弧形閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)同步運(yùn)動(dòng)控制算法的研究

盧建軍

（南水北調(diào)中線信息科技有限公司，北京100038）

1 引言

弧形閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)油缸進(jìn)而驅(qū)動(dòng)閘門動(dòng)作，具有驅(qū)動(dòng)力大，運(yùn)動(dòng)平緩特點(diǎn)，因此，廣泛應(yīng)用于水利水電、船閘等工程中。近年來，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)系統(tǒng)通過引入比例閥，絕對(duì)值編碼器和PLC 控制系統(tǒng)，控制精度有了很大的提高，但是雙缸常年保持高精度同步安全運(yùn)行仍未獲得根本解決，從而導(dǎo)致閘門傾斜卡死，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致吊點(diǎn)拉脫，造成嚴(yán)重的設(shè)備事故。因此，弧形門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)同步控制仍然是水利水電行業(yè)的一個(gè)重要課題[1]。

2 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)介紹

2.1 系統(tǒng)組成

啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)主要由高壓泵、循環(huán)泵、油箱、油箱液位計(jì)、油箱油溫計(jì)、比例放大板、比例閥、兩位四通閥、手動(dòng)調(diào)速閥、過濾器，溢流閥、液控單向閥、液壓管路（P 線管路，T 線管路，液控單向閥管路）及油缸等組成。

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要包括施耐德系列CPS、CPU、CRP、CRA、NOE、ACI、ACO、DDI 及DDO 等模塊，徐州正天ZKY-3 型閘門開度測(cè)控儀，SSI 型絕對(duì)值編碼器，液壓執(zhí)行系統(tǒng)，控制系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.2 工作原理

液壓系統(tǒng)高壓泵由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)后，從油箱中吸油，油液經(jīng)濾油器進(jìn)入液壓泵，油液在泵腔中從入口低壓到泵出口高壓，經(jīng)過開停閥、節(jié)流閥、換向閥和比例閥進(jìn)入油缸一側(cè)腔體，推動(dòng)活塞使活塞桿帶動(dòng)啟閉機(jī)閘門打開，同時(shí)油腔另一側(cè)油液經(jīng)換向閥和回油管路流回油箱。關(guān)閉動(dòng)作與打開動(dòng)作原理相同，需要注意的是閘門關(guān)閉時(shí)，需要利用液控單向閥管路將液控單向閥打開。

3 同步運(yùn)動(dòng)誤差形成分析

3.1 機(jī)械阻力引起的誤差

弧形閘門啟閉機(jī)繞著2 個(gè)支點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，弧形門沿著門槽上下運(yùn)動(dòng)。2 個(gè)油缸活塞桿各自驅(qū)動(dòng)一側(cè)弧形門，由于弧形門在門槽上運(yùn)動(dòng)阻力不同且運(yùn)動(dòng)阻力不穩(wěn)定，更有門槽內(nèi)卡入異物導(dǎo)致一側(cè)弧形門無法運(yùn)動(dòng)?；⌒伍T在水中運(yùn)動(dòng)，隨著弧形門開度變化，弧形門水阻力也會(huì)發(fā)生變化，油缸推動(dòng)載荷也必然會(huì)發(fā)生變化。無論是門槽阻力還是水阻力導(dǎo)致的油缸負(fù)荷變化，都會(huì)導(dǎo)致弧形門運(yùn)動(dòng)不同步。

3.2 設(shè)備引起的誤差

2 個(gè)油缸分別安裝在各自閘墩上，安裝的水平精度也影響弧形門的運(yùn)動(dòng)偏差[2]?；⌒伍T兩側(cè)開度采用絕對(duì)值編碼器計(jì)數(shù)，編碼器的性能也決定了弧形門同步運(yùn)動(dòng)偏差?？刂葡到y(tǒng)控制算法的合理性及安全性也決定了弧形門同步運(yùn)動(dòng)偏差。

4 全新同步控制算法

4.1 弧形門弧形運(yùn)動(dòng)軌跡處理

閘門的開度測(cè)量值使用SSI 絕對(duì)編碼傳感器，絕對(duì)值編碼器的時(shí)鐘與數(shù)據(jù)信號(hào)接入開度儀，經(jīng)CPU 處理后，以數(shù)字形式顯示開度值，開度儀提供RS485 通信將開度信號(hào)傳遞到PLC 系統(tǒng)[3]。

由于絕對(duì)值編碼器提供的格雷碼值是連續(xù)的線性數(shù)值，而閘門采用弧形閘門，因此，弧形閘門開度和格雷碼值并非絕對(duì)的線性關(guān)系?；诖颂卣鳎陂l門開度儀里采用15 段修正值法，也就是將非線性軌跡分成15 段（分的段數(shù)越多，精度越高），每段近似為線性關(guān)系。

