海面溢油回收機(jī)雙馬達(dá)速度閉環(huán)同步控制實(shí)現(xiàn)方法研究

楊前明，李健，孔令奇

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266510)

0 前言

圍油欄機(jī)械化收放裝置是內(nèi)嵌式溢油回收系統(tǒng)的重要組成部分，它主要由掃油臂和圍油欄卷筒等組件組成，用于實(shí)現(xiàn)圍油欄機(jī)械化布放與收卷作業(yè)。文獻(xiàn)［1-2］給出了掃油臂系運(yùn)動協(xié)調(diào)性仿真分析與機(jī)身本體HST驅(qū)動方案力學(xué)分析，由于其作業(yè)工況下伴隨海面隨機(jī)載荷的作用，考慮其作業(yè)時(shí)具有低速、大扭矩運(yùn)動及載荷特點(diǎn)，設(shè)計(jì)過程中將圍油欄布放(收卷)與掃油臂端部線速度同步作為其工作動態(tài)品質(zhì)的關(guān)鍵考核技術(shù)指標(biāo)之一。

電液閥控馬達(dá)是低速大扭矩傳動系統(tǒng)驅(qū)動的常用方法之一，在工業(yè)機(jī)械化裝備中獲得了比較廣泛的應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際控制精度要求，常用的控制方法主要有開環(huán)、閉環(huán)液壓同步控制，閉環(huán)控制主要為“同等方式”與“主從方式”［3-4］;隨著現(xiàn)代控制理論的日益豐富及其在工業(yè)控制中的成功應(yīng)用，同步閉環(huán)控制采用了自適應(yīng)控制理論和智能控制理論來設(shè)計(jì)控制策略及其相應(yīng)控制器，如PI與PID優(yōu)化調(diào)節(jié)器、模型跟隨自適應(yīng)控制器 (AMFC)、參考模型自適應(yīng)控制器 (MRAC)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)同步控制算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)學(xué)習(xí)同步控制算法［5-9］?？刂品椒ㄟx擇的出發(fā)點(diǎn)主要有技術(shù)性、綜合性價(jià)比以及使用過程中的便捷性與可靠性。本文作者根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)技術(shù)要求，在綜合分析的基礎(chǔ)上，提出了基于PLC控制的雙路比例閥控馬達(dá)速度“同等控制”實(shí)現(xiàn)方法，為解決該類工程設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)組成與控制要求

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

圍油欄收放裝置系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由掃油臂機(jī)身本體6及其驅(qū)動系統(tǒng)、圍油欄卷筒1及其驅(qū)動系統(tǒng)組成。本體與圍油欄驅(qū)動系統(tǒng)組成如圖2、3所示。圍油欄的一端固定在圍油欄浮筒上，另一端則纏繞在圍油欄卷筒上，并由收油機(jī)導(dǎo)向輥浮動夾緊其兩側(cè)，輔助其布放與收回。掃油臂本體與圍油欄卷筒由兩個HST電液閥控馬達(dá)系統(tǒng)驅(qū)動，分別實(shí)現(xiàn)掃油臂與圍油欄卷筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。收油作業(yè)準(zhǔn)備階段，掃油臂前端機(jī)械手對圍油欄浮筒進(jìn)行抓握，2個HST驅(qū)動系統(tǒng)分別帶動掃油臂與圍油欄卷筒以不同角速度同時(shí)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)圍油欄的牽引與布放。收油作業(yè)階段結(jié)束后，2個HST系統(tǒng)以不同角速度同時(shí)反方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)圍油欄收回作業(yè)。

圖1 圍油欄收放裝置原理圖

圖2 本體HST示意圖

圖3 圍油欄HST示意圖

1.2 系統(tǒng)控制要求

2個HST系統(tǒng)驅(qū)動的掃油臂與圍油欄卷筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由于各自運(yùn)動回轉(zhuǎn)幾何半徑、減速比及驅(qū)動負(fù)載的不同，其線速度控制難以做到精確同步，實(shí)際操作過程中將線速度同步精度設(shè)計(jì)允許范圍定位在±15 mm/s。文中采用雙閉環(huán)同等控制 (DCLCC，Doubleclosed-loop Coordinative Control)方案，結(jié)合現(xiàn)有的同步控制回路，提出新的控制策略方法從而使其達(dá)到速度控制精度要求。

