一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統的製作方法

2023-05-15 02:32:21 3

一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統，包括同軸連接的絞刀左電機與絞刀右電機、變頻器、絞刀主變壓器以及PLC控制器；變頻器包括控制模塊、絞刀左、右電機逆變器模塊；絞刀主變壓器的初邊接在主電源，副邊接在整流模塊；變頻器連接絞刀左、右電機；移相變壓器能夠將送來的三相交流電進行移相後供給變頻器，變頻調速模塊在PLC控制器的控制下輸出可變電壓對絞刀左、右電機進行同步調速。PLC控制器包括兩個基於ADRC算法運算的模塊。本發明所提供的一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統，滿足負載量大的雙電機驅動，使絞刀電機轉速控制過程快速、平滑，可以實現實時精確的同步調速控制。
【專利說明】一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及船舶疏浚【技術領域】，具體是基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速 控制系統。

【背景技術】
[0002] 絞吸挖泥船是目前在疏浚工程中運用較廣泛的一種船舶，它是利用吸水管前端圍 繞吸水管裝設旋轉絞刀裝置，將河底泥沙進行切割和攪動，再經吸泥管將絞起的泥沙物料， 藉助強大的泵力，輸送到泥沙物料堆積場，它的挖泥、運泥、卸泥等工作過程，可以一次性連 續完成，它是一種效率高、成本較低的挖泥船。絞刀是絞吸式挖泥船挖泥的關鍵設備之一， 用於挖掘淤泥、粉細砂、粘土、中密實砂質粘土及礫石，實現將土壤搬離其原有位置並和附 近的水混合形成泥漿的功能。
[0003] 絞吸挖泥船在實際挖泥作業時，其各類負載工況、海況差異大，進刀的深淺和挖掘 的泥質不同，絞刀電機功率變化範圍較大且變化頻繁，因此需要在絞刀電機調速性能上加 以改進。當絞刀負載較小時（如20%?30%絞刀的額定負載），只需一臺電機驅動；當絞 刀負載較大時（如大於50%絞刀的額定負載），則需雙電機驅動。為了絞刀安全穩定長久 工作，一般情況下兩臺電機驅動魯棒性更強，更穩定可靠。實船連接時，每臺電機各自通過 獨立的減速機構和離合器，共同連接到絞刀機械軸上；每臺電機可通過離合器進入及退出 絞刀的機械傳動系統。但是，兩臺電機並聯驅動時，最大的技術問題是，兩臺電機輸出轉速 要求完全相等，即同步。如果兩臺電機輸出轉速有偏差，則轉的慢的電機會出現逆功率（即 由轉的快的電機吸收能量，產生不同程度的發電機狀態），因此，轉的快的電機負荷急劇增 大而產生過載，引起該電機定子繞組發熱，嚴重時燒毀電機。針對每臺電機，其控制器、變頻 驅動器控制原理、技術指標、逆變器電壓及頻率輸出必須一致。
[0004] 隨著大功率變頻器技術成熟和發展，我國船廠生產的挖泥船的疏浚設備（絞刀、 水下泥泵）逐漸採用變頻調速方式實現起動、調速和制動控制。採用變頻驅動需要解決以 下兩點問題：一是挖泥船各類負載工況差異大，設計的控制器應能克服未知的負載擾動和 參數變化；二是大功率變頻驅動使用後，由於電力半導體器件的開關特性，在其輸入和輸出 側的電壓和電流都會出現波形的畸變，產生大量的高次諧波，僅電網總諧波電壓THD_U就 達到12 %，耗費寶貴能源，更為嚴重的是威脅挖泥船通訊導航等弱電設備的安全使用。 [0005] 絞吸挖泥船的絞刀是絞吸挖泥船最重要的功率輸出部件之一，絞吸挖泥船絞刀電 機轉速的精確控制對提高作業效率、保護絞刀、保護船舶機械、實現挖泥自動化至關重要。 為了實現絞吸挖泥船絞刀電機實時精確的同步調速控制，其控制器應能很好的適應不確 定性，如地質環境、水文特徵、機械擾動等。
[0006] 現有技術對絞刀電機的變頻驅動控制普遍採用PID (Proportion-Integral-Deriv ative，比例-積分-微分）控制器。經典PID控制器在運動控制、過程控制等應用中一直 佔據主導地位，其最主要的優點（也是其精髓），是靠目標與實際行為之間的誤差來決定消 除此誤差的控制策略，而不是靠對象的輸入一輸出模型來決定控制策略，只要選擇PID增 益使閉環穩定，那麼就能使一類對象達到靜態指標。然而，隨著科學技術的發展對控制精度 和速度的要求，以及對環境變化的適應能力的要求越來越高，經典PID慢慢顯露出其缺點：
