基于嵌入式技術(shù)的輕小型落地抱桿自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

鄒 麒，張亦大，徐強(qiáng)

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司宿遷供電分公司，宿遷 223800）

輸電線路是電力企業(yè)提供電能供應(yīng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的蓬勃、高速發(fā)展，使得社會(huì)對(duì)電能需求量不斷擴(kuò)大，這對(duì)架空輸電線路建設(shè)起到極大推動(dòng)作用。特高壓輸電線路具有輸電能力強(qiáng)、輸送距離遠(yuǎn)、土地占用低、線路損耗低等特點(diǎn)[2]，因此，在遠(yuǎn)程、高容量電力輸送方面具有較高的應(yīng)用性。在特高壓輸電線路雙回路鐵塔組立施工現(xiàn)場(chǎng)，普遍使用起重塔機(jī)等大型起重吊裝設(shè)備或內(nèi)懸浮外拉線加人字抱桿等，前者雖具備較高的機(jī)械化水平以及穩(wěn)定性[3]，但由于特高壓輸電線路雙回路鐵塔組立施工環(huán)境惡劣，增加了設(shè)備的搬運(yùn)難度的同時(shí)，降低了施工作業(yè)效率；后者雖解決了運(yùn)輸難度高的問(wèn)題，但該抱桿起升風(fēng)險(xiǎn)較大，且其可承受的起吊重量難以滿足特高壓輸電線路雙回路鐵塔組立要求[4-6]。利用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)具有高智能性與集成性的輕小型落地抱桿對(duì)降低特高壓鐵塔組立施工難度具有重要意義[7]。輕小型落地抱桿的運(yùn)行狀態(tài)直接影響特高壓組塔施工效果，為提高其作業(yè)性能，降低故障發(fā)生率，不可避免要對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化控制[8-10]。

本文研究基于嵌入式技術(shù)的輕小型落地抱桿自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)起升、回轉(zhuǎn)、變幅動(dòng)作調(diào)頻速度以及吊鉤負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)木珳?zhǔn)控制，提高特高壓組塔施工效果。

1 輕小型落地抱桿自動(dòng)控制系統(tǒng)

1.1 輕小型落地抱桿結(jié)構(gòu)原理

本文研究的輕小型落地抱桿為雙動(dòng)臂塔基式抱桿，其結(jié)構(gòu)中含有塔頂，利用軟拉索或拉桿將其與吊臂相連，輕小型落地抱桿結(jié)構(gòu)如圖1 所示。吊臂起吊重物時(shí)，塔頂主弦桿在荷載作用下會(huì)發(fā)生不同程度的形變，對(duì)其變形程度進(jìn)行測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)吊裝彎矩的確定。將力矩限制器安裝在塔頂主弦桿上，便可得到左、右吊臂起吊重物后的力矩測(cè)量值。輕小型落地抱桿在運(yùn)行過(guò)程中，因吊裝、卸載與變幅動(dòng)作難以滿足同時(shí)、同步性，將造成輕小型落地抱桿左右吊臂力矩的不平衡，左右吊臂的不平衡力矩之差高于給定閾值后，則驅(qū)動(dòng)輕小型落地抱桿控制系統(tǒng)進(jìn)行主副鉤負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制。

圖1 輕小型落地抱桿基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Basic structure of light and small landing pole

1.2 嵌入式主控制器設(shè)計(jì)

嵌入式主控制器中包含4 塊電路板，其中主控板是其核心部分，具有信息處理、下達(dá)指令、協(xié)調(diào)其他電路板等關(guān)鍵硬件和軟件功能，母板是支撐和連接所有電路板的組件，脈沖寬度調(diào)制板負(fù)責(zé)生成和控制脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，選件板提供傳感器接口等輔助功能。各電路板之間通過(guò)并行總線實(shí)現(xiàn)信息的交互，有利于數(shù)據(jù)傳輸效率的有效提升。嵌入式主控制器不僅具有較低的空間占用率與突出的板卡集成性能，還包含豐富的數(shù)據(jù)接入端口，以滿足輕小型落地抱桿控制要求[11]。嵌入式主控制器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 嵌入式主控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Embedded master controller structure diagram

