并與目標(biāo)定位位置送入現(xiàn)地控制單元最優(yōu)運(yùn)行軌跡，控制加減速及位置差補(bǔ)，形成精確定位控制。位置控制原理圖如圖2所示。

圖2 位置控制原理圖

本控制方案中涉及三個(gè)位置，分別是實(shí)際船廂位置、設(shè)定目標(biāo)位置和積分位置；當(dāng)任意兩個(gè)位置的差值趨近于零時(shí)，表明驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速趨近于零時(shí)且位置偏差也為零，即實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確停位。在準(zhǔn)確停位過程中，若出現(xiàn)速度趨近于零但位置偏差不為零；或位置偏差趨近零時(shí)，速度不趨近于零時(shí)，需優(yōu)化位置控制器PI參數(shù)、積分時(shí)間參數(shù)。

在運(yùn)行過程中，由于外界環(huán)境易導(dǎo)致目標(biāo)位置水位發(fā)生變化（即運(yùn)行行程變大），可分為二種情況討論：

1）若傳動(dòng)裝置各電機(jī)在減速點(diǎn)前出現(xiàn)目標(biāo)位置增大，則此狀態(tài)和沒減速前狀態(tài)一致；

2）若傳動(dòng)裝置各電機(jī)在減速點(diǎn)后出現(xiàn)目標(biāo)位置發(fā)生變化，當(dāng)開方器輸出的速度給定值大于速度設(shè)定值時(shí)，各傳動(dòng)裝置電機(jī)會(huì)出現(xiàn)加速或勻速運(yùn)行，由于在減速區(qū)間段外界目標(biāo)位置變化率小于電機(jī)運(yùn)行位置變化率，因此直至開方器輸出的速度給定值小于速度設(shè)定值后開始減速。

船廂運(yùn)行在空氣中時(shí)，速度曲線運(yùn)行在A-B-C曲線段。船廂入水前需減速，即從C點(diǎn)開始減速，對(duì)應(yīng)C-y-D曲線段。入水后按照指定入水運(yùn)行速度開始運(yùn)行，對(duì)應(yīng)曲線D-E段。

船廂在運(yùn)行過程中，目標(biāo)位置能實(shí)時(shí)跟隨上下游水位實(shí)時(shí)變化。從控制原理圖2可知：當(dāng)傳動(dòng)裝置在減速點(diǎn)E前，由于積分的位置與實(shí)際目標(biāo)位置的絕對(duì)值經(jīng)開方器輸出的速度值（對(duì)應(yīng)圖2的X-E曲線段）大于速度的設(shè)定值，此時(shí)選擇器輸出的值為速度的設(shè)定值，經(jīng)斜坡函數(shù)發(fā)生器后輸出值作為各傳動(dòng)裝置的速度給定值，故船廂按照入水后的正轉(zhuǎn)速度設(shè)定值或反轉(zhuǎn)速度設(shè)定值運(yùn)行，如圖2的D-E曲線段。當(dāng)積分的位置與實(shí)際目標(biāo)位置的絕對(duì)值經(jīng)開方器輸出的速度值小于速度的設(shè)定值，此時(shí)選擇器輸出的值為開方器的輸出值，速度曲線為E-z-F曲線段。

因此船廂的運(yùn)行曲線由二段曲線ABCYDE與xEZF合成而成。

2 技術(shù)方案論證

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

（1）試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)

“適應(yīng)下游大水位變率的下水式船廂動(dòng)態(tài)控制技術(shù)”試驗(yàn)樣機(jī)主要器件包括現(xiàn)地控制柜低壓器件、可編程邏輯控制器（西門子S7-400PLC）、交流變頻傳動(dòng)裝置（采用VLT丹佛斯(Danfoss)公司FC302系列矢量控制變頻器）、三相交流異步電機(jī)、測(cè)速編碼器等設(shè)備組成。

（2）電機(jī)位置換算減速齒輪箱、機(jī)械同步軸系統(tǒng)等設(shè)備參數(shù)為參考，結(jié)合試驗(yàn)電機(jī)銘牌為原則，構(gòu)建的電機(jī)位置換算關(guān)系如下：

