三峽船閘雙邊人字閘門隨動(dòng)控制仿真研究

陳坤 高術(shù) 陳學(xué)文

摘要： 為提高船閘人字閘門運(yùn)行效率，以三峽船閘雙邊人字閘門液壓起閉控制系統(tǒng)為對(duì)象，以三環(huán)PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用雙比例泵/電機(jī)組交叉耦合補(bǔ)償?shù)脑砼c方法搭建了人字閘門三環(huán)PID隨動(dòng)控制系統(tǒng)仿真模型。通過(guò)MATLAB/Simulink軟件仿真與船閘實(shí)際PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行曲線的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)雙邊人字閘門隨動(dòng)控制仿真系統(tǒng)關(guān)門歷時(shí)2.1 min，開(kāi)門歷時(shí)2.2 min，原PLC隨動(dòng)控制系統(tǒng)關(guān)門歷時(shí)5.2 min，開(kāi)門歷時(shí)3.1 min，該仿真系統(tǒng)能大大提升系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，且不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。研究成果對(duì)于船閘雙邊人字閘門隨動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)和三峽新通道船閘控制系統(tǒng)建設(shè)具有借鑒意義。

關(guān) 鍵 詞： 人字閘門; 隨動(dòng)控制; 交叉耦合補(bǔ)償; 三環(huán)PID控制; 仿真模型; 三峽船閘

中圖法分類號(hào)： ?U641.7+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.036

0 引 言

三峽船閘是目前世界上規(guī)模最大、總設(shè)計(jì)水頭最高的雙線五級(jí)船閘，其雙邊人字閘門控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)-電-液系統(tǒng)[1]。由于工況特殊，船閘運(yùn)行負(fù)荷重，運(yùn)行安全責(zé)任大，這就要求人字閘門控制系統(tǒng)必須具備較快的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、較高的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能[2]。

三峽船閘現(xiàn)有的人字閘門（見(jiàn)圖1）控制系統(tǒng)采用基于PLC的分7段給定比例泵/電機(jī)組電壓值-液壓起閉傳動(dòng)-閘門行程負(fù)反饋調(diào)整給定電壓值的控制策略，實(shí)現(xiàn)雙邊人字閘門的協(xié)調(diào)同步運(yùn)行[3]。這種控制策略能較好地保證閘門開(kāi)關(guān)門過(guò)程中的穩(wěn)定性和合攏對(duì)中的準(zhǔn)確性，但由于其給定電壓采用7級(jí)變速經(jīng)驗(yàn)值給定，閘門運(yùn)行快速性還有進(jìn)一步提升的空間。

因此，利用計(jì)算機(jī)模擬仿真的方法，建立準(zhǔn)確度高的隨動(dòng)系統(tǒng)模型[4]，采用先進(jìn)的控制方法和算法來(lái)實(shí)現(xiàn)船閘機(jī)-電-液控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)研究[5]，對(duì)改進(jìn)和優(yōu)化三峽船閘現(xiàn)有的人字閘門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提升三峽船閘運(yùn)行效率、進(jìn)一步為新通道船閘建設(shè)提供技術(shù)支撐等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 人字閘門隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三峽船閘人字閘門需要實(shí)現(xiàn)兩扇閘門隨動(dòng)啟閉功能，開(kāi)關(guān)門過(guò)程中要求運(yùn)行快速、平穩(wěn)、隨動(dòng)性好、關(guān)終門體錯(cuò)位和門縫較小。本文以三峽船閘雙邊人字閘門門體為研究對(duì)象，以三環(huán)PID控制隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，對(duì)其隨動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB/Simulink仿真研究。雙邊人字閘門門體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為雙比例泵/電機(jī)組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用液壓起閉油缸，以增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜工況和大、變負(fù)載的適應(yīng)性能。

1.1 人字閘門三環(huán)PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PID控制是比例積分微分控制的簡(jiǎn)稱，它是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器[6]。傳統(tǒng)PID控制器的控制規(guī)律為

u（t）=Kp e（t）+ 1 Ti ∫t0e（τ）dτ+ Tdde（t） dt?? （1）

式中：e（t）為系統(tǒng)誤差，Kp為控制器比例環(huán)節(jié)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。

式（1）中控制量均為模擬量，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)只能識(shí)別數(shù)字量，則基于計(jì)算機(jī)的PID過(guò)程控制系統(tǒng)[7]需要將參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)離散化后才能運(yùn)用。式（1）控制規(guī)律離散化為

u（k）=kPe（k）+ki ?k j=0 e（j）+kd e（k）-e（k-1） T? （2）

式中：kp表示比例系數(shù)，kd表示微分系數(shù)，ki表示積分系數(shù)，T表示采樣周期，k表示采樣序列，e（k-1）和e（k）分別表示第（k-1）和第k次信號(hào)偏差。

