曾鑫鵬， 吳文海， 廖國(guó)慶， 程淵海， 毛定邦

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川成都 610030；2.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司青島供電段， 山東青島 266071)

0 前言

軌道交通中的絕緣子是隔絕載流導(dǎo)體與地面、保證鐵路系統(tǒng)用電安全的重要部件，由于環(huán)境的影響，絕緣子表面時(shí)常會(huì)附著污漬。MAOWED和MOUSSA[1]曾研究過(guò)不同污染條件下，絕緣子的性能變化，污漬的積累會(huì)導(dǎo)致絕緣子發(fā)生污閃事故，這已成為電氣化鐵路中的危害之一。為了避免污閃事故的發(fā)生，需要定時(shí)對(duì)它進(jìn)行清洗工作。

在工業(yè)控制中，隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，智能設(shè)備逐步代替了人工，但在一些對(duì)裝置精度及穩(wěn)定性具有較高要求的場(chǎng)合，卻仍在使用人工操作。例如軌道交通中絕緣子的沖洗工作，由于沖洗流程較嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)外仍以手動(dòng)控制沖洗為主[2]，這不僅降低了沖洗效率，還存在一些安全隱患，因此，展開(kāi)對(duì)絕緣子智能水沖洗裝置的研究具有工程應(yīng)用價(jià)值。

為了提高絕緣子水沖洗裝置的精確性與穩(wěn)定性，可從機(jī)械結(jié)構(gòu)與伺服控制2個(gè)方面分析其中的影響因素。對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)，YAN等[3]完成了立式絕緣子清洗機(jī)器人的構(gòu)型設(shè)計(jì)，并檢測(cè)了運(yùn)行效果，但缺少實(shí)物模型的搭建與驗(yàn)證；在智能控制方面，王奇等人[4]提出了一種基于圖像伺服的絕緣子自動(dòng)水沖洗車，并通過(guò)仿真模型驗(yàn)證了視覺(jué)伺服的可行性；對(duì)于振動(dòng)特性的分析，張洪等人[5]提出了一種設(shè)計(jì)和優(yōu)化油罐噴涂機(jī)器人振動(dòng)特性的方法，對(duì)于絕緣子沖洗裝置的平穩(wěn)性優(yōu)化具有一定參考價(jià)值，但其振動(dòng)優(yōu)化僅局限于結(jié)構(gòu)；劉洋等人[6]對(duì)柱塞泵的振動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了研究與分析，提出了對(duì)于徑向柱塞泵的力學(xué)優(yōu)化方案；黃海鵬等[7]還通過(guò)將高壓噴水技術(shù)與無(wú)人機(jī)結(jié)合，研發(fā)了一種可遠(yuǎn)程控制的沖洗無(wú)人機(jī)，但因儲(chǔ)水量受到限制，僅適合小型化清洗。錢博[8]對(duì)于機(jī)械裝置中非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究為文中的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析提供了簡(jiǎn)化力學(xué)模型的思路。

在現(xiàn)代智能控制中，以永磁同步電機(jī)(PMSM)為控制對(duì)象的交流伺服系統(tǒng)正被廣泛地應(yīng)用[9-11]，許多場(chǎng)合對(duì)其系統(tǒng)的響應(yīng)性以及穩(wěn)定性有著很高的要求。趙云等人[12]所提出的一種通過(guò)內(nèi)模控制(IMC)觀測(cè)器來(lái)補(bǔ)償振動(dòng)速度信號(hào)的方法為優(yōu)化文中的伺服控制提供了新的借鑒方法，但卻僅限于理論與仿真研究。

文中研究以PMSM為對(duì)象的交流伺服控制系統(tǒng)，將它應(yīng)用在絕緣子水沖洗工作中，從而設(shè)計(jì)并分析絕緣子智能水沖洗裝置的機(jī)械性能，并運(yùn)用時(shí)變速度環(huán)增益系數(shù)的優(yōu)化方案；通過(guò)結(jié)構(gòu)建模與實(shí)驗(yàn)仿真，驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性；最后，在實(shí)體裝置實(shí)驗(yàn)中，檢測(cè)此方案對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響。

