絞吸挖泥船橫移系統(tǒng)多回路控制研究

蔣 爽 倪福生 魏長 李洪彬

(河海大學(xué)疏浚教育和研究中心1，江蘇 常州 213022；河海大學(xué)機電工程學(xué)院2，江蘇 常州 213022)

絞吸挖泥船橫移系統(tǒng)多回路控制研究

(河海大學(xué)疏浚教育和研究中心1，江蘇 常州 213022；河海大學(xué)機電工程學(xué)院2，江蘇 常州 213022)

為了提高絞吸挖泥船的施工產(chǎn)量，同時避免設(shè)備電流超限或管路濃度過高現(xiàn)象的發(fā)生，提出了混合多回路控制系統(tǒng)。建立了橫移系統(tǒng)的多個制約因素和橫移速度的數(shù)學(xué)模型，并分別設(shè)計了模糊PID和Smith預(yù)估器的控制方法。對于多個子回路之間的協(xié)調(diào)問題，設(shè)計了一個多回路自動切換控制器，并進行仿真。仿真結(jié)果表明，該控制器能根據(jù)橫移系統(tǒng)的運行狀態(tài)自動切換控制回路，實現(xiàn)了絞吸挖泥船橫移系統(tǒng)對多回路的穩(wěn)定、高效控制。

絞吸挖泥船 橫移控制 混合系統(tǒng) 多回路協(xié)調(diào) 自動切換 數(shù)學(xué)模型 模糊PID控制 Smith預(yù)估器

0 引言

絞吸挖泥船在不同土質(zhì)、地形等工況下施工時，制約生產(chǎn)能力的關(guān)鍵參數(shù)各不相同[1]。挖泥船在挖掘較硬土質(zhì)(如黏土、巖石)的工況時，制約生產(chǎn)能力的關(guān)鍵參數(shù)是橫移阻力或絞刀切削阻力；當(dāng)挖掘較軟土質(zhì)(如淤泥、粉沙)時，制約參數(shù)則變?yōu)楣艿垒斔湍酀{濃度或泥泵真空度。因此，在進行挖泥船的橫移自動化研究時，需綜合考慮多個制約參數(shù)，實時調(diào)整橫移速度，在確保絞吸挖泥船安全生產(chǎn)的同時盡量維持較高的生產(chǎn)能力。本文以當(dāng)前主流的電力變頻驅(qū)動型絞吸挖泥船橫移系統(tǒng)為研究對象[2]，選用橫移電機電流、絞刀電機電流和挖泥船產(chǎn)量作為控制參數(shù)，分別建立其對橫移速度影響的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計相應(yīng)的控制方法，并通過切換控制[3]決定由哪個回路進行實際控制，實現(xiàn)了絞吸挖泥船橫移系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效控制。

1 絞吸挖泥船橫移系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立

1.1 考慮電流限制的數(shù)學(xué)模型

由于橫移電機電流和絞刀電機電流與橫移速度之間具有相似的數(shù)學(xué)模型，將兩者統(tǒng)一起來，建立了考慮電流限制的橫移數(shù)學(xué)模型。絞吸挖泥船施工時，橫移電機驅(qū)動橫移絞車收放纜索實現(xiàn)絞吸挖泥船繞定位樁的弧線擺動，同時絞刀電機驅(qū)動絞刀旋轉(zhuǎn)切削，兩個運動相互配合實現(xiàn)扇形挖泥作業(yè)。橫移切削的電機電流與電機所受負載有關(guān)，而電機負載的大小取決于絞刀切削反力。

絞刀切削反力計算較為復(fù)雜，采用試驗回歸方法，可得依據(jù)土質(zhì)計算的絞刀總切削阻力經(jīng)驗公式為[4]：

(1)

(2)

式中：Ca=0.4，Cv=1.0，Ch=0.9；r為絞刀大環(huán)內(nèi)圈半徑，m；M為絞刀頭扭矩，N·m。

已知絞吸挖泥船三個方向上的切削反力，對整個挖泥船xy平面進行受力分析，如圖1所示。圖中，F(xiàn)h為絞刀橫移切削時所受的水平方向作用力；Fa1、Fv1為切削反力Fa、Fv在xy平面上的投影；Fsbw、Fpsw為左右橫移錨纜拉力在xy面上的投影，F(xiàn)psw=cFsbw，c一般為0.3；γ1、γ2為左右橫移錨纜與船體中心線垂直方向的夾角；Fx總、Fy總、M總分別為船體受到的風(fēng)、流、波浪作用力和力矩。