在PID控制中，穩(wěn)、準(zhǔn)、快三特性往往不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，只能取一個(gè)平衡值，在保障系統(tǒng)功能、性能的前提下同時(shí)兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性[8]。

本文介紹的人字閘門三閉環(huán)位置隨動(dòng)控制系統(tǒng)如圖2所示。整個(gè)控制系統(tǒng)從內(nèi)而外分為電流環(huán)控制、速度環(huán)控制和位移環(huán)控制，把人字閘門位置和人字閘門開(kāi)度儀的差值經(jīng)過(guò)位置控制器輸出，作為電機(jī)組轉(zhuǎn)速給定的依據(jù);轉(zhuǎn)速給定值和人字閘門實(shí)際轉(zhuǎn)速值的差值經(jīng)過(guò)速度控制器后輸出，作為電流控制的給定依據(jù);電流控制可以快速地實(shí)現(xiàn)電流的輸入/輸出需求。電流給定經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換后可得到電壓控制信號(hào)，電壓信號(hào)決定電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速，并通過(guò)液壓油缸傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)人字閘門轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到人字閘門隨動(dòng)裝置位置隨動(dòng)控制的目的。

由于船閘人字閘門工況復(fù)雜、負(fù)載較大，雙側(cè)人字閘門采用雙比例泵/電機(jī)組驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)比例泵/電機(jī)組由2臺(tái)電機(jī)組成，在雙邊人字閘門開(kāi)關(guān)門運(yùn)行過(guò)程中，兩側(cè)比例泵/電機(jī)組存在嚴(yán)重的電機(jī)匹配耦合問(wèn)題。目前三峽船閘雙邊人字閘門采用分7段給定比例泵/電機(jī)組給定電壓并隨動(dòng)判斷的方式控制，比例泵給定電壓依靠人為經(jīng)驗(yàn)給定，無(wú)法保證閘門啟動(dòng)、高速運(yùn)行及開(kāi)關(guān)終過(guò)程各個(gè)階段快速性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性的協(xié)調(diào)最優(yōu)問(wèn)題，往往為了保障船閘運(yùn)行過(guò)程中的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性而犧牲快速性要求。因此，研究并提升船閘雙邊人字閘門運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的快速性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性協(xié)調(diào)運(yùn)行顯得尤為重要。

雙比例泵/電機(jī)組交叉耦合補(bǔ)償控制是一種差速負(fù)反饋補(bǔ)償控制[9]，是以中隔墩側(cè)比例泵/電機(jī)組1為主電機(jī)組，南側(cè)或北側(cè)比例泵/電機(jī)組2為跟隨電機(jī)組。將電機(jī)組理想轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，通過(guò)電流控制放大器放大，并通過(guò)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)船閘雙邊人字閘門門體的同步運(yùn)行。再將雙邊人字閘門轉(zhuǎn)速求差后通過(guò)一個(gè)權(quán)值系數(shù)反饋補(bǔ)償至各電機(jī)組，從而實(shí)現(xiàn)跟隨電機(jī)組與主電機(jī)組的隨動(dòng)驅(qū)動(dòng)，雙比例泵/電機(jī)組交叉耦合補(bǔ)償原理如圖3所示。

2 隨動(dòng)控制系統(tǒng)仿真

2.1 人字閘門隨動(dòng)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2所建立的人字閘門三環(huán)PID隨動(dòng)控制系統(tǒng)和圖3所建立的雙比例泵/電機(jī)組交叉耦合補(bǔ)償控制模型，建立三峽船閘雙邊人字閘門雙比例泵/電機(jī)組驅(qū)動(dòng)模式的三環(huán)位置隨動(dòng)控制系統(tǒng)仿真系統(tǒng)[10]，如圖4所示。

以三峽船閘南線一閘首為仿真對(duì)象，人字閘門隨動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入量為人字閘門開(kāi)關(guān)門行程，雙側(cè)比例泵/電機(jī)組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了交叉耦合補(bǔ)償控制，系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中人字閘門油缸有桿腔/無(wú)桿腔油壓換算給定。

2.2 仿真運(yùn)行曲線與實(shí)際運(yùn)行曲線

將以上建立的人字閘門隨動(dòng)控制仿真系統(tǒng)，分開(kāi)門和關(guān)門狀態(tài)進(jìn)行仿真，并以人字閘門實(shí)際運(yùn)行曲線作為對(duì)比，雙邊人字閘門實(shí)際運(yùn)行曲線和仿真結(jié)果如圖5～8所示。