1.3 輕小型落地抱桿變頻調(diào)速控制流程

輕小型落地抱桿的起升、回轉(zhuǎn)、變幅動(dòng)作都可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制，以滿足特高壓輸電鐵塔組立施工過(guò)程對(duì)吊裝速度的要求，同時(shí)確保空鉤以理想速度升降。輕小型落地抱桿變頻調(diào)速控制流程如圖3所示。輕小型落地抱桿控制系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)，利用LCD界面對(duì)其啟動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，并以振鈴方式提示工作人員輕小型落地抱桿已準(zhǔn)備就緒，首先對(duì)輕小型落地抱桿的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷其是否處于正常狀態(tài)，當(dāng)存在異常時(shí)，發(fā)出預(yù)警信息并解決其異常問(wèn)題，當(dāng)輕小型落地抱桿正常啟動(dòng)后，對(duì)起升機(jī)構(gòu)的起升速度以及吊裝物的重量進(jìn)行檢測(cè)，將吊裝重量作為速度控制依據(jù)，按照輕小型落地抱桿程序流程并利用以太網(wǎng)將遠(yuǎn)程控制中心的控制指令傳輸給嵌入式主控制器。

圖3 輕小型落地抱桿變頻調(diào)速控制流程Fig.3 Frequency conversion speed control flow chart of light and small landing pole

1.4 基于嵌入式技術(shù)的輕小型落地抱桿自動(dòng)控制系統(tǒng)框架

基于嵌入式技術(shù)的輕小型落地抱桿自動(dòng)控制系統(tǒng)框架如圖4 所示。

圖4 嵌入式的輕小型落地抱桿自動(dòng)控制框架Fig.4 Embedded light and small automatic control frame of the landing pole

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)單元。該單元利用不同類型傳感器實(shí)現(xiàn)輕小型落地抱桿運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。

（2）控制單元。利用CAN 總線與輕小型落地抱桿各工作機(jī)構(gòu)變頻器等建立數(shù)據(jù)傳輸通信，實(shí)現(xiàn)控制信息的交互與共享。當(dāng)嵌入式主控制器接收到來(lái)自控制盒的動(dòng)作申請(qǐng)信息后，依據(jù)已規(guī)劃好的控制策略，采取邏輯與計(jì)算方式將其發(fā)送給各變頻器、電機(jī)及制動(dòng)器，控制吊鉤以及各小車完成升降、行車等動(dòng)作。

（3）通信單元。作為控制單元與遠(yuǎn)程控制中心的連接紐帶，利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制信息的通信與交互。

1.5 基于參數(shù)自適應(yīng)模糊PID 的吊鉤負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制

1.5.1 模糊PID 控制器設(shè)計(jì)

模糊PID 是一種非線性控制算法，它不是直接以誤差和誤差變化率作為輸入，而是利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，通過(guò)查詢模糊矩陣表完成參數(shù)的調(diào)整，具有穩(wěn)定度高、魯棒性好的優(yōu)勢(shì)。因此，本文提出基于模糊PID 的吊鉤負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制方法，以避免不平衡轉(zhuǎn)矩問(wèn)題引發(fā)的輕小型落地抱桿故障問(wèn)題。圖5 所示為模糊PID 控制器原理圖。

圖5 模糊PID 控制器原理圖Fig.5 Principle diagram of fuzzy PID controller

1.5.2 基于粒子群算法的模糊PID 控制

粒子群算法（PSO）是一種智能優(yōu)化算法，算法思想源于鳥群捕食行為[12]。在PSO 中，每個(gè)個(gè)體的移動(dòng)方向與距離取決于其位置與運(yùn)行速度，在反復(fù)迭代過(guò)程中實(shí)現(xiàn)最優(yōu)個(gè)體的搜索。本文采用粒子群算法對(duì)模糊PID 控制參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行優(yōu)化，以提高輕小型落地抱桿控制系統(tǒng)的控制精度。基于PSO的模糊PID 控制參數(shù)優(yōu)化流程如圖6 所示。

圖6 基于PSO 的模糊PID 控制參數(shù)優(yōu)化流程Fig.6 Flow chart of fuzzy PID control parameter optimization based on PSO

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以應(yīng)用于某特高壓組塔施工中的輕小型落地抱桿為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在下述實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行本文系統(tǒng)的搭建。操作系統(tǒng)為Windows10.0，采用八核CPU 處理器，工作頻率為4.2 GHz，內(nèi)存64 GB。將本文系統(tǒng)應(yīng)用于該輕小型落地抱桿的自動(dòng)化控制中，對(duì)其起吊重量、高度、轉(zhuǎn)矩等實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集周期為10 s，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行分析，驗(yàn)證本文系統(tǒng)的控制效果。