圖2與圖3分別表示掃油臂機(jī)身本體傳動系統(tǒng)與圍油欄卷筒傳動系統(tǒng)示意圖，假設(shè)掃油臂前端線速度為v1，圍油欄卷筒外緣線速度為v2。則有:

式中:n1為掃油臂驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/s;i1為掃油臂減速比;ω1為掃油臂角速度，rad/s;R1為掃油臂臂長，m;n2為圍油欄卷筒馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/s;i2為圍油欄卷筒減速比;ω2為圍油欄卷筒角速度，rad/s;R2為圍油欄卷筒直徑，m。

海面溢油回收裝備作業(yè)時(shí)受到海面各種隨機(jī)載荷的影響，為便于分析假設(shè):

(1)圍油欄布放過程中，忽略其彈性伸縮量;

(2)圍油欄卷筒纏繞外直徑不變，即圍油欄厚度忽略不計(jì)。

因此，雙HST系統(tǒng)的控制要求可歸納為:

(1)當(dāng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)，需保持掃油臂端部及圍油欄卷筒線速度相同，即v1＝v2;

(2)在圍油欄布放結(jié)束后，掃油臂端部與圍油欄卷筒外緣線位移量應(yīng)相同，即等于圍油欄的布放長度L;

(3)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可以隨時(shí)調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動的運(yùn)行速度且系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)穩(wěn)定可靠。

為使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)掃油臂端部 (浮筒)與圍油欄卷筒外緣的線速度與設(shè)定的目標(biāo)速度相同，即有:v1＝v2＝v

由式 (1)、(2)得:

式 (3)即為兩馬達(dá)在速度協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速比，與其旋轉(zhuǎn)半徑R和減速比i有關(guān)。式 (4)、(5)為目標(biāo)速度與各個馬達(dá)轉(zhuǎn)速之間的數(shù)值關(guān)系。

由此可以看出，雖然兩執(zhí)行元件的線速度相同，但是其馬達(dá)轉(zhuǎn)速并不相同。因此準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)兩馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度n1、n2的控制是實(shí)現(xiàn)圍油欄兩個端點(diǎn) (浮筒與卷筒)線速度同步控制的前提與技術(shù)關(guān)鍵。另外，為使系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束后兩執(zhí)行元件線性位移量相同，除保持轉(zhuǎn)速比例協(xié)調(diào)外，還應(yīng)該保持兩馬達(dá)啟停時(shí)的同步性。

2 雙HST系統(tǒng)同步實(shí)現(xiàn)方法

2.1 PID與“同等方式”同步聯(lián)合控制

速度“同等方式”是指多個需要同步控制的執(zhí)行元件分別獨(dú)立跟蹤設(shè)定的理想輸出而受到控制并達(dá)到同步驅(qū)動。

圖4為同等方式獨(dú)立反饋同步控制方案原理圖。當(dāng)給定系統(tǒng)輸入信號時(shí)，系統(tǒng)對兩個輸出運(yùn)動參量進(jìn)行獨(dú)立反饋校正，保證兩輸出具有良好的速度跟隨性，實(shí)現(xiàn)速度同步控制。

圖4 獨(dú)立反饋校正同步控制方案

圖5 為雙HST比例閥控馬達(dá)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)由圍油欄卷筒馬達(dá)M1、機(jī)身本體驅(qū)動馬達(dá)M2、比例換向閥PV1與PV2、比例放大器PA1與PA2、編碼器Edcoder1與Edcoder2、PLC和D/A模塊組成。