[0007] (1)閉環動態品質對PID增益的變化太敏感，由於被控對象的環境經常變化，需要 經常變動PID增益，這使PID的實際應用受到一定限制。
[0008] (2)絞刀電機輸出y是動態輸出，具有一定的慣性，所以對象輸出無法實現階躍變 化。但是給定值v是由控制系統外部給出的，能實現階躍給定。PID控制直接選用它們之間 的誤差信息e = v-y來消除這個誤差，這等於讓無法階躍變化的物理量y來跟蹤可以階躍 給定的物理量V，這顯然不太合理。
[0009] (3) "基於誤差反饋來消除誤差"是PID的精髓，但是PID直接選取目標與實際行 為之間的誤差並不是完全合理的。直接選取這種誤差，常常使初始控制力太大而使系統行 為出現超調。這個缺點是造成PID控制的閉環系統中產生"快速性"和"超調"之間矛盾的 主要原因。
[0010] (4)PID是根據誤差的比例、積分、微分的加權和形式來形成反饋控制量的。然而， 除直接量測實際行為變化速度的場合（實際中這種場合比較少）外，由於沒有比較合適的 微分器，常常只用PI (無誤差微分反饋）控制律，這又限制了 PID的控制能力。
[0011] (5)隨著數字電子技術和計算機技術的飛躍發展，在控制器中，模擬電子控制已基 本讓位於數字電子控制，非線性控制和智能控制等先進控制技術已得到廣泛應用，如常規 PID控制那樣限定在加權和的線性組合形式完全沒有必要。
[0012] (6)大量控制工程實踐證明，經典PID控制中的誤差積分的反饋，對抑制常值擾動 確實有其效果。但是，無擾動作用時，誤差積分的反饋常常使閉環系統的反應遲鈍、容易產 生振蕩等負作用，而對隨時變化的擾動來說，誤差積分的反饋又容易使控制量飽和，導致積 分反饋的抑制能力不顯著，因此採用輸出誤差積分反饋顯得不是十分必要。
[0013] 經檢索，與本發明最相近似的實現方案為【基於PLC通信網絡的絞吸式挖泥船集 成監視與控制系統（龍紅剛）】。該方案通過PLC及其控制網絡，具體實現了"新海豚"絞吸 式挖泥船絞刀電機PID自動控制。在挖泥自動控制中既可根據工況、土質、產量、質量、進 度，安全等設定被控制量允許達到的數值或控制量的範圍，又當控制量和被控制量不是同 一物理量時，亦可根據被控制量的設定值和實際量決定控制量的大小，並使執行機構實施 控制。
[0014] PID控制是按偏差（輸入信號與反饋信號之差）的比例-積分-微分控制。PID 控制器理想化方程為：
[0015] u(k) = i/(/c -1)+ u(k) = u(k - \) + k!\e(k) - en(k - \ )\ + k,e(k) + kn \en(k) + 2e(k- \) + e(/( -2)]
[0016] 該方案通過對絞吸式挖泥船絞刀電機的自動控制來實時控制絞刀的位置和絞刀 的切削厚度等，但PID控制器在精確控制絞刀電機轉速上仍存在閉環系統中產生"快速性" 和"超調"之間的矛盾、PID中的誤差積分的反饋在無擾動作用時使閉環的動態特性變差等 缺陷。


【發明內容】

[0017] 為了克服絞吸挖泥船絞刀電機同步調速控制過程中存在非線性、時變以及控制對 象不可避免地受到環境的幹擾而具有不確定性的特點，本發明設計了一種基於自抗擾控制 技術的絞刀電機同步調速控制系統，使絞刀電機轉速控制過程快速、平滑，可以實現實時精 確的同步調速控制。
[0018] 為了達到上述目的，本發明實施例提供絞吸挖泥船絞刀電機變頻調速自抗擾控制 器米用以下技術方案：
[0019] 一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統，其特徵在於：包括絞刀 主變壓器、變頻器、絞刀左電機、絞刀右電機以及PLC控制器；所述變頻器包括整流模塊、絞 刀左電機逆變器模塊、絞刀右電機逆變器模塊、傳感器模塊以及控制模塊；所述PLC控制器 包括第一 ADRC(Active Disturbance Rejection Controller，自抗擾控制器）模塊與第二 ADRC模塊；
[0020] 所述絞刀左電機與所述絞刀右電機同軸連接；
[0021] 所述絞刀主變壓器為移相變壓器，其輸入端與主電源電連接，其輸出端與所述變 頻器的整流模塊電連接；
[0022] 所述整流模塊將所述絞刀主變壓器輸出交流電壓轉換為直流電壓，並分別輸出至 所述絞刀左電機逆變器模塊與所述絞刀右電機逆變器模塊；