1 絕緣子智能水沖洗裝置

根據(jù)國(guó)內(nèi)外已有的沖洗設(shè)備，引入伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及伺服電機(jī)，通過(guò)上位計(jì)算機(jī)的智能算法以及雙目攝像頭的圖像采集，可完成軌道交通中絕緣子的智能識(shí)別與定位工作，文中對(duì)沖洗裝置的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并結(jié)合高壓水沖洗的射流技術(shù)，在已成熟的液壓沖洗系統(tǒng)的配合下，設(shè)計(jì)出了一種絕緣子智能水沖洗裝置。

圖1所示為智能絕緣子水沖洗系統(tǒng)的組成原理，該系統(tǒng)由機(jī)械傳動(dòng)模塊、伺服控制動(dòng)力模塊以及液壓沖洗模塊三部分組成。機(jī)械傳動(dòng)模塊包含回轉(zhuǎn)模組與俯仰模組，分別控制水炮的回轉(zhuǎn)與俯仰，完成定位絕緣子方向的工作；伺服控制動(dòng)力模塊為機(jī)械傳動(dòng)模塊提供動(dòng)力與反饋信號(hào)，包含2個(gè)永磁同步電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)模組以及傳感器組，電機(jī)為系統(tǒng)運(yùn)行提供動(dòng)力源，伺服驅(qū)動(dòng)模組保證絕緣子定位精度，傳感器組實(shí)時(shí)反饋位置信息，起到限位和復(fù)位的作用；液壓沖洗模塊包括液壓動(dòng)力模組和液壓傳動(dòng)元件，為水沖洗裝置提供高壓射流。

現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成與工作流程。如圖2所示：俯仰電機(jī)通過(guò)圓錐齒輪減速器連接角通軸，控制角通軸的回轉(zhuǎn)，通過(guò)俯仰角度定位絕緣子高度；回轉(zhuǎn)電機(jī)連接圓錐齒輪減速器，減速器輸出軸連接小齒輪，以外嚙合方式驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而定位絕緣子方向；待定位完成后，啟動(dòng)高壓水槍開(kāi)關(guān)，高壓水通過(guò)水管由下方旋轉(zhuǎn)接頭送入，再通過(guò)T形旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入空心角通軸，經(jīng)炮管后，從炮嘴處射出，沖洗絕緣子。

圖2 絕緣子沖洗裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical structure of insulator flushing device

在軌道交通清洗工作中，由于絕緣子位置的離散性，導(dǎo)致在連續(xù)沖洗多個(gè)絕緣子時(shí)需要頻繁啟停設(shè)備。在實(shí)際工況中，由于伺服系統(tǒng)設(shè)定為通用模式，系統(tǒng)各參數(shù)設(shè)為定值，對(duì)于沖洗系統(tǒng)并不是最優(yōu)方案，每次啟停設(shè)備時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生較為明顯的振動(dòng)，在開(kāi)關(guān)高壓水槍時(shí)，高壓水的瞬時(shí)反沖力也會(huì)沖擊整個(gè)結(jié)構(gòu)，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低定位精度。在智能裝置定位過(guò)程中，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量、慣量、剛度、阻尼等參數(shù)均會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及定位的精度。為了合理地設(shè)置控制參數(shù)，分析伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，建立動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)調(diào)節(jié)電流環(huán)與速度環(huán)，在轉(zhuǎn)矩限制下使伺服系統(tǒng)保持穩(wěn)定性，使其不超過(guò)設(shè)定的穩(wěn)態(tài)閾值，從而保證水沖洗系統(tǒng)具備良好的動(dòng)態(tài)性能。作者從機(jī)械結(jié)構(gòu)模型入手，結(jié)合系統(tǒng)控制模型，分析整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)；再運(yùn)用MATLAB仿真軟件進(jìn)行仿真模擬，最后在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證優(yōu)化方案。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