1）試驗(yàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速：1465轉(zhuǎn)/分；配增量型脈沖編碼器：1024脈沖/轉(zhuǎn)

2）齒輪箱減速比：1519.9

3）轉(zhuǎn)筒直徑：4米；轉(zhuǎn)筒周長(zhǎng)：12.5664米

因此；電機(jī)實(shí)際位置（船廂實(shí)際位置）等于脈沖數(shù)*12.5664/1519.9/1024。

（3）測(cè)試軟件

運(yùn)用Autem PLC-ANALYZER軟件采集記錄電機(jī)的速度數(shù)據(jù)波形，采樣周期20毫秒。

2.2 試驗(yàn)分析

2.2.1下游航道水位持續(xù)增加模擬試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)方法

1）設(shè)置運(yùn)行參數(shù)。電機(jī)運(yùn)行速度739轉(zhuǎn)/分、船廂初始位置0米、下游水位值14米（目標(biāo)位置）、下游水位變化率300 厘米/4分鐘；

2）試驗(yàn)分析

從記錄的試驗(yàn)波形可知：船廂實(shí)際位置是15.713米處電機(jī)開始按照設(shè)定減速度開始減速，此時(shí)下游水位值是16.461米、下游水位變化值為246.057厘米。由于下游水位值（目標(biāo)位置）在持續(xù)增加，且變化率比較大，因此電機(jī)速度只減速到（約）106轉(zhuǎn)/分恒速運(yùn)行。只有當(dāng)下游水位值接近恒定或變化量很小時(shí)，電機(jī)再次開始減速至零，此時(shí)船廂實(shí)際位置與下游水位值偏差-4毫米。

3）試驗(yàn)波形

圖3 適應(yīng)下游大水位變化率的下水式船廂試驗(yàn)波形

2.2.2下游水位持續(xù)減少模擬試驗(yàn)

1）設(shè)置運(yùn)行參數(shù): 電機(jī)運(yùn)行速度739轉(zhuǎn)/分、船廂初始位置0米、下游水位值17米（目標(biāo)位）、下游水位變化率-300厘米/4分鐘；

2）試驗(yàn)分析

從記錄的試驗(yàn)波形可知：船廂實(shí)際位置是14.429米處電機(jī)開始按照設(shè)定減速度開始減速，此時(shí)下游水位值是14.805米、下游水位變化值為-219.507厘米。由于下游水位值（目標(biāo)位）在持續(xù)減小，且變化率比較大，因此控制好減速度避免出現(xiàn)船廂實(shí)際位置比下游水位值大得過多顯得非常重要。

從波形上可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速開始反向加速，反向速度最大（-142轉(zhuǎn)/分）時(shí)船廂實(shí)際位置（14.681米）與下游水位值（14.627米）偏差負(fù)向最大，隨后電機(jī)反向加速到（約）106轉(zhuǎn)/分恒速運(yùn)行。只有當(dāng)下游水位值接近恒定或變化量很小時(shí)，電機(jī)再次開始減速至零，此時(shí)船廂實(shí)際位置與下游水位值偏差2毫米。

3）試驗(yàn)波形，如圖4所示。

圖4 適應(yīng)下游大水位變化率的下水式船廂試驗(yàn)波形

3 結(jié)論

本文對(duì)下游大水位變化率的下水式垂直升船機(jī)準(zhǔn)確停位、快速適應(yīng)水位變化的隨動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了研究，選取通用變頻器丹佛斯FC302及西門子S7-400PLC控制器搭建試驗(yàn)平臺(tái)，通過試驗(yàn)記錄的波形可知：本控制系統(tǒng)具有定位精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)下游大水位變化率的下水式垂直升船機(jī)準(zhǔn)確停位要求。

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Design and Realization of Follow-up Technology of Submerge Chamber Ship Lift Based on Large Variation of Downstream Water Level

Xu Yangfan1, Lu Mingming1, Li Bin2, 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)

TP273

A

1003-4862（2021）10-0048-04

2020-12-16

國家重點(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（1985-），男，工程師。研究方向：電力電子與電氣傳動(dòng)。E-mail: libin1979121@163.com