圖1 絞吸挖泥船整體xy平面受力圖

Fig.1 The forces acting onxyplane of cutter suction dredger

(3)

(4)

同樣可以得到絞刀電機的負載扭矩為：

(5)

因此，式(5)可以簡化為：

(6)

絞吸挖泥船橫移和絞刀電機都采用三相異步電機。變頻器為V/F控制，即在低頻運行時，通過適當(dāng)補償定子電壓，可抵消阻抗壓降份額增大的影響，使反電動勢和磁通得到補充，從而增大低頻時帶負載能力。在變頻器V/F控制下，電機運行在恒磁通范圍內(nèi)，電機電流可以表示為:

(7)

無功電流為：

(8)

有功電流為：

(9)

將式(4)、式(6)代入式(7)～式(9)，分別得到橫移電機、絞刀電機和橫移速度之間的最終數(shù)學(xué)模型，如式(10)、式(11)所示[6]。

考慮橫移電機電流限制的數(shù)學(xué)模型為：

(10)

考慮絞刀電機電流限制的數(shù)學(xué)模型為：

(11)

分析兩者的數(shù)學(xué)模型，可知其具有非線性的特點，且土壤標(biāo)貫擊數(shù)和切刃有效長度與土質(zhì)及地形密切相關(guān)，具有時變性的特點。同時，在上述建立模型的過程中，大部分公式都是依據(jù)經(jīng)驗公式所得，無法獲得其準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，具有不確定性特點。因此，考慮電流限制的橫移數(shù)學(xué)模型具有非線性、時變性及不確定性的特點。

1.2 考慮產(chǎn)量限制的數(shù)學(xué)模型

絞吸挖泥船產(chǎn)量形成可以分為三個過程：絞刀切削、管道輸送和產(chǎn)量計檢測。整個過程如圖2所示。

圖2 絞吸挖泥船產(chǎn)量形成過程

Fig.2 The forming process of construction output

of cutter suction dredger

(12)

式中:YC為絞吸挖泥船濕方產(chǎn)量，t/h;VS為絞吸挖泥船橫移速度，m/min。增益K隨外界土質(zhì)、地形變化而變化，同樣具有時變性特點，而且模型中滯后時間τ較長，τ/V>0.3，屬于大時滯系統(tǒng)。

2 橫移系統(tǒng)多回路控制方法設(shè)計

2.1 電流保護回路設(shè)計

為了保證在提高絞吸挖泥船產(chǎn)量的同時，橫移電機電流和絞刀電機電流不超限，需要建立電流保護回路。由于前述所建立的電流數(shù)學(xué)模型具有非線性、時變性和不確定性的特點，常規(guī)PID控制難以達到較好的控制效果，考慮將模糊控制和傳統(tǒng)PID 控制相結(jié)合，得到模糊自適應(yīng)PID控制器。其中，模糊控制部分根據(jù)電流誤差E和誤差變化率Ec，實時在線自適應(yīng)調(diào)整PID控制中三個參數(shù)：kp、ki和kd。PID控制部分采用智能積分算法，在誤差E較小并具有繼續(xù)減少的趨勢時，消除積分作用，以防止積分飽和現(xiàn)象。

2.2 產(chǎn)量控制回路設(shè)計

為了在提高產(chǎn)量的同時，避免挖掘淤泥、流沙時濃度過高造成管道堵塞，需要建立產(chǎn)量控制回路。由于前文所建立的產(chǎn)量數(shù)學(xué)模型具有大時滯、時變性和不確定的特點，考慮采用Smith預(yù)估控制器對模型的純滯后予以補償，以減少滯后系統(tǒng)的超調(diào)，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。但傳統(tǒng)的Smith預(yù)估控制器系統(tǒng)對模型估計準(zhǔn)確性要求較高，在模型不準(zhǔn)確時，控制性能會變差甚至不穩(wěn)定。因此，需要在傳統(tǒng)Smith預(yù)估器的基礎(chǔ)上對其進行改進。