由于沖洗裝置伺服控制系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)直接影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)與定位精度，為了更好地確定系統(tǒng)的控制參數(shù)，文中首先對(duì)此沖洗裝置的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析。智能水沖洗裝置的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)分為兩部分，回轉(zhuǎn)模組與俯仰模組，回轉(zhuǎn)模組由炮體、回轉(zhuǎn)支承、齒輪以及圓錐齒輪減速器等組成；俯仰模組由炮桿連接角通軸、T形旋轉(zhuǎn)接頭和俯仰減速器等組成。2個(gè)電機(jī)的角位移作為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入，炮體的水平轉(zhuǎn)角與炮桿的俯仰角度作為系統(tǒng)的輸出。在建模過(guò)程中，將機(jī)械傳動(dòng)部件的剛度、阻尼、慣量和作用在傳動(dòng)部件上的干擾轉(zhuǎn)矩、圓錐齒輪減速器的傳動(dòng)效率都折算到輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上[13]。以回轉(zhuǎn)模組為例，文中建立的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示，其中θIN為回轉(zhuǎn)軸的輸入端轉(zhuǎn)角，其值為i·θM，i為電機(jī)輸出軸與回轉(zhuǎn)軸的傳動(dòng)比，θM為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角，KL、JL、fL分別為折算到回轉(zhuǎn)軸上的扭轉(zhuǎn)總剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)總慣量和總的黏性阻尼系數(shù)。

圖3 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型Fig.3 Dynamic model of mechanical transmission system

通過(guò)對(duì)以上系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析，可得其動(dòng)力學(xué)方程組為

(1)

ML(t·i=KL[θIN(t-θL(t]

(2)

θIN(t=i·θM(t

(3)

式中：ML(t)為伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；θL(t)和θM(t)分別為回轉(zhuǎn)軸輸出端的等效轉(zhuǎn)角和伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角；Mr(t)為機(jī)械傳動(dòng)部件折算到回轉(zhuǎn)軸上的干擾阻力；i為電機(jī)輸出軸與回轉(zhuǎn)軸之間的傳動(dòng)比。

對(duì)式(1)(2)進(jìn)行拉普拉斯變換，并賦初值0時(shí)，得到：

ML(s·i=(JLs2+fLsθL(s+Mr(s

(4)

ML(s·i=KL[i·θM(s-θL(s]

(5)

整理合并式(4)、式(5)后可得：

(6)

若將θM(s)作為系統(tǒng)的輸入，θL(s)作為系統(tǒng)的輸出，當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的干擾阻尼Mr(s)為0時(shí)，θM(s)與θL(s)之間的傳遞函數(shù)為

(7)

以伺服電機(jī)輸出軸的角位移作為系統(tǒng)的輸入，以炮體的回轉(zhuǎn)角位移作為系統(tǒng)的輸出，則機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of mechanical transmission system

基于傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(s)，將實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)、扭轉(zhuǎn)剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及黏性阻尼系數(shù)、系統(tǒng)延遲間隙等參數(shù)代入后，如表1所示，便可得到此系統(tǒng)的實(shí)際傳遞函數(shù)。

表1 俯仰與回轉(zhuǎn)參數(shù)Tab.1 Pitch and rotation parameter

根據(jù)表1可知，由于傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的外部轉(zhuǎn)動(dòng)慣量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其數(shù)值超過(guò)了百倍，而能夠正常發(fā)揮電機(jī)最佳性能的外部轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)在20倍以內(nèi)。通過(guò)分析傳遞函數(shù)，在大慣量結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)的響應(yīng)會(huì)存在較大振動(dòng)與延遲，因此，傳統(tǒng)的電機(jī)控制方法將很難滿足對(duì)于沖洗精度及穩(wěn)定性要求較高的絕緣子沖洗裝置。在外在條件已經(jīng)固定的情況下，可以通過(guò)改變控制參數(shù)，優(yōu)化電機(jī)對(duì)于信號(hào)的響應(yīng)，以此來(lái)彌補(bǔ)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)于電機(jī)的響應(yīng)延遲與振動(dòng)帶來(lái)的影響。表2所示為機(jī)械結(jié)構(gòu)中與系統(tǒng)振動(dòng)有直接關(guān)系的影響因素。