[0023] 所述第一 ADRC模塊根據轉速給定信號v與所述絞刀左電機的當前轉速通過ADRC 算法計算對所述絞刀左電機的實際控制量；其中，所述絞刀左電機的當前轉速由所述傳感 器模塊獲取並通過所述控制模塊反饋至所述第一 ADRC模塊；
[0024] 所述第二ADRC模塊根據轉速給定信號v與所述絞刀右電機的當前轉速通過ADRC 算法計算對所述絞刀右電機的實際控制量；其中，所述絞刀右電機的當前轉速由所述傳感 器模塊獲取並通過所述控制模塊反饋至所述第二ADRC模塊；
[0025] 所述控制模塊根據所述絞刀左電機的實際控制量生成第一控制信號並將所述第 一控制信號輸入至所述絞刀左電機逆變器模塊；所述控制模塊根據對所述絞刀右電機的實 際控制量生成第二控制信號並將所述第二控制信號輸入至所述絞刀右電機逆變器模塊；
[0026] 所述絞刀左電機逆變器模塊將所述整流模塊輸出的直流電壓轉換為第一交流電 壓，並根據所述控制模塊的第一控制信號控制所述第一交流電壓的頻率；所述第一交流電 壓輸出至所述絞刀左電機以驅動其轉動；
[0027] 所述絞刀右電機逆變器模塊將所述整流模塊輸出的直流電壓轉換為第二交流電 壓，並根據所述控制模塊的第二控制信號控制所述第二交流電壓的頻率；所述第二交流電 壓輸出至所述絞刀右電機以驅動其轉動；
[0028] 所述第一 ADRC模塊、所述控制模塊、所述絞刀左電機逆變器模塊以及傳感器模塊 構成一個閉環控制迴路；所述第二ADRC模塊、所述控制模塊、所述絞刀右電機逆變器模塊 以及傳感器模塊構成另一個閉環控制迴路；兩個閉環控制迴路分別將所述絞刀左電機與 所述絞刀右電機的轉速穩定於所述轉速給定信號v從而達到同步。
[0029] 所述絞刀主變壓器能夠將送來的三相690V交流電進行移相後供給變頻器，變頻 器在PLC控制器的控制下輸出可變電壓對絞刀左、右電機進行同步調速。首先經PC機的 MATLAB軟體給出絞刀左、右電機轉速給定信號V，再由光電碼盤（增量式光電傳感器）對絞 刀左、右電機轉速信號採樣，然後經PLC控制器中的TD (Tracking Differentiator,跟蹤微 分器）裝置、非線性 F*D 控制器（Nonlinear Proportional Derivative Controllers,非線 性比例微分控制器）裝置與NLESO(Nonlinear Extender State Observer,非線性擴張狀態 觀測器）裝置進行自抗擾運算，輸出控制信號控制變頻器，變頻器再分別將變頻後的交流 電壓驅動絞刀左、右電機轉動。最終控制所述絞刀左電機與所述絞刀右電機穩定於轉速給 定信號V，從而達到同步。
[0030] 絞刀電機控制系統是以PLC控制器為中心，結合變頻器、絞刀主變壓器及上位PC 機等構成的。採用ADRC控制算法分別控制每臺電機，兩個ADRC模塊包括將模型擾動（不同 的工況、海況）、進刀的深淺和挖掘的泥質不同統一視為外加擾動進行處理的擴張狀態觀測 器及根據誤差來決定非線性ro的控制規律，並用擾動估計值對誤差反饋控制量進行補償。
[0031] 進一步，所述第一 ADRC模塊與所述第二ADRC模塊兩者任一包括
[0032] 跟蹤微分器，根據絞刀電機轉速給定信號v以安排過渡過程的方式生成中間信號 Vl與v2，其中Vl為對所述絞刀電機的安排過渡過程，v2是對所述絞刀電機的安排過渡過程 的微分；
[0033] 非線性擴張狀態觀測器，根據對所述絞刀電機的實際控制量U以及所述絞刀電機 的當前轉速y來計算狀態變量的估計值 Zl、z2和作用於所述絞刀電機的總擾動量的估計值 z3 ;其中Zl是所述絞刀電機的轉速跟蹤值，z2是所述絞刀電機的轉速跟蹤值的微分即加速 度；
[0034] 非線性控制器，生成誤差信號ei = Vl_Zl以及e2 = v2_z2，並由誤差信號ei與 e2組合出誤差反饋控制量叫，形成對所述絞刀電機的實際控制量u = Ud-zVb ;其中，b是補 償因子。
[0035] 進一步，所述跟蹤微分器在離散系統中的的表達式為
[0036]

【權利要求】
