翻車機C形架位置與速度的Matlab控制仿真研究

錢 微，張 俊

(重慶理工大學 電氣與電子工程學院， 重慶 400054)

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翻車機C形架位置與速度的Matlab控制仿真研究

錢 微，張 俊

(重慶理工大學 電氣與電子工程學院， 重慶 400054)

以翻車機為控制對象，研究了時變慣性系統的多目標測控問題。用測速傳感器得到系統的加速度和位置的實時量，從而建立起以控制給定為基準的可預估智能控制器，為變頻器控制時變慣性對象的運動速度與位置提供準確、可靠的依據。Matlab仿真結果驗證了該方法的有效性。

時變慣性；翻車機；預估

翻車機是一種大型自動卸車系統，可翻卸鐵路散貨車所裝載的散粒物料，廣泛應用于發電廠、港口、冶金、煤炭等領域。

翻車機卸車系統主要由“C”形折返式卸車和配套工藝設備組成。翻車機“C”形架對重車倒料停車位和空車對軌位的位置精度要求較高，同時在這兩個位置上希望速度為0。

目前，在翻車機控制中普遍采用變頻器。以多段速控制[1]調節轉速，在停車段做慣性運動，并輔以液壓推桿式抱閘在停車點制動、定位。這種控制方案能實現工藝工序的主要目標。但在控制效果上暴露出兩大問題[2]：其一，到停車點時，C形架轉速不為零，一部分動能通過抱閘摩擦生熱消耗掉，另一部分由抱閘階躍制動引發的C形架激烈振動散失。特別是對軸承等傳動部件的沖擊明顯，對設備、設施帶來不利的影響。其二，這種控制在生產中還表現為停車位對位不準，從而引發列車脫軌和設施設備損壞等生產事故。

在翻車機作業過程中，由于C形架圓周運動和物料狀態的變化使整個C形架處于一個慣性時變的過程中。在實際生產中存在較多具有此特點的系統，同時實現對該種時變慣性系統端點位置和速度的多目標測控具有非常重要的技術價值和工程意義。

1 系統作業過程分析

目前翻車機控制系統由單臺或兩臺變頻器對C形架實現運動控制。抱閘用于制動和C形架定位。系統翻卸效率為20～25 輛/h。額定翻轉重量為100 t。最大翻轉重量為140 t。翻車機采用2臺8極變頻電動機，其額定功率55 kW。C形架最大回轉角175°為超限停車位，正常卸車時回轉角為165°。在空車返回距零位27°時，使返回速度降至額定速度的1/6，此后系統慣性運動，以減小抱閘在停機時的機械沖擊。回轉速度n<1 r/min。通過安裝在C形架上的接近開關和光電對射式傳感器實現角度和位置的檢測[3]。

如圖1所示，如果在系統檢測中增加測速傳感器，測得C形架的實時轉速，并將上述信號反饋回控制系統就可以構建對C形架的智能預估位置與速度控制算法，從而實現零速精確定位控制目標，以優化設備的控制。

圖1 系統信號流程

翻車機C形架在整個重車卸車和空車返回過程中最大的特點就是質量及質量分布實時變化，特別是這種慣性變化呈現出散料下卸過程中固有的不規則性和沖擊性，這就給電機的轉速及力矩控制帶來了嚴重問題。這一點從式(1)(2)可以看出。

(1)

(2)

其中:f(t)為作用力；l(t)為折算到作用端的距離；m(t)為車輛質量。

在重車卸車過程中，質量m(t)會不規則減少，空車返回時不變。l(t)在重車和空車時均會因質量分布的變化而變化。在這一過程中，由于質量及質量分布不規則變化，使得測得的電機電流無法表達轉矩與C形架的速度、加速度等量的對應關系。重車時的大電流可能對應較小的加速度，輕車或空車時較小的電流可能產生較大的加速度。所以用電流作為電機轉矩控制難以實現對加速段、減速段的測控，實現零速、零位停車[4]。

如果引入速度測量，并以此直接作為C形架速度控制的依據,將得到下列結論：

(3)