圖5 雙HST閥控馬達(dá)速度閉環(huán)控制原理

圖5 的控制基本思想是:給PLC設(shè)定速度控制指令信號，并通過式 (4)、(5)將速度值轉(zhuǎn)化為兩個馬達(dá)對應(yīng)的數(shù)字量發(fā)送給D/A模塊;D/A模塊將數(shù)字量信號轉(zhuǎn)化為模擬量信號輸送給比例放大器，調(diào)節(jié)比例閥開口量，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)方向控制。馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速通過速度傳感器檢測反饋，PLC將其處理并與設(shè)定速度比較、構(gòu)成閉環(huán)控制回路，直至馬達(dá)轉(zhuǎn)速滿足設(shè)計(jì)控制精度。為使控制系統(tǒng)獲得更好的控制效果，實(shí)際控制中利用PLC內(nèi)置PID控制模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)PID與“同等控制”聯(lián)合實(shí)現(xiàn)雙馬達(dá)速度閉環(huán)同步控制。圖6所示為該系統(tǒng)采用同等控制原理框圖。

圖6 同等控制原理框圖

2.2 控制系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

液壓控制系統(tǒng)主要元器件包括LEDUC-MSI系列63CC自帶轉(zhuǎn)速檢測傳感器式定量液壓馬達(dá)、華德4WRA10和4WRA6直動型比例閥及其配套比例放大器、臺達(dá) DVP-20EH00T3型 PLC、配套 D/A模塊。

高速計(jì)數(shù)器和PID控制策略的聯(lián)合應(yīng)用是PLC控制程序的技術(shù)核心，臺達(dá)PLC中的高速計(jì)數(shù)器端子不受其掃描周期的限制，能夠接受最高20 kHz頻率的高速脈沖，并通過指令將測得的脈沖數(shù)存儲到寄存器中供計(jì)算使用。

PLC中內(nèi)置的PID功能指令能夠方便地實(shí)現(xiàn)PID控制，其格式如下:PID S1 S2 S3 D。其中，S1為目標(biāo)值，S2為現(xiàn)在值，S3為運(yùn)行參數(shù)的起始地址，D為輸出值。在該系統(tǒng)中，通過公式 (4)、(5)計(jì)算的結(jié)果，分別設(shè)置為圍油欄和掃油臂驅(qū)動馬達(dá)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速;高速計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)通過公式 (6)轉(zhuǎn)化為當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋到PLC中作為當(dāng)前值;最后將PID控制的輸出結(jié)果通過TO指令傳送到D/A模塊中轉(zhuǎn)化為模擬量控制比例放大器。

式中:D為脈沖個數(shù);t為采集周期;N為編碼器每圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)。

(1)轉(zhuǎn)速檢測。雙HST比例閥控馬達(dá)控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速檢測是由馬達(dá)自帶的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器 (測速齒輪與霍爾元件)將馬達(dá)轉(zhuǎn)速脈沖信號 (每轉(zhuǎn)39個)送入PLC內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器HHSC0進(jìn)行計(jì)數(shù)。圖7為本體馬達(dá)轉(zhuǎn)速檢測PLC控制程序。

圖7 馬達(dá)速度檢測程序

通過對高速計(jì)數(shù)器HHSC0行為模式等參數(shù)的設(shè)置，完成對脈沖的計(jì)數(shù)，再通過式 (6)計(jì)算馬達(dá)當(dāng)前轉(zhuǎn)速并將結(jié)果存儲在D130寄存器中。

(2)PID控制。圖8為機(jī)身本體馬達(dá)PID控制部分控制程序。

圖8 PID控制程序

通過對取樣時(shí)間、比例增益、積分增益、微分增益和目標(biāo)值等相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，啟動PID控制并將其運(yùn)算結(jié)果存儲在D230寄存器中。其中，PID控制參數(shù)是否合理直接決定了控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。

(3)比例控制。圖9為本體馬達(dá)比例換向閥控制程序。

圖9 比例換向閥控制程序

將寄存器D230中PID控制計(jì)算結(jié)果乘以相應(yīng)增益系數(shù)，通過TO指令傳送給對應(yīng)的D/A模塊，作為控制比例閥閥口開度的指令信號，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確可調(diào)。