1. 一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統，其特徵在於：包括絞刀主 變壓器、變頻器、絞刀左電機、絞刀右電機以及PLC控制器；所述變頻器包括整流模塊、絞刀 左電機逆變器模塊、絞刀右電機逆變器模塊、傳感器模塊以及控制模塊；所述PLC控制器包 括第一 ADRC模塊與第二ADRC模塊； 所述絞刀左電機與所述絞刀右電機同軸連接； 所述絞刀主變壓器為移相變壓器，其輸入端與主電源電連接，其輸出端與所述變頻器 的整流模塊電連接； 所述整流模塊將所述絞刀主變壓器輸出交流電壓轉換為直流電壓，並分別輸出至所述 絞刀左電機逆變器模塊與所述絞刀右電機逆變器模塊； 所述第一 ADRC模塊根據轉速給定信號v與所述絞刀左電機的當前轉速通過ADRC算法 計算對所述絞刀左電機的實際控制量；其中，所述絞刀左電機的當前轉速由所述傳感器模 塊獲取並通過所述控制模塊反饋至所述第一 ADRC模塊； 所述第二ADRC模塊根據轉速給定信號v與所述絞刀右電機的當前轉速通過ADRC算法 計算對所述絞刀右電機的實際控制量；其中，所述絞刀右電機的當前轉速由所述傳感器模 塊獲取並通過所述控制模塊反饋至所述第二ADRC模塊； 所述控制模塊根據所述絞刀左電機的實際控制量生成第一控制信號並將所述第一控 制信號輸入至所述絞刀左電機逆變器模塊；所述控制模塊根據對所述絞刀右電機的實際控 制量生成第二控制信號並將所述第二控制信號輸入至所述絞刀右電機逆變器模塊； 所述絞刀左電機逆變器模塊將所述整流模塊輸出的直流電壓轉換為第一交流電壓，並 根據所述控制模塊的第一控制信號控制所述第一交流電壓的頻率；所述第一交流電壓輸出 至所述絞刀左電機以驅動其轉動； 所述絞刀右電機逆變器模塊將所述整流模塊輸出的直流電壓轉換為第二交流電壓，並 根據所述控制模塊的第二控制信號控制所述第二交流電壓的頻率；所述第二交流電壓輸出 至所述絞刀右電機以驅動其轉動； 所述第一 ADRC模塊、所述控制模塊、所述絞刀左電機逆變器模塊以及傳感器模塊構成 一個閉環控制迴路；所述第二ADRC模塊、所述控制模塊、所述絞刀右電機逆變器模塊以及 傳感器模塊構成另一個閉環控制迴路；兩個閉環控制迴路分別將所述絞刀左電機與所述絞 刀右電機的轉速同步於所述轉速給定信號V。
2. 根據權利要求1所述的一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統，其 特徵在於：所述第一 ADRC模塊與所述第二ADRC模塊兩者任一包括 跟蹤微分器，根據絞刀電機轉速給定信號v以安排過渡過程的方式生成中間信號Vl與 v2，其中為對所述絞刀電機的安排過渡過程，v2是對所述絞刀電機的安排過渡過程的微分； 非線性擴張狀態觀測器，根據對所述絞刀電機的實際控制量u以及所述絞刀電機的當 前轉速y來計算狀態變量的估計值Zl、z2和作用於所述絞刀電機的總擾動量的估計值z3 ; 其中Zl是所述絞刀電機的轉速跟蹤值，z2是所述絞刀電機的轉速跟蹤值的微分即加速度； 非線性控制器，生成誤差信號ei = Vl_Zl以及e2 = v2_z2，並由誤差信號ei與e2組 合出誤差反饋控制量1?，形成對所述絞刀電機的實際控制量u = U(|-z3/b ;其中，b是補償因 子。
3. 根據權利要求2所述的一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統，其 特徵在於： 所述跟蹤微分器在離散系統中的的表達式為 | V，丨(人 +1) = V丨(人）+ W V，(人） j v:(/c + 1) = V2(k) + Ts * fhan(\\ (k)-v(k),V2(k ),r,h) 其中，Ts是系統採樣時間，r是決定跟蹤速度的速度因子、h是決定濾波效果的濾波因 子； fhan (k) -V (k)，v2 (k)，r, h)是變量 Vi (k) -V (k)，v2 (k)，r, h 的給定的非線性函數，其 表達式為 F(k) = hv2(k) 〇{k) = v,{k) + FyXk)~v{k) F,{k) = ^d{d + %\Q(k)\} F2(k) = sign(Q{k )){F,(k)-d)i2 + F{) (k) 。 SL>(k) - [sign(Q(k) + d)~sign(Q(k)-d)]/2 Fik) = S(J(k)[F(k) + Q(k)-F2(k)] + F2(k) S^ik) ^ [sign(F(k) + d)~sign(F(k)-i/)]/ 2 jhan(k) = -r{5/,(/i)[F(/i)/ d -sign(F(k))] + sign(F(k))\
