一種平臺平衡上升控制的建模與仿真

許萍等

摘 要：針對大型承載平臺上升的平衡控制問題，對平臺的上升過程進行了建模與仿真研究，建立了交流異步電機的數學模型，結合控制要求設計了控制系統，同時運用Matlab Simulink得出了系統的動態仿真模型對結果進行了處理分析。仿真結果證明，本系統開放靈活，可以達到控制平臺平穩上升的目的。

關鍵詞：三樁腿平臺；交流異步電機；平衡控制；建模；仿真

中圖分類號：TP272 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）08-00-02

0 引 言

大型承載平臺在海洋石油開采及其他工程建設應用中有著持續作業時間長和效率高等優點，升降控制系統是平臺制造的關鍵部分，它的性能優劣直接影響平臺的安全性和使用效果[1]。以三樁腿平臺為研究對象，由于平臺分布在三個樁腿上的重量不完全相等，各樁腿上驅動電機的性能及減速箱的特性不同，可能造成平臺在上升過程中出現不同程度的傾斜。嚴重的傾斜會對平臺的安全造成影響，甚至使平臺倒塌[2]。因此在控制系統中，要實時檢測平臺的傾角，當出現傾角時對相應電機的轉速進行調節，用以實現平臺平衡上升的靈活控制[3]。

針對平臺上升過程中的平衡控制問題[4]，可運用電機變頻調速控制。本文根據平臺上升過程的簡化模型得到穩定的參考模型，設計出參考模型的自適應控制器。在負載發生變化的情況下，自動調節電機的輸出功率，從而保證閉環控制系統的穩定性，使得平臺可以平衡穩定的上升到設定高度。

1 交流異步電機的建模

1.1 電機的數學模型

圖1中，n為轉子實際轉速；np是極對數；ωs為旋轉磁場的同步轉速；ω是轉子的機械角速度；ω1為電機供電角頻率（對應頻率f1，ω1=2πf1）；J表示機組的轉動慣量；Te為異步電機輸出的電磁轉矩；Tl是負載阻轉矩；R2是電機的轉子電阻；U1是電機定子的相電壓。

1.2 電機調速模型

1.3 PID轉速控制

為了使轉速控制更加準確、快速、穩定，可以運用PID控制器進行電機轉速控制。PID控制器是通過將偏差的比例（Kp）、積分（Ki）和微分（Kd）進行線性組合構成控制量對被控制對象進行控制[18-20]。可以得到系統電機轉速控制的Simulink仿真模型如圖3所示。

2 平臺上升過程的建模

建立Simulink仿真模型，可以階躍信號給定轉速的設定值，通過PID變頻控制電機轉速，經減速箱得到傳遞到樁腿上的速度，再進行積分得到平臺各樁腿的位移。并且分別在第6秒和第8秒時給2號樁腿和3號樁腿加入一個小階躍信號的干擾，最后再由傳感器進行反饋，形成最外層的控制環。

通過三個觀測器可以看到多個參數的變化，如電機轉速、樁腿位移變化曲線、電機速度差曲線等。最終建立的Simulink仿真結構如圖4所示。

3 仿真結果

在仿真系統中，電機額定轉速n=1 500 rpm，電機轉速控制的PID參數分別是0.1、1、0.01。減速箱的減速比是1：15000。選取變步長仿真，電機帶負載啟動。

模擬平臺的平衡調節過程，圖5是仿真曲線圖。分別在第6秒和第8秒時給平臺的樁腿2和樁腿3施加負載（如圖5（a）），使其位移量減少（如圖5（b）），平臺出現傾角。通過傳感器將位移差反饋到輸入端，此時電機實現轉速的自動調節，減小不平衡傾角，最終使平臺重新回到平穩上升的狀態（如圖5（c））。

4 結 語

本文在建立了電機模型的基礎上，實現了平臺上升過程的建模與仿真，并對平臺上升過程的部分重要參數進行了實時觀測，從而有效解決了平臺上升過程中的不平衡問題。通過實時監控，可不斷減小平臺傾角，最終使平臺平穩上升。由此可見，該方法對實際平臺的平衡控制具有一定的參考價值。

參考文獻

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

[2]歐進萍，肖儀清，黃虎杰.海洋平臺結構實時安全監測系統[J].海洋工程，2001.19（2）：1-6.

[3]譚躍，邱赤東，姜培元.自升式海洋平臺自動平衡控制的研究[J].大連海事大學學報，2000，26（2）.95-97.

[4]彭國朋，黃海濤.天線塔架液壓升降系統運動平穩性研究[J].電子機械工程，2012，28（6）：17-19.

[5] 程偉，馬樹元，吳平東，等.三相交流異步電機的建模與仿真[J].計算機仿真，2005（3） ：69-71

[6]顧德英，季正東，張平.基于SIMULINK的異步電機的建模與仿真[J].電力系統及其自動化學報，2003（2）：71-73.

[7]謝雅，黃中華，左金玉.三相交流異步電機矢量控制系統仿真建模[J].湖南工程學院學報（自然科學版），2013（1）：1-4.

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

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

[11]應慧娟.基于ROCKWELL三層網絡的電機控制[D].北京：中國計量科學研究院，2007

[10]李發海，王巖.電機與拖動基礎[M].北京：清華大學出版社，2008

[12]吳曉慧.旋轉電機轉子轉動慣量測定方法[J].中小型電機，2005，32（2）：62-65

[13]丁輝，胡協和.交流異步電動機調速系統控制策略綜述[J].浙江大學學報（工學版），2011（1）：50-58.

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

[15]劉錚，賈斌，馬麗輝.基于交流異步電機變頻調速及多種調速系統的對比[J].機電信息，2011（9）：74，95.

[16]李春文，張愛芳，曹玲芝.交流異步電機變頻調速系統研究綜述[J].科技資訊，2009（33）：47.

[17]朱明，陳覺曉，貢俊，等.交流異步電機數學模型的研究[J].微特電機，1999（1）：4-9，35.

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

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

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