钢丝绳卷扬提升式垂直升船机液压动态调平控制方法.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.02.009钢丝绳卷扬提升式垂直升船机液压动态调平控制方法黄金根，左邦祥，向阳,王曾兰1（1.杭州国电机械设计研究院有限公司，浙江杭州310 0 0 0；2.贵州乌江水电开发有限责任公司构皮滩发电厂，贵州遵义5 6 4 4 0 0摘要：钢丝绳卷扬提升式垂直升船机运行过程中，钢丝绳之间受力不平衡造成拉伸长度不均，导致船厢纵倾。为此，提出一种升船机液压动态调平控制方法。根据运动学原理建立液压的钢丝绳、液压缸及其活塞动力函数后，构建液压管道连通函数。运用比例放大装置、比例调速阀、液压缸与传感器搭建液压调平系统闭环传递函数。采用双输人三输出的动态矩阵、模糊理论设计控制装置，通过隶属度函数、加权平均算法求解最佳控制参数。根据此参数动态调整控制装置，实现液压平衡。实验结果表明，所提方法调平控制精度高，且控制用时短，能够有效保证升船机液压安全稳定。关键词：钢丝绳；卷扬提升式；直升船机；液压；调平控制中图分类号TH137;U642;TP391文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 2-0 0 4 7-0 6Hydraulic Dynamic Leveling Control Method of Vertical ShipLift withWire Rope WinchHUANG Jin-gen,ZUO Bang-xiang,XIANG Yang,WANG Zeng-lan(1.Hangzhou Guodian Machinery Design and Research Institute Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,China;2.Goupitan Power Plant of Guizhou Wujiang Hydropower Development Co.,Ltd.,Zunyi 564400,China)Abstract:During the operation of the vertical ship lift with wire rope winch,the uneven tension length caused by the unbalanced force betweenthe wire ropes leads to the longitudinal inclination of the ship compartment.Therefore,a hydraulic dynamic leveling control method for ship liftis proposed.According to the kinematics principle,the hydraulic wire rope,oil cylinder and its piston dynamic function are established,andthe hydraulic pipeline connection function is constructed.The closed-loop transfer function of the hydraulic leveling system is built by using theproportional amplification device,proportional speed regulating valve,hydraulic cylinder and sensor.The control device is designed by usingthe dynamic matrix of two inputs and three outputs and fuzzy theory,and the optimal control parameters are solved by membership function andweighted average algorithm.According to this parameter,the control device is dynamically adjusted to achieve hydraulic balance.Theexperimental results show that the proposed method has high leveling control accuracy and short control time,and can effectively ensure thehydraulic safety and stability of the ship lift.Key words:wire rope;winch lfting type;ship helicopter;hydraulic;leveling control0引言升船机 借助机械动力完成承船厢上下运动，进而补偿航道中水位落差,其主要由承船厢、支撑柱与提升装置构成，按照运行机理主要分为3种形式，即垂直、斜坡以及水坡，当中垂直类型作为当前升船机主要收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 6基金项目：中国华电集团重大科技项目（CHDKJ20-01-30)作者简介：黄金根（198 8-），男，安徽安庆人，高级工程师，硕士，研究方向：大型通航建筑物（升船机）的设计与研究。