一種平臺(tái)平衡上升控制的建模與仿真

許萍等

摘 要：針對(duì)大型承載平臺(tái)上升的平衡控制問(wèn)題，對(duì)平臺(tái)的上升過(guò)程進(jìn)行了建模與仿真研究，建立了交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合控制要求設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，同時(shí)運(yùn)用Matlab Simulink得出了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型對(duì)結(jié)果進(jìn)行了處理分析。仿真結(jié)果證明，本系統(tǒng)開(kāi)放靈活，可以達(dá)到控制平臺(tái)平穩(wěn)上升的目的。

關(guān)鍵詞：三樁腿平臺(tái)；交流異步電機(jī)；平衡控制；建模；仿真

中圖分類號(hào)：TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）08-00-02

0 引 言

大型承載平臺(tái)在海洋石油開(kāi)采及其他工程建設(shè)應(yīng)用中有著持續(xù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)和效率高等優(yōu)點(diǎn)，升降控制系統(tǒng)是平臺(tái)制造的關(guān)鍵部分，它的性能優(yōu)劣直接影響平臺(tái)的安全性和使用效果[1]。以三樁腿平臺(tái)為研究對(duì)象，由于平臺(tái)分布在三個(gè)樁腿上的重量不完全相等，各樁腿上驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能及減速箱的特性不同，可能造成平臺(tái)在上升過(guò)程中出現(xiàn)不同程度的傾斜。嚴(yán)重的傾斜會(huì)對(duì)平臺(tái)的安全造成影響，甚至使平臺(tái)倒塌[2]。因此在控制系統(tǒng)中，要實(shí)時(shí)檢測(cè)平臺(tái)的傾角，當(dāng)出現(xiàn)傾角時(shí)對(duì)相應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，用以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)平衡上升的靈活控制[3]。

針對(duì)平臺(tái)上升過(guò)程中的平衡控制問(wèn)題[4]，可運(yùn)用電機(jī)變頻調(diào)速控制。本文根據(jù)平臺(tái)上升過(guò)程的簡(jiǎn)化模型得到穩(wěn)定的參考模型，設(shè)計(jì)出參考模型的自適應(yīng)控制器。在負(fù)載發(fā)生變化的情況下，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出功率，從而保證閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得平臺(tái)可以平衡穩(wěn)定的上升到設(shè)定高度。

1 交流異步電機(jī)的建模

1.1 電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

圖1中，n為轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速；np是極對(duì)數(shù)；ωs為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速；ω是轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度；ω1為電機(jī)供電角頻率（對(duì)應(yīng)頻率f1，ω1=2πf1）；J表示機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Te為異步電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩；Tl是負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩；R2是電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻；U1是電機(jī)定子的相電壓。

1.2 電機(jī)調(diào)速模型

1.3 PID轉(zhuǎn)速控制

為了使轉(zhuǎn)速控制更加準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定，可以運(yùn)用PID控制器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。PID控制器是通過(guò)將偏差的比例（Kp）、積分（Ki）和微分（Kd）進(jìn)行線性組合構(gòu)成控制量對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制[18-20]。可以得到系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的Simulink仿真模型如圖3所示。

2 平臺(tái)上升過(guò)程的建模

建立Simulink仿真模型，可以階躍信號(hào)給定轉(zhuǎn)速的設(shè)定值，通過(guò)PID變頻控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)減速箱得到傳遞到樁腿上的速度，再進(jìn)行積分得到平臺(tái)各樁腿的位移。并且分別在第6秒和第8秒時(shí)給2號(hào)樁腿和3號(hào)樁腿加入一個(gè)小階躍信號(hào)的干擾，最后再由傳感器進(jìn)行反饋，形成最外層的控制環(huán)。

通過(guò)三個(gè)觀測(cè)器可以看到多個(gè)參數(shù)的變化，如電機(jī)轉(zhuǎn)速、樁腿位移變化曲線、電機(jī)速度差曲線等。最終建立的Simulink仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 仿真結(jié)果