實際對象參數(shù)中增益K和時滯常數(shù)τ對Smith 預(yù)估器穩(wěn)定性的影響較大，對時間常數(shù)T的影響較小。對絞吸挖泥船系統(tǒng)而言，其滯后時間τ主要取決于泥沙從吸口輸送到泥沙產(chǎn)量計處的時間，這部分時間可以由計算得到且變化很小。增益K主要取決于絞刀切削過程的漏泥率，其波動性較大，是影響系統(tǒng)控制性能的關(guān)鍵因素。本文通過改進傳統(tǒng)的Smith 預(yù)估控制方法，系統(tǒng)引入實際對象的輸出產(chǎn)量和預(yù)估器輸出產(chǎn)量的誤差來在線調(diào)整預(yù)估器的系統(tǒng)增益K，使其能跟蹤并收斂于實際對象參數(shù)增益。改進后的Smith方法結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其主控制器采用模糊PID控制算法，以增加系統(tǒng)自適應(yīng)性能。

圖3 改進Smith預(yù)估器控制系統(tǒng)框圖

Fig.3 The improved Smith predictor control system

參數(shù)自適應(yīng)辨識模塊由模糊控制和參數(shù)辨識兩部分組成。模糊控制部分取實際對象的輸出y和預(yù)估器輸出的誤差ep作為輸入量，增益K的調(diào)節(jié)量為輸出量。對輸入/輸出變量進行模糊化處理，輸入/輸出變量的語言集都為{NB，NM,，NS，ZO，PS，PM，PB}，隸屬度函數(shù)采用靈敏性強的三角函數(shù)。參數(shù)辨識部分中，令θ為可調(diào)參數(shù)，記為θn，選擇性能指標(biāo)為f(x)=|ep|，當(dāng)滿足f(x)≤0.5時，即認為達到參數(shù)的調(diào)節(jié)要求，不再對增益K進行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)后的增益為K調(diào)=Kθn。

3 多回路自動切換控制器設(shè)計

混合系統(tǒng)已經(jīng)成為控制界的研究熱點[7-8]，而切換控制作為混合系統(tǒng)的一種有效控制方法，已經(jīng)得到了實際應(yīng)用[9-10]。本文采用自動切換控制的方法，設(shè)計了一種多回路自動切換控制器，可在不同的工況下選擇不同的控制回路，以實現(xiàn)絞吸挖泥船橫移自動化控制。產(chǎn)量與電流保護回路切換示意圖如圖4所示。

圖4 產(chǎn)量與電流保護回路切換示意圖

Fig.4 The switchover of current protection loops

and construction output

當(dāng)絞吸挖泥船產(chǎn)量較低時，為提高生產(chǎn)效率，需要提高橫移速度，由產(chǎn)量控制回路進行控制。從工況點A運行至工況點B時，由于橫移速度的增加會引起橫移電機和絞刀電機電流上升，可能達到電流限定值。在工況點B處，電流保護回路接替產(chǎn)量控制回路開始工作，以電流保護回路目標(biāo)值作為整個系統(tǒng)的控制目標(biāo)值來調(diào)整橫移速度。子回路實際值與設(shè)定值的差值即誤差值越大，該回路越危險。當(dāng)所有子回路都低于或都高于其目標(biāo)設(shè)定值時，則以其中最為危險的子回路目標(biāo)值作為整個系統(tǒng)的控制目標(biāo)值。

同時，絞吸挖泥船施工時外部環(huán)境較為復(fù)雜，疏浚地形、地質(zhì)多變，這些外部的干擾都會引起絞吸挖泥船產(chǎn)量和電機電流的瞬時波動變化，進而引起產(chǎn)量與電流保護回路頻繁切換甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。為提高切換控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性，避免回路間頻繁切換影響系統(tǒng)控制性能，本文在設(shè)計的自動切換控制系統(tǒng)中加入了一個濾波時間t濾波，即在t濾波內(nèi)需作多次判斷以確認絞吸挖泥船產(chǎn)量、橫移電機電流或絞刀電機電流中某一值是否超過系統(tǒng)限定值。當(dāng)產(chǎn)量或電流的超限時間大于t濾波時進行切換(如圖4中BC工況中t1和t2均大于t濾波)，否則不進行切換(如圖4中DE工況中t3和t4均小于t濾波)，從而消除信號突變或干擾的影響，其中時間的設(shè)定應(yīng)低于系統(tǒng)超限所允許的時間。自動切換控制器以各回路誤差作為輸入信號，輸出為回路切換信號。整個自動切換控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 絞吸挖泥船橫移自動切換控制系統(tǒng)框圖