通過實時轉速的閉環，以智能控制器來調節制動(驅動)力矩，控制減(加)速過程的速度變化；也通過對速度的積分值來控制C形架的位置。據此可以方便地構建定點、零速停車曲線，并以其作為智能預估控制算法的給定基準來預估控制量，從而大大提高控制的品質。

根據生產節拍、工藝作業要求[5]，可以將C形架的回轉周期定為60 s。翻車機C形架重車卸料作業翻轉165°，到位時要考慮175°超限位置的安全措施。在重車卸車作業時，根據系統提供的位置傳感器和兩個光電開關將控制給定設置成0°～75°為加速段，75°～110°為勻速段，110°～165°為減速段。165°位置完成零速停車。在空車返回時主要考慮27°時減速控制，實現零位精確對軌，以避免空車脫軌事故。在卸車與空車返回過程中用系統提供的位置傳感器校驗控制時刻與角位移的關系。具體分段見表1。

表1 30 s等加減速條件下卸車作業過程

由表1可知：在C形架上位置傳感器安裝位置已經確定，因此加減速及勻速段的角位移就據此確定[6]。如果設定勻加速的工況，結合系統工作節拍的要求，給定頻率與時刻、角位移的對應關系應如表1所示。在這種情況下啟停位置和速度拐點處速度連續不可導，在這些點將引起設備的運行震蕩。應當對這些點做平滑處理，在拐點處使其速度連續可導，以提高設備運行品質。具體處理上，以等加速度控制曲線為基本依據，結合系統運行特點、設備能力、生產節拍不變等要素分段給出控制給定曲線。在啟動時，負荷重要低頻慢速啟動，在75°進入勻速段時物料開始大量下瀉，整車質量急劇下降。110°～135°因轉速較高且動能較大，可以用小制動力矩緩慢減速，在135°～150°段，速度減小到勻速時的70%，整車質量也變小且趨于穩定，動能在50%以下，因此，有條件大力矩快速減速。而在150°～165°段，動能小，慣性變化小，主要考慮零速準確對位停車。

根據上述分析，以表1所示數據為基準，采用式(4)所示的分段多項式擬合構建出變頻器頻率與時刻對應的設定速度曲線，如圖2所示。

根據C形架的實際運行情況，在C形架轉動角度大于45°(工作時刻約12 s)時物料開始大量傾泄，致使負載急劇減小，在翻車機轉動行程的末段，由于物料所剩無幾，負載變化趨緩。考慮翻車機及物料質量分布變化的總體趨勢及其不規則性和沖擊性變化，采用圖3所示擬合曲線及混合隨機噪聲的方法來模擬系統實際運行過程中負載轉矩的非線性時變特性。

圖3 負載變化曲線

2 系統仿真

在Matlab中，構建轉速和電流閉環的異步電動機矢量控制變頻調速系統[7]的仿真模型，如圖4所示，異步電動機矢量控制變頻調速系統的主回路由IGBT逆變電源、異步電動機等部分組成。其中IGBT逆變電源由一個780 V恒定直流電壓源和一個IGBT原件構成的通用變流器橋組成。

在仿真系統的矢量控制器模塊中，采用了轉速電流雙閉環反饋控制，見圖5，其中速度環控制采用了模糊控制器[8]，其模糊規則表如表2所示。

圖4 系統仿真結構

圖5 矢量控制器子模塊結構表2 速度環模糊控制器規則表

輸出誤差誤差變化率負大負小0正小正大負大負大負大負小負小負小負小負大負小負小000負小00正小正大正小00正小正小正大正大正小正大正大正大正大

通過對速度給定曲線和等加減速曲線分別積分得到給定角位移的頻率折算量，30 s時對應值為828.580 2，而速度給定響應曲線對時間的積分值為827.955 3，誤差率低于0.001。說明C形架在沒有抱閘的干預下，能通過分段預估智能控制調節實現定點停車。

具體仿真結果如圖6所示，觀察圖6(a)發現，給定速度曲線在加減速段平滑，在負載非線性時變的情況下，系統響應良好。

相同仿真條件下，等加減速曲線的響應如圖6(b)所示：30 s時等加減速度響應曲線對時間的積分值為838.687 5，誤差率約為0.012。說明速度給定曲線的響應優于等加減速曲線的響應。