4.2 弧形門同步運(yùn)動(dòng)控制算法

此同步運(yùn)動(dòng)控制算法采用模塊化編程思路，通用性強(qiáng)，便于程序移植。

4.2.1 同步功能程序塊

首先，定義輸入?yún)?shù)：弧形門左側(cè)開度（變量），弧形門右側(cè)開度（變量），開門命令，關(guān)門命令，開始同步值1（參數(shù)值），開始同步值2（參數(shù)值，注意開始同步值1 小于開始同步值2），同步停止值（參數(shù)值），同步偏差高預(yù)警參數(shù)值（參數(shù)值），同步偏差致命性報(bào)警停車參數(shù)值（參數(shù)值）；

其次，定義輸出參數(shù)：激活左側(cè)油缸同步調(diào)整1，激活左側(cè)油缸同步調(diào)整2，激活右側(cè)油缸同步調(diào)整1，激活右側(cè)油缸同步調(diào)整2，同步偏差高預(yù)警，同步偏差致命性報(bào)警停車。

最后，說明計(jì)算邏輯：弧形門右側(cè)開度減去左側(cè)開度為弧形門左側(cè)開度偏差C1.Diff，其絕對(duì)值定義為C1.AbsDiff，此值大于零說明左側(cè)弧形門開度低了，此值小于零說明左側(cè)弧形門開度高了。當(dāng)C1.AbsDiff 大于開始同步值1，小于開始同步值2，當(dāng)執(zhí)行開門命令時(shí)，如果左側(cè)弧形門開度高了，激活左側(cè)油缸同步調(diào)整1，同樣當(dāng)執(zhí)行關(guān)門命令時(shí)，如果左側(cè)弧形門開度低了，也激活左側(cè)油缸同步調(diào)整1，當(dāng)C1.AbsDiff 進(jìn)入同步停止值范圍內(nèi)，左側(cè)油缸同步調(diào)整1 激活取消；當(dāng)C1.AbsDiff 大于開始同步值2，當(dāng)執(zhí)行開門命令時(shí)，如果左側(cè)弧形門開度高了，激活左側(cè)油缸同步調(diào)整2，同樣當(dāng)執(zhí)行關(guān)門命令時(shí)，如果左側(cè)弧形門開度低了，也激活左側(cè)油缸同步調(diào)整2，當(dāng)C1.AbsDiff進(jìn)入同步停止值范圍內(nèi)，左側(cè)油缸同步調(diào)整2 激活取消。同樣邏輯判斷激活右側(cè)油缸同步調(diào)整1 和激活右側(cè)油缸同步調(diào)整2。當(dāng)C1.AbsDiff 或C2.AbsDiff 大于同步偏差高預(yù)警參數(shù)值激活同步偏差高預(yù)警，當(dāng)C1.AbsDiff 或C2.AbsDiff 大于同步偏差致命性報(bào)警停車參數(shù)值激活同步偏差致命性報(bào)警停車。

4.2.2 速度選擇功能

根據(jù)上面同步功能程序塊輸出參數(shù)選擇不同的比例閥運(yùn)動(dòng)速度，以達(dá)到雙缸同步運(yùn)動(dòng)目的。為油缸1 和2 運(yùn)動(dòng)各定義8 套速度參數(shù)，下面以油缸1 速度控制做出說明，油缸2 速度控制原理相同。定義油缸運(yùn)動(dòng)快速命令和慢速命令，當(dāng)弧形門開度進(jìn)入慢速范圍內(nèi)時(shí)執(zhí)行慢速命令，其余執(zhí)行快速命令。

當(dāng)弧形門上升時(shí)，在快速命令激活時(shí)，如果左側(cè)油缸同步調(diào)整1 和2 都沒有激活，此時(shí)認(rèn)為雙缸同步運(yùn)行正常，不需要同步調(diào)整，選擇速度參數(shù)1；在快速命令激活時(shí)，如果左側(cè)油缸同步調(diào)整1 激活，雙缸同步有小偏差，需要同步調(diào)整，選擇速度參數(shù)2；在快速命令激活時(shí)，如果左側(cè)油缸同步調(diào)整2 激活，雙缸同步有大偏差，需要同步調(diào)整，選擇速度參數(shù)3；在進(jìn)入慢速范圍內(nèi)時(shí)執(zhí)行慢速命令，選擇速度參數(shù)4?；⌒伍T下降原理同上升原理相同。

4.2.3 預(yù)警及報(bào)警安全停車功能

當(dāng)雙缸運(yùn)動(dòng)發(fā)出預(yù)警時(shí)，此時(shí)只報(bào)警提示不停車，當(dāng)發(fā)出安全停車報(bào)警時(shí)，雙缸運(yùn)動(dòng)停止，需要設(shè)備維護(hù)人員查找設(shè)備故障[4]。

5 結(jié)語

近年來，隨著電液比例閥的制作加工越來越精密，PLC、CPU 運(yùn)行掃描速度越來越快，編寫程序越來越靈活，同時(shí)絕對(duì)值編碼器精度越來越高，基于本文中提到的雙缸同步運(yùn)動(dòng)控制策略，弧形閘門啟閉機(jī)同步運(yùn)動(dòng)控制問題必然得到解決，其控制策略必然在各行業(yè)雙缸同步運(yùn)動(dòng)控制中得到廣泛應(yīng)用。