Fig.5 Automatic traverse switching control system of CSD

4 多回路控制系統(tǒng)的仿真研究

本文選取外部環(huán)境因素中的土質(zhì)軟硬程度變化作為干擾因素，對多回路控制系統(tǒng)進行仿真，設(shè)定t濾波=1 s。在t濾波=20 s時，引入土壤標(biāo)貫擊數(shù)外界干擾曲線，如圖6所示。

圖6 土壤標(biāo)貫擊數(shù)變化曲線

Fig.6 Variation curve of the soil SPT blow count

在土質(zhì)軟硬程度即土壤標(biāo)貫擊數(shù)N變化的外界干擾下，子回路相對誤差及切換曲線如圖7所示。

圖7 子回路相對誤差及切換曲線

Fig.7 The relative error and switching curve of sub-loops

圖7(a)中，誤差大于0即表示該子回路實際值超過系統(tǒng)設(shè)定值。圖7(b)中，當(dāng)狀態(tài)值為-1時，說明目前處于絞刀電機電流保護回路；當(dāng)狀態(tài)值為0或1時，說明目前處于橫移電機電流保護回路或產(chǎn)量控制回路。多回路控制系統(tǒng)以各子回路的誤差作為輸入信號，圖7(a)中，當(dāng)0

電機電流保護回路，即狀態(tài)變量由1變?yōu)?1。同樣，在t=38.1 s和t=40.5 s時進行了回路切換，在t=54 s時，雖然挖泥船產(chǎn)量曲線誤差大于0，但由于其時間較短(t<1 s)，因而其被當(dāng)作信號干擾而被過濾掉，系統(tǒng)不進行切換。

按照以上規(guī)律，系統(tǒng)判斷確認各子回路誤差大小并進行自動切換，實現(xiàn)整個絞吸挖泥船橫移混合多回路系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

5 結(jié)束語

本文建立了電力驅(qū)動型絞吸挖泥船橫移速度和橫移電機電流、絞刀電機電流及產(chǎn)量之間的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了各控制回路的控制方法。針對混合控制系統(tǒng)中的多回路協(xié)調(diào)問題，設(shè)計了多回路自動切換控制系統(tǒng)，并對其進行了仿真。仿真結(jié)果表明，多回路自動切換控制器在施工工況(如土質(zhì))變化較大的情況下，能夠根據(jù)各子回路誤差信號，自動切換至適合該工況條件的控制器，實現(xiàn)了橫移系統(tǒng)在多種工況下的高效、穩(wěn)定控制。系統(tǒng)安全性和自適應(yīng)性好，對實現(xiàn)挖泥船的橫移自動化具有一定的指導(dǎo)意義。

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Research on the Multi-loop Control for Traverse System of Cutter Suction Dredger

In order to increase the construction output of cutter suction dredgers,and avoid the over limit current of equipment or excessive concentration in pipeline,a hybrid multi-loop control system is proposed.The mathematical models of a plurality of restrictive factors and the traverse speed are built,and the control methods of fuzzy PID and Smith predictor are respectively designed.For the coordination among multiple sub-loops,a multi-loop automatic switching controller is designed and simulated.The simulation results show that the controller can automatically switchover the control loops according to the running state of the traverse system,thus the stable and highly efficient control of the traverse system of cutter suction dredger is realized.

Cutter suction dredger Swing control Hybrid system Multi-loop coordination Automatic switching Mathematical model Fuzzy PID control Smith predictor

蔣爽(1981—)，男，2007年畢業(yè)于河海大學(xué)材料加工專業(yè)，獲碩士學(xué)位，實驗師；主要從事疏浚技術(shù)自動化方向的研究。

TH39;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612016

修改稿收到日期：2016-05-11。