圖6 速度響應曲線

為分析減速停車階段速度曲線變化情況，選取兩條速度響應曲線的末端進行放大分析，具體結果如圖7所示。

從圖7(b)可以看出，在等加減速度響應曲線末段(29.5～30 s)，變頻器頻率從約2 Hz向零速過渡，加速度明顯大于同時段給定速度響應曲線，且速度最終沒有平緩過渡到零，加上前述其響應曲線對時間在30 s的積分值誤差率較大，致使其不能準確地到位零速停車，且對系統會造成一定的沖擊。而在給定速度響應曲線末段(29.5～30 s)，如圖7(a)，變頻器頻率從小于0.3 Hz逐漸過渡到0 Hz,系統實現了較為平緩的零速停車，大大地降低了沖擊對系統帶來的不利影響。

圖7 速度響應曲線末端情況

3 結束語

翻車機C形架是典型的變質量和變質量分布對象。控制上要求系統實現速度和位置雙目標測控。通過對系統引入測速裝置使系統具備了準確描述時間與空間關系的可能，據此構建了分段預估智能控制器。根據優化的給定速度曲線，通過數字仿真證明重車零速定點停車可行。這樣就克服了實際生產中由于慣性和抱閘工況不確定引發的停車不能準確對位，停車速度不為零的狀況。控制器較為準確地跟蹤了分段給定控制曲線，改善了系統的運行過程，提高了控制水平。后續通過進一步積累大量的工程數據，可以根據物料、現場工藝節拍及設備的具體情況尋求更優的給定速度曲線，在定點、零速停車、節能方面進一步改善系統的運行效率和質量。這一控制方法對工業生產中類似的對象也有積極的參考意義。

[1] 劉彥良,李夏,付海濤.基于西門子PLC與MM440變頻器的多段速控制方法應用[J].電工技術,2011(8):47-49.

[2] 常青.C型翻車機系統常見故障分析[J].冶金設備管理與維修,2016,34(2):65-67.

[3] 彭英,蘇文泉.火力發電廠翻車機變頻控制系統的應用研究[J].中國電力,2002,35(9):14-16.

[4] 陳勇,蔡軍,笪靖.基于PLC的輸煤翻車機變頻控制系統設計[J].能源技術與管理,2013,38(6):155-157.

[5] 楊波.翻車機系統性能提升研究[J].港口裝卸,2017(1):17-19.

[6] 陳曉,王立德,張泰.翻車機系統及其檢測裝置的分析和研究[J].工程技術(文摘版),2016(3):151-151.

[7] 周淵深.交直流調速系統與MATLAB仿真[M].北京：中國電力出版社,2004.

[8] 張艷杰,徐丙垠,熊立新,等.一種基于SRD模糊控制的風力機模擬器[J].電機與控制學報,2011,15(1):38-43.

(責任編輯 劉 舸)

Simulation Control Research on Matlab of Position and Velocity of C-Frame in Dumper

QIAN Wei， ZHANG Jun

(Department of Electrical and Electronic Engineering,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

The multi-objective measurement and control problem of time-varying inertial system is studied by using the dumper as the control object. With the speed of the system at the same time, it gets the system acceleration and location of the real-time, and establishes a control given benchmark of intelligent controller to predictable export. It provides accurate and reliable basis for time-varying inertia object damping torque acquired by frequency converter and position control of the C shape frame. The Matlab simulation results verify the effectiveness of the proposed method.

time-varying inertia; car dumper; forecast

2017-05-26

錢微(1964—), 男, 陜西戶縣人,碩士研究生, 高級工程師,主要從事自動控制系統的工程應用研究，E-mail: cqqianwei@cqut.edu.cn。

錢微，張俊.翻車機C形架位置與速度的Matlab控制仿真研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(7):182-187.

format：QIAN Wei，ZHANG Jun.Simulation Control Research on Matlab of Position and Velocity of C-Frame in Dumper[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):182-187.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.029

TP29

A

1674-8425(2017)07-0182-06