在仿真系統(tǒng)中，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n=1 500 rpm，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的PID參數(shù)分別是0.1、1、0.01。減速箱的減速比是1：15000。選取變步長(zhǎng)仿真，電機(jī)帶負(fù)載啟動(dòng)。

模擬平臺(tái)的平衡調(diào)節(jié)過(guò)程，圖5是仿真曲線圖。分別在第6秒和第8秒時(shí)給平臺(tái)的樁腿2和樁腿3施加負(fù)載（如圖5（a）），使其位移量減少（如圖5（b）），平臺(tái)出現(xiàn)傾角。通過(guò)傳感器將位移差反饋到輸入端，此時(shí)電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)，減小不平衡傾角，最終使平臺(tái)重新回到平穩(wěn)上升的狀態(tài)（如圖5（c））。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在建立了電機(jī)模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)上升過(guò)程的建模與仿真，并對(duì)平臺(tái)上升過(guò)程的部分重要參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀測(cè)，從而有效解決了平臺(tái)上升過(guò)程中的不平衡問(wèn)題。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控，可不斷減小平臺(tái)傾角，最終使平臺(tái)平穩(wěn)上升。由此可見(jiàn)，該方法對(duì)實(shí)際平臺(tái)的平衡控制具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]李文華，張銀東，陳海泉.自升式海洋石油平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)分析[J].液壓與氣動(dòng)，2006（8）：23-25.

[2]歐進(jìn)萍，肖儀清，黃虎杰.海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].海洋工程，2001.19（2）：1-6.

[3]譚躍，邱赤東，姜培元.自升式海洋平臺(tái)自動(dòng)平衡控制的研究[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，26（2）.95-97.

[4]彭國(guó)朋，黃海濤.天線塔架液壓升降系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性研究[J].電子機(jī)械工程，2012，28（6）：17-19.

[5] 程偉，馬樹(shù)元，吳平東，等.三相交流異步電機(jī)的建模與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2005（3） ：69-71

[6]顧德英，季正東，張平.基于SIMULINK的異步電機(jī)的建模與仿真[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2003（2）：71-73.

[7]謝雅，黃中華，左金玉.三相交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真建模[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（1）：1-4.

[8]劉碩彭，江川. 基于MATLAB三相異步電機(jī)的建模與仿真[J].東方電機(jī)，2006（1）：65-68.

[10]劉媛媛.三相異步電機(jī)在SIMULINK下的建模與仿真[J].甘肅科技，2010（22）：61-64.

[11]應(yīng)慧娟.基于ROCKWELL三層網(wǎng)絡(luò)的電機(jī)控制[D].北京：中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，2007

[10]李發(fā)海，王巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008

[12]吳曉慧.旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定方法[J].中小型電機(jī)，2005，32（2）：62-65

[13]丁輝，胡協(xié)和.交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制策略綜述[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2011（1）：50-58.

[14]王新宇.交流異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[J].信息與電腦 （理論版），2011 （3）：144，146.

[15]劉錚，賈斌，馬麗輝.基于交流異步電機(jī)變頻調(diào)速及多種調(diào)速系統(tǒng)的對(duì)比[J].機(jī)電信息，2011（9）：74，95.

[16]李春文，張愛(ài)芳，曹玲芝.交流異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)研究綜述[J].科技資訊，2009（33）：47.

[17]朱明，陳覺(jué)曉，貢俊，等.交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的研究[J].微特電機(jī)，1999（1）：4-9，35.

[18]劉景文. 模糊PID控制技術(shù)在交流異步電機(jī)上的應(yīng)用[J]. 煉油與化工，2014（4）：40-41，64.

[19]張鳳眾.基于模糊PID交流異步電機(jī)控制研究[J]. 科技廣場(chǎng)，2012（10）：85-88.

[20]張金煥.PID控制系統(tǒng)和模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的研究及比較[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2005，27 （5）： 286-290.