表2 機(jī)械結(jié)構(gòu)影響因素Tab.2 Influencing factors of mechanical structure

2.2 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制模型

圖5 伺服控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of servo control system

修正電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)，由于伺服系統(tǒng)的速度環(huán)帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電流環(huán)帶寬，可簡(jiǎn)化電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，將高階項(xiàng)省略[14]，系統(tǒng)電流環(huán)傳遞函數(shù)則可表示為

(8)

Tc=Tcf+Tsf

(9)

其中:Tc為電流環(huán)的周期時(shí)間函數(shù)；Tcf為電流環(huán)反饋濾波時(shí)間常數(shù)；Tsf為伺服逆變器的開(kāi)關(guān)時(shí)間周期。

于是根據(jù)控制結(jié)構(gòu)框圖以及電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)，可以推算出從電機(jī)的實(shí)際輸出速度ωm到速度反饋值ωre的閉環(huán)傳遞函數(shù)Gme為

(10)

其中：Kp為系統(tǒng)的比例增益系數(shù)；Ki為積分增益系數(shù)。

則ωm到Mr的閉環(huán)傳遞函數(shù)Gmr可表示為

(11)

2.3 諧振頻率分析

根據(jù)實(shí)際輸出速度到速度反饋值的傳遞函數(shù)Gme可以發(fā)現(xiàn)，式(10)中的電流環(huán)時(shí)間常數(shù)Tc以及速度反饋時(shí)間濾波常數(shù)相對(duì)很小，當(dāng)將其化簡(jiǎn)后，可進(jìn)一步得到化簡(jiǎn)后的Gme如下：

(12)

其中：ωn為自然諧振頻率；ξ為系統(tǒng)阻尼系數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)Gme簡(jiǎn)化后，可看作一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二階響應(yīng)系統(tǒng)，其中：

(13)

系統(tǒng)諧振頻率：

(14)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，由傳遞函數(shù)可以得出其諧振頻率為

(15)

因此，可通過(guò)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)以及頻率響應(yīng)特性分析出與電機(jī)輸出軸振動(dòng)的有關(guān)因素[15]，其中可調(diào)節(jié)的Kp、Kt、Ki值均會(huì)影響諧振頻率的大小，對(duì)于不同傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)參數(shù)Jm也是不同的，因此不僅要分析電氣化參數(shù)，還要分析負(fù)載情況以及結(jié)構(gòu)特性，在實(shí)驗(yàn)中才能驗(yàn)證出最優(yōu)的方案。

3 優(yōu)化策略與仿真分析

在MATLAB/Simulink仿真軟件中建立電氣化模型，對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)及優(yōu)化策略進(jìn)行仿真。以俯仰模組為例，電機(jī)參數(shù)如表1所示。搭建系統(tǒng)仿真模型如圖6所示。

圖6 伺服系統(tǒng)電氣化仿真模型Fig.6 Servo system electrification simulation model

其中，矢量控制轉(zhuǎn)矩限幅180%，編碼器反饋速度濾波時(shí)間2 ms，電流環(huán)比例系數(shù)100，電流環(huán)積分系數(shù)100，積分時(shí)間常數(shù)Ti為10 ms，位置環(huán)濾波頻率fp為40 Hz，速度環(huán)濾波頻率fv為25 Hz，通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù)值，分別在電機(jī)剛啟動(dòng)以及加入瞬時(shí)負(fù)載2個(gè)時(shí)間點(diǎn)下，觀察電機(jī)輸出軸的響應(yīng)情況。首先設(shè)定初始轉(zhuǎn)速目標(biāo)值為2 000 r/min，觀察系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的響應(yīng)曲線；然后設(shè)定目標(biāo)值逐步增加至3 000 r/min，觀察隨著速度變化時(shí)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)情況。