3 同步誤差測算

實(shí)際控制系統(tǒng)中，PLC控制程序?qū)C(jī)身本體和卷筒馬達(dá)當(dāng)前速度進(jìn)行計(jì)算并存儲在PLC寄存器中，根據(jù)式 (1)、(2)分別計(jì)算兩執(zhí)行器線速度，根據(jù)式 (7)、(8)和 (9)分別計(jì)算兩執(zhí)行器線速度同步誤差以及與指令速度的偏差。在人機(jī)界面中，由組態(tài)軟件設(shè)計(jì)并直觀的將結(jié)果顯示出來。式中:Δv為浮筒與卷筒線速度誤差，m/s;δ1為浮筒線速度與指令速度誤差，m/s;δ2為卷筒線速度與指令速度誤差，m/s。

圖10是采用Matlab仿真軟件對該系統(tǒng)進(jìn)行的仿真曲線。

圖10 線速度誤差曲線圖

由圖10可知，兩個輸出馬達(dá)在啟動大約6 s后速度穩(wěn)定，兩者穩(wěn)定速度誤差Δn≤0.1 r/s，兩執(zhí)行器線速度誤差Δv≤7 mm/s，由此可見，以PLC為控制核心的PID與“同等控制”控制系統(tǒng)能夠很好地滿足系統(tǒng)同步控制設(shè)計(jì)精度要求。

4 結(jié)論

針對內(nèi)嵌式溢油回收機(jī)雙HST液壓馬達(dá)速度同步協(xié)調(diào)控制問題進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，基于PID控制理論，提出了以PLC為控制核心、PID與“同等方式”同步聯(lián)合控制方案;在對控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，給出了關(guān)鍵技術(shù)的PLC控制程序設(shè)計(jì)方案;為考查控制系統(tǒng)同步控制精度，運(yùn)用Matlab對系統(tǒng)控制誤差進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明本方案可以實(shí)現(xiàn)同步線速度誤差Δv≤7 mm/s，高于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求精度。本文解決了不同運(yùn)動半徑、不同減速比等條件下兩個液壓馬達(dá)速度協(xié)調(diào)同步控制的問題，為本項(xiàng)目后續(xù)工作及同類技術(shù)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

［1］楊前明，閆九祥，王世剛，等.基于D-H位移矩陣法的溢油回收系統(tǒng)掃油臂運(yùn)動學(xué)建模［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，(1):92-97.

［2］楊前明，王雪，王世剛，等.船載收油機(jī)掃油臂力學(xué)分析及其HST驅(qū)動設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2014(2):1-3.

［3］施光林，史維祥，李天石.液壓同步閉環(huán)控制及其應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，1997(4):3-7(2).

［4］LIJingfu.The Research on Control Type and Control Strategy of Synchronous Hydraulic Closed-loop Control System［J］.IERI Procedia，2012(3):220-225.

［5］ALY Ayman A.Model Reference PID Control of an Electrohydraulic Drive［J］.International Journal of Intelligent Systems and Applications(IJISA)，2012，4(11)，:24-32.

［6］劉曉峰，劉昕暉，王龍山，等.基于模糊PID控制的大型履帶起重機(jī)雙馬達(dá)速度同步控制［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2011(3):659-664.

［7］朱學(xué)彪，陳奎生，傅連東.基于AMFC的電液伺服系統(tǒng)控制算法研究［J］.液壓氣動與密封，2008(4):57-60.

［8］胡壽松，周川，胡維禮.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型跟隨魯棒自適應(yīng)控制［J］.自動化學(xué)報(bào)，2000(5):623-629.

［9］CHEN Huaizhong.Research of the Electro-hydraulic Servo System Based on RBF Fuzzy Neural Network Controller［J］.Journal of Software，2012，7(9)，1960-1967.

［10］吳根茂.新編實(shí)用電液比例技術(shù)［M］.浙江:浙江大學(xué)出版社，2006.

［11］路甬祥.電液比例控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［12］王春行.液壓控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［13］黃志堅(jiān).液壓系統(tǒng)控制與PLC應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2011.