2.3 仿真與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果分析

由圖5～8可以看出：

船閘人字閘門原PLC控制系統(tǒng)中關(guān)門歷時(shí)5.2 min，開(kāi)門歷時(shí)3.1 min，而在本文三環(huán)PID隨動(dòng)控制仿真系統(tǒng)中，人字閘門關(guān)門歷時(shí)2.1 min，關(guān)門速度提升了69.6%，開(kāi)門歷時(shí)2.2 min，開(kāi)門速度提升了29.0%，仿真系統(tǒng)大大提升了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。仿真系統(tǒng)與原PLC控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度無(wú)明顯差異，均運(yùn)行平穩(wěn)且偏差在15 mm以內(nèi)，滿足船閘運(yùn)行要求。

仿真控制系統(tǒng)與實(shí)際PLC控制系統(tǒng)相比，比例泵/電機(jī)組參數(shù)由控制系統(tǒng)自動(dòng)判斷給定，替代人為經(jīng)驗(yàn)給定，提升了系統(tǒng)的自適應(yīng)性能和操作簡(jiǎn)便性，降低了運(yùn)行管理人員人為設(shè)置參數(shù)過(guò)程中誤操作對(duì)設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)的安全隱患。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了人字閘門三環(huán)PID隨動(dòng)控制系統(tǒng)，并應(yīng)用MATLAB/Simulink控制系統(tǒng)仿真軟件搭建了人字閘門雙比例泵/電機(jī)組交叉耦合補(bǔ)償控制系統(tǒng)仿真模型。

通過(guò)軟件仿真曲線與實(shí)際運(yùn)行曲線對(duì)比分析，驗(yàn)證了所建隨動(dòng)控制系統(tǒng)仿真模型和控制方法的正確性和有效性。

通過(guò)仿真和實(shí)際運(yùn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)采用三環(huán)PID隨動(dòng)控制系統(tǒng)能大大提升系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，且不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。研究結(jié)果對(duì)于船閘人字閘門隨動(dòng)控制系統(tǒng)研究改進(jìn)和新通道船閘控制系統(tǒng)建設(shè)具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] ?鈕新強(qiáng)，童迪.三峽船閘關(guān)鍵技術(shù)研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2009，28（6）：36-42.

[2] 陳曉關(guān).提高三峽船閘通航能力的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

[3] 陳坤，王東.液壓技術(shù)在三峽船閘的應(yīng)用[J].流體傳動(dòng)與控制，2007（6）：42-44.

[4] 于春梅，易奎，侯惠讓，等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（2）：82-84.

[5] 李曉蓮.基于ADAMS和MATLAB的汽車主動(dòng)懸架聯(lián)合仿真研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

[6] 唐普霞.永磁隨動(dòng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[7] 沈亮，劉剛，葉柳軍.PID在液壓升降平臺(tái)同步控制中的應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封，2017（11）：66-68.

[8] 于洋，王子帥，楊青.改進(jìn)PSO-PID算法在溫度控制中的快速性研究[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2013（2）：9-11.

[9] ZHENG E L，ZHOU X L.Modeling and simulation of flexible slider-crank mechanism with clearance for a closed high speed press system[J].Mechanism and Machine Theory，2014，26（74）：10-3.

[10] ?高術(shù).基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的多驅(qū)動(dòng)裝置自適應(yīng)控制方法研究[D].宜昌：三峽大學(xué)，2015.

（編輯：胡旭東）

引用本文：

陳坤，高術(shù)，陳學(xué)文.三峽船閘雙邊人字閘門隨動(dòng)控制仿真研究

[J].人民長(zhǎng)江，2021，52（8）：235-238.

Simulation study on follow-up control of double miter gate of Three Gorges ship lock

CHEN Kun，GAO Shu，CHEN Xuewen

（ Three Gorges Navigation Authority，Yichang 443000，China ）

Abstract：

In order to improve the operation efficiency of miter gates，taking the hydraulic control system of Three Gorges ship locks gate as the research object，based on the design of three-loop PID control system，the simulation model of three-loop PID servo control system for the miter gate was built by using the principle of cross coupling compensation of double proportional pump/electric unit.By comparing the simulation results of MATLAB / Simulink software with the operation curve of the actual PLC control system of the ship lock，it was found that the closing time of the bilateral miter gate by servo control simulation system was 2.1 min，and the opening time was 2.2 min，while the closing time under original PLC servo control system was 5.2 min，and the opening time was 3.1 min.This simulation system can greatly improve the rapidity of system response without affecting the stability and accuracy of the system.The research results can be used for reference for the technical improvement of the servo control system of the double miter gate and the construction of the new channel lock control system of the Three Gorges Project.

Key words：

miter gate;follow-up control;cross coupling compensation;three-loop PID control;simulation model;Three Gorges ship lock