結(jié)果如圖7所示，Kp值設(shè)定為50，剛啟動(dòng)時(shí)，目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定值為2 000 r/min，電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速能夠在0.026 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值，但轉(zhuǎn)矩振幅與轉(zhuǎn)速波動(dòng)卻很大，轉(zhuǎn)矩變化頻率很高而且Te最大振幅值達(dá)到了442.6 N·m，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速ωn的最大超調(diào)量達(dá)到了278.2 rad/s。在0.2 s時(shí)，開(kāi)啟高壓水槍，由于瞬時(shí)的反沖力，相當(dāng)于施加了一個(gè)階躍信號(hào)的負(fù)載，使系統(tǒng)發(fā)生了振動(dòng)響應(yīng)，可以看出：在Kp較大時(shí)，對(duì)于負(fù)載的變化，系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)也較為明顯。在伺服控制系統(tǒng)中，較大的速度環(huán)增益系數(shù)有助于系統(tǒng)的快速響應(yīng)，能夠降低沖洗裝置的反應(yīng)時(shí)間。但對(duì)于絕緣子智能水沖洗裝置，由于實(shí)際工況中絕緣子的離散性與隨機(jī)性，會(huì)存在頻繁的電機(jī)換向啟停操作，還存在開(kāi)關(guān)高壓射流時(shí)的反沖力，較大的Kp不僅會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，還會(huì)放大反沖力對(duì)系統(tǒng)的破壞。因此，對(duì)于Kp的值應(yīng)做及時(shí)調(diào)整，否則會(huì)影響沖洗裝置的性能。

圖7 系統(tǒng)的輸出曲線(Kp=50)Fig.7 Output curve of system (Kp=50) : (a)torque Te; (b) speed ωm

通過(guò)圖7可以觀察到：在高速狀態(tài)下，由于Kp值較大，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩振動(dòng)特性與轉(zhuǎn)速振動(dòng)特性較為明顯。但如若將Kp值調(diào)小，可以降低振動(dòng)特性，減小系統(tǒng)沖擊，但對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，Kp過(guò)低則會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速率，易出現(xiàn)延遲，在絕緣子沖洗過(guò)程中，系統(tǒng)的延遲要盡量縮短，否則會(huì)大大影響追蹤精度。

文中引入了一種時(shí)變Kp的控制方法，回轉(zhuǎn)與俯仰過(guò)程中的負(fù)載速度ωm作為自變量，Kp作為因變量，根據(jù)實(shí)時(shí)速度調(diào)節(jié)。換言之，就是在速度低的情況下設(shè)置較高的速度環(huán)增益系數(shù)，使系統(tǒng)做出快速響應(yīng)；在系統(tǒng)速度較高時(shí)，降低Kp，從而減緩振動(dòng)特性。將Kp設(shè)置為隨速度負(fù)相關(guān)變化的值，從而在盡量不影響系統(tǒng)響應(yīng)速度的前提下，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低高速時(shí)系統(tǒng)的振動(dòng)。

Kp=-aωm+b

(16)

根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速要求，在絕緣子智能沖洗過(guò)程中，設(shè)置a為0.016，b為51.6，則可得到Kp關(guān)于ωm的對(duì)應(yīng)曲線，如圖8所示。

圖8 時(shí)變Kp與ωm的關(guān)系曲線Fig.8 The relationship curve between Kp and ωm

將其應(yīng)用于仿真系統(tǒng)中，驗(yàn)證此方法對(duì)于系統(tǒng)的振動(dòng)特性是否具有優(yōu)化效果。如圖9所示，建立自定義模塊，將外部轉(zhuǎn)速ωm的值作為PI模塊的另一輸入端口，并使其作為Kp值的自變量，改變邏輯關(guān)系，便可得到優(yōu)化后的時(shí)變PI模塊。

圖9 加入速度調(diào)節(jié)后的PI模塊Fig.9 PI module with speed adjustment added

設(shè)定相對(duì)應(yīng)的Ki、Ti、fp、fv以及目標(biāo)轉(zhuǎn)速，便可得到優(yōu)化后的系統(tǒng)輸出曲線前后對(duì)比圖，如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)響應(yīng)前后對(duì)比曲線