4. 根據權利要求3所述的一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統，其 特徵在於： 所述非線性擴張狀態觀測器在離散系統中的表達式為 error(k) = z、(k) - y(k) 2, (k +1) = 2, (k) + Ts ^ (z, (Λ) - Pyerror(k)) zn(k + \) = ζ?^} + Τ,(ζ'(/<) - β?/αΙ(βηχυ'(Ι〇(i = 1，2,3)，&1，％為自定義參數； 飽和函數fal (error, a, δ )表示為 ^L\error\<S fal (error, a, δ) = S 其中a為非線性因子，δ為線性區間的長度。
5. 根據權利要求4所述的一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統，其 特徵在於： 所述非線性ro控制器在離散系統中的表達式為 e丨(/〇 = v丨(人)-Z丨⑷ < e2(k)~ v2(k)-z2(k) n,j (?<) = ,β? (k), o(l,, ',) + kdfal[e2 {k), α,)2, ?\) 以及〃(/=?,; b 其中，δ ρ δ 2為線性區間長度，aQ1、aQ2為非線性因子，且Ο < aQ2 < aQ1 < 1。
6. 根據權利要求5所述的一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統，其 特徵在於： 跟蹤微分器中，取r = 100，h = 0. 01 ;非線性擴張狀態觀測器中，取βι = 200, = 600, β 3 = 6000, ai = 0· 5, a2 = 0· 25, δ = 1 ;非線性 PD 控制器中，kp = 100, kd = 10, a01 =0. 75, a02 = 0. 5, δ j = 〇. 1, δ 2 = 〇. 2, b = l〇
7. 根據權利要求1所述的一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統，其 特徵在於：所述絞刀主變壓器是移相三繞組變壓器，其原邊接成三角形，副邊為兩個繞組， 一個接成三角形，另一個接成星形。
8. 根據權利要求7所述的一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統，其 特徵在於：所述基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統還包括預充磁變壓器、 延時切換控制電路、第一受控開關與第二受控開關；所述絞刀主變壓器的原邊通過第一受 控開關與主電源連接，其副邊與所述變頻器連接；所述預充磁變壓器的輸入端通過第二受 控開關與所述主電源連接，其輸出端與所述絞刀主變壓器的原邊連接； 延時切換控制電路，用於控制所述第一受控開關與所述第二受控開關的開關狀態；工 作狀態下，所述延時切換控制電路先控制所述第一受控開關斷開並且控制所述第二受控開 關閉合，使所述預充磁變壓器與主電源連接；經過延時，所述延時切換控制電路控制所述第 一受控開關閉合併且控制所述第二受控開關斷開，使絞刀主變壓器與主電源連接。
9. 根據權利要求8所述的一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統，其 特徵在於：所述基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統還包括一傳動機構；包 括左離合器、左齒輪箱、右離合器、右齒輪箱以及機械軸組成的；所述絞刀左電機通過所述 左離合器與所述左齒輪箱連接，所述絞刀右電機通過所述右離合器與所述右齒輪箱連接； 所述左齒輪箱與所述右齒輪箱成雙機並車結構共同驅動所述機械軸；所述機械軸與所述絞 刀剛性連接。
10. 根據權利要求1所述的一種基於自抗擾控制技術的絞刀電機同步調速控制系統， 其特徵在於：所述傳感器模塊為光電碼盤。
【文檔編號】H02P27/06GK104270041SQ201410503419
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月26日 優先權日:2014年9月26日
【發明者】白明, 林陽峰, 謝程寧, 黃悅強, 陳新鋒, 侯凱濤, 黃富華, 陳錦華, 蔣先平, 李偉山, 詹靜怡, 盧潤達, 彭東升, 邱揚帆 申請人:廣州航海學院