控制參數(shù)對(duì)輕小型落地抱桿吊鉤負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制效果具有直接影響，通過(guò)對(duì)比分析控制參數(shù)優(yōu)化后的平均適應(yīng)度曲線與最優(yōu)適應(yīng)度曲線的差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。分析圖7 可知，對(duì)模糊PID 控制器參數(shù)進(jìn)行在線優(yōu)化整定后，隨著進(jìn)化次數(shù)的不斷增大，平均適應(yīng)度值呈逐漸減小規(guī)律變化，平均適應(yīng)度曲線走勢(shì)平緩，波動(dòng)起伏小，經(jīng)過(guò)50次進(jìn)化后，適應(yīng)度值降至最低，最終穩(wěn)定在1.0。平均適應(yīng)度曲線與最優(yōu)適應(yīng)度曲線基本保持相同的走勢(shì)規(guī)律，二者貼合度極高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模糊PID 控制器控制參數(shù)優(yōu)化效果突出，有利于輕小型落地抱桿吊鉤負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制效果的提升。

圖7 控制參數(shù)優(yōu)化效果分析Fig.7 Analysis of optimization effect of control parameters

應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)2 種工況下的輕小型落地抱桿進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制，并與傳統(tǒng)PID 控制結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)信號(hào)的階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，研究本文系統(tǒng)的控制效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。分析圖8 可知，采用傳統(tǒng)PID 控制算法對(duì)輕小型落地抱桿進(jìn)行吊鉤負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制，在轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為75%的工況下，信號(hào)階躍響應(yīng)曲線在控制初期表現(xiàn)出劇烈波動(dòng)，曲線平滑度低，75 s 后曲線逐漸開(kāi)始趨于穩(wěn)定；轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為50%工況下的控制效果優(yōu)于75%工況，60 s 后曲線呈現(xiàn)平穩(wěn)走勢(shì)規(guī)律，曲線波動(dòng)幅度減緩。本文系統(tǒng)采用參數(shù)自適應(yīng)模糊PID 控制器對(duì)50%、75% 2 種工況吊鉤負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償，取得了突出的控制效果，信號(hào)階躍響應(yīng)曲線走勢(shì)更平穩(wěn)，抖動(dòng)更小，控制時(shí)間分別為10 s、35 s，超調(diào)量更小。

圖8 信號(hào)階躍響應(yīng)結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of signal step response results

轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為50%工況下，應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)輕小型落地抱桿進(jìn)行自動(dòng)化控制，通過(guò)對(duì)比分析控制前后模擬電壓輸出波形差異，驗(yàn)證本文系統(tǒng)的控制效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。分析圖9 可知，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為50%工況下，模糊PID 控制前的輕小型落地抱桿變頻器模擬電壓輸出波形呈現(xiàn)出較高的波動(dòng)性，曲線不平滑，特別是波峰波谷位置處波動(dòng)的劇烈程度較高；完成抱桿吊鉤負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制后，輸出的模擬電壓曲線走勢(shì)穩(wěn)定、平滑度高，力矩不足引起的振蕩問(wèn)題得到有效控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)輕小型落地抱桿吊鉤負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制，控制效果突出。

圖9 控制前后模擬電壓輸出波形差異對(duì)比Fig.9 Comparison of analog voltage output waveform difference before and after control

輕小型落地抱桿是特高壓組塔施工中的重要設(shè)備，本文選取多個(gè)施工指標(biāo)用于特高壓組塔施工效果衡量，實(shí)踐證明，通過(guò)對(duì)輕小型落地抱桿進(jìn)行自動(dòng)化控制，在實(shí)現(xiàn)特高壓輸電線路鐵塔組立的同時(shí)，也能提高特高壓組塔施工效率，降低施工難度、施工風(fēng)險(xiǎn)以及成本，另外，也放寬了對(duì)操作人員的技能要求，本文系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用性，并可取得突出的施工效果。

3 結(jié)語(yǔ)

研究基于嵌入式技術(shù)的輕小型落地抱桿自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)比分析吊鉤負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制結(jié)果、控制參數(shù)優(yōu)化結(jié)果等，驗(yàn)證本文系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)輕小型落地抱桿自動(dòng)化控制，控制后的階躍響應(yīng)曲線平滑、控制時(shí)間短、超調(diào)量小；輸出的模擬電壓波形走勢(shì)平穩(wěn)，不存在振蕩問(wèn)題；特高壓組塔施工效果突出。