由圖10(a)可以看出：使用時(shí)變Kp值的優(yōu)化方案后，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)得到了有效的抑制，且與傳統(tǒng)方案相比，響應(yīng)時(shí)間也有明顯縮短，提高了系統(tǒng)19.76 %的響應(yīng)速度。由圖10(b)可知：雖然在負(fù)載突變時(shí)，優(yōu)化后的方案對(duì)于速度響應(yīng)沒(méi)有特別明顯的改善，但在系統(tǒng)啟動(dòng)初期，系統(tǒng)的速度響應(yīng)有較明顯的提高，速度波動(dòng)也有改善。至此，仿真結(jié)果表明：文中所使用的時(shí)變Kp值的優(yōu)化方案在仿真實(shí)驗(yàn)中能夠有效抑制系統(tǒng)由于速度環(huán)增益過(guò)大而引起的系統(tǒng)振動(dòng)。

接下來(lái)，將在實(shí)體機(jī)器上通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證此方案的可行性。

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

圖11所示為絕緣子智能水沖洗裝置實(shí)體，將裝置按其功能劃分，可分為五部分：追蹤定位模塊、液壓沖洗模塊、伺服驅(qū)動(dòng)模塊、計(jì)算機(jī)模塊以及限位傳感模塊。追蹤定位模塊完成追蹤瞄準(zhǔn)絕緣子的工作，包含回轉(zhuǎn)模塊與俯仰模塊，通過(guò)伺服電機(jī)提供動(dòng)力分別精確控制回轉(zhuǎn)角度與俯仰角度；液壓沖洗模塊完成絕緣子沖洗工作，包含高壓泵、水箱、換向閥、旋轉(zhuǎn)接頭、溢流閥等液壓器件，通過(guò)運(yùn)用高壓水沖洗射流技術(shù)，完成絕緣子的帶電水沖洗工作；伺服驅(qū)動(dòng)模塊接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的絕緣子實(shí)時(shí)位置信號(hào)，通過(guò)控制器處理后計(jì)算偏轉(zhuǎn)角度，控制回轉(zhuǎn)電機(jī)與俯仰電機(jī)做出對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)；計(jì)算機(jī)模塊包括顯示器、主機(jī)與雙目攝像頭，運(yùn)用視覺(jué)伺服算法與深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)絕緣子進(jìn)行識(shí)別，將位置信號(hào)傳輸給驅(qū)動(dòng)器；限位傳感模塊包括4個(gè)限位傳感器以及一個(gè)復(fù)位傳感器，防止炮嘴旋轉(zhuǎn)角度過(guò)大而導(dǎo)致內(nèi)部線路破壞，復(fù)位傳感器幫助炮嘴復(fù)位到初始位置。

圖11 絕緣子智能水沖洗裝置實(shí)體Fig.11 Material object of insulator smartwater-flushing device

電氣控制箱如圖12(a)所示，包含伺服控制模塊、PLC控制器、離心泵控制器、電磁繼電器以及傳感器模塊等。將設(shè)計(jì)好的硬件板與高速傳感器回路封裝至控制模塊中，加入反饋調(diào)節(jié)的輸入信號(hào)，結(jié)合PID調(diào)節(jié)，便可構(gòu)成伺服控制模塊。圖12(b)所示為控制炮體回轉(zhuǎn)與俯仰的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，包含兩部伺服電機(jī)、圓錐齒輪減速器、回轉(zhuǎn)支承、旋轉(zhuǎn)接頭以及回轉(zhuǎn)角通軸等構(gòu)件。

圖12 沖洗裝置部分關(guān)鍵模塊實(shí)體

將所有部件安裝在平板推車上，如圖11所示，在實(shí)驗(yàn)階段，采取移動(dòng)推車沖洗絕緣子來(lái)模擬實(shí)際軌道上的實(shí)時(shí)沖洗情況。

通過(guò)示波器，檢測(cè)電機(jī)編碼器反饋脈沖數(shù)，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，編碼器會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)脈沖，便可通過(guò)脈沖數(shù)得到實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線。設(shè)定初始目標(biāo)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，即210 rad/s；待系統(tǒng)響應(yīng)平穩(wěn)后，再將目標(biāo)轉(zhuǎn)速逐步提升至3 000 r/min，即307 rad/s，觀測(cè)系統(tǒng)攀升曲線；為了與仿真曲線形成對(duì)比，實(shí)驗(yàn)時(shí)在75 ms時(shí)間點(diǎn)開(kāi)啟電磁閥，啟動(dòng)水沖洗，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)受到瞬時(shí)的反沖力，系統(tǒng)將產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。

采用控制變量的方法，進(jìn)行了10次實(shí)驗(yàn)，通過(guò)10次回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速輸出曲線，取與平均值最接近的曲線，得到了優(yōu)化前后實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速曲線的對(duì)比，如圖13所示?？梢钥闯觯涸趦?yōu)化前，系統(tǒng)初始響應(yīng)延遲至21.2 ms后振動(dòng)才相對(duì)平穩(wěn)，而優(yōu)化后，在17.8 ms后，振動(dòng)振幅就大致平穩(wěn)了,響應(yīng)時(shí)間提前了16.1%；但在22～35 ms時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速相較于傳統(tǒng)方案數(shù)值偏低，經(jīng)分析，可能是由于Kp值較低，轉(zhuǎn)速回升有所延遲；在75 ms處，由于高壓水的瞬時(shí)反沖力，系統(tǒng)有明顯的振幅變大響應(yīng)，時(shí)變Kp值優(yōu)化方案相較于傳統(tǒng)方案，最大振幅降低了8.6%，波動(dòng)時(shí)間縮短了10.2%，仍具有不小的優(yōu)化作用。

圖13 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速曲線Fig.13 Motor output speed curves

由圖13還能看出，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，就算達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)仍存在轉(zhuǎn)速波動(dòng)，一直延續(xù)到系統(tǒng)關(guān)閉。這可能是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)間存在的傳動(dòng)間隙、回轉(zhuǎn)剛度以及延遲阻尼等現(xiàn)實(shí)影響，系統(tǒng)對(duì)于振動(dòng)的響應(yīng)也相對(duì)放大了，導(dǎo)致最后的輸出曲線一直呈現(xiàn)出小范圍的波動(dòng)。圖14為絕緣子沖洗現(xiàn)場(chǎng)圖片。

圖14 絕緣子沖洗Fig.14 Insulator flushing

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)絕緣子沖洗原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種絕緣子智能水沖洗裝置，并分析了沖洗裝置產(chǎn)生振動(dòng)的原因，列舉出了影響因素；根據(jù)對(duì)具體工況的控制系統(tǒng)的分析，提出了優(yōu)化的控制方案，以降低電機(jī)控制過(guò)程對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)的影響。

(1)建立了系統(tǒng)仿真控制模型，結(jié)果表明：在裝置沖洗絕緣子過(guò)程中，時(shí)變Kp值的優(yōu)化方案能夠有效降低系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)，縮短了19.76%的響應(yīng)時(shí)間。

(2)將優(yōu)化方案應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)裝置，檢測(cè)其優(yōu)化性能，通過(guò)對(duì)實(shí)際反饋的轉(zhuǎn)速曲線圖進(jìn)行分析，系統(tǒng)初始響應(yīng)時(shí)間提前了16.1%，在開(kāi)啟高壓水槍時(shí)的振動(dòng)振幅降低了8.6%，波動(dòng)時(shí)間也縮短了10.2%，證實(shí)了時(shí)變速度環(huán)增益的優(yōu)化控制方案的有效性。

后續(xù)可對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，降低結(jié)構(gòu)帶來(lái)的沖擊與延遲；還可對(duì)上位機(jī)的視覺(jué)伺服控制算法進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)不同的工況要求，降低振動(dòng)響應(yīng)。