的发展方向。垂直升船机长期作业，会使得设备出现不同程度磨损，导致提升卷刻度、齿轮间隙、钢丝绳半径及其弹性模量等存在一定误差，致使承船厢4 点未在同一水平线上，钢丝绳受力不均，承船厢发生倾斜情况，进而影响升船机平稳、安全作业。为了解决以上问题，在其内部安装液压调平装置，进行调平处理 2 。而液压装置的动态调平控制是保证承船厢稳定的唯一有效方法，为此,诸多学者对液压调平控制方法研究。李翔宇等 3 采用Simulink模型设计液压装置的调平系统，使用粒子群算出调平控制相关参数，运用控制47液压气动与密封/2 0 2 4 年第2 期装置对液压进行调平处理，该方法计算简单，调平控制用时较短，但控制参数求解易陷人局部最优值，会影响动态调平控制的精度；刘芳华等 4 根据动力学理论建立液压装置函数模型，通过多层前馈神经网络（BackPropagation,BP)建立液压调平控制机制，利用AMESim软件得出控制参数，按照参数结果进行动态调整，此方法调平控制精度高，但控制系统较为繁琐，系统响应速度慢，不能保证控制系统的时效性；谢敬心等 5 基于三点调平理论，将可编程逻辑控制器作为控制装置，液压缸为执行装置，水平传感器为反馈装置，利用ModbusRTU协议完成各装置之间的信息传递，运用PID装置来完成液压调平控制，该方法调平速度快，但系统稳定性较差。为了实现承船厢的动态平衡，提出一种全新的液压调平控制方法。利用传递函数、微积分原理建立液压动态调平系统，提升系统稳定性；使用模糊论域改进液压控制装置,增强系统对参数变化的适应能力；采用隶属函数、加权平均算法求解控制参数，提高控制精度。1升船机液压动态调平控制1.1基于运动学原理的液压内部结构分析升船机的液压安置在提升钢丝绳与船厢之间，主要由液压缸、活塞及其调平控制系统构成，用于平衡各钢丝绳间的张力，防止钢丝绳出现断裂问题,并能调整液压缸长度，确保船厢平稳 6-7 。垂直升船机有4 组相同的调平液压缸，各组缸可一起控制，也可单独控制,如图 1 所示。卷筒钢丝绳液压缸图1升船机内部结构示意图根据图1所示的液压内部结构可知，船厢每个吊点安装许多根提升的钢丝绳，每一根绳都会配有1个特定的液压缸。假设钢丝绳F表示受力大小,Pi,P2分别表示有杆腔、无杆腔的压力值,S表示液压缸面积,S48与S分别表示液压缸无杆腔与有杆腔的面积,表示活塞与缸壁的阻尼系数值,X。表示活塞移动距离值,m表示钢丝绳重量，m表示液压缸缸体的重量，m表示活塞自身的重量，根据运动学原理 8 建立液压的钢丝绳、液压缸及其活塞动力函数方程，即：F-T=mXmX=pis-p2s-gX-TmX=T-piS+p2S-gx其中,X,x分别表示有杆腔、无杆腔的移动距离值;T,T分别表示钢丝绳和液压缸缸体移动时长。假设不考虑m,m,m的自身重量,可得 F=T=T。以垂直升船机各吊点安装多组（2 组）提升钢丝绳-液压液压缸为例，假设表示液压阻尼系数值,P3表示液压缸的压力值,在不考虑油液压缩性因素,构建液压管道连通函数方程为：0=IP:(F-T)T1.2液压动态调平系统闭环传递函数构建当船舶运行时，承船厢出现倾斜，此时传感器会将偏差信号传送至控制装置，再由此装置输出控制信号，通过比例放大装置调节比例调速阀，调节后液压油输人液压缸中,随后将活塞向下移动，进而完成承船厢调平作业 9液压调平系统主要由4 个部分组成，即比例放大装置 10 、比例调速阀、液压缸与传感器 。当中，比例放大装置作业频率大于其他装置的作业频率，则简化比例处理过程，也就是将控制装置、数模转换器（Digit卷筒to Analog Converter,D/A)转换处理后的电压U,作为输人信号，电流I，作为输出信号，则比例放大装置的传递钢丝绳函数为：液压缸其中，K，表示放大装置增益值。比例调速阀输人为电流I，输出为滑阀阀芯偏移量X,其传递函数为：承船箱其中,K，表示调速阀的流量增益值。液压缸 12 以滑阀阀芯偏移量X,为初始输人值,活塞移动距离X作为输出值，则液压缸传递函数如公式(7)所示：(1)(2)(3)(4)K.=1K.=TX.(5)(6)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024SK.及其变量变化率c为语言输人起始变量，则输出变量GXX其中,K。表示流量增益值;k表示弹簧刚度值;K表示压力流量系数;w,表示惯性过程中的转折频率；Wh表示液压自身频率。船厢传感器将水平偏差L。作为初始输人值，将电压U，作为输出值,则传感器的传递函数求解过程为：K,=TU其中,K,表示传感器增益值。根据式(5）式(8)可得,液压调平系统的闭环传递函数为：K,K.w.wi以式(9)液压调平系统的闭环传递函数计算结果为基础，运用模糊控制方法实现液压动态调平控制。1.3液压动态调平控制液压控制装置基于双输人三输出的动态矩阵控制理念，也就是在调平控制过程中，需要对实际误差自适应调整，还要对其误差变化自动调整，才能确保调平系统的稳定，有效避免出现船厢纵倾的情况。将误差及其变化率作为初始输入值，以满足各时间点都能对控制参数进行动态调整。运用模糊控制方法实时对控制参数调整,进而形成液压的模糊控制装置，实现液压动态调平控制。液压调平控制装置由PID控制装置 13 与参数调节装置构成。PID控制装置按照S与S位移差X,生成控制信号(t）,生成过程为：a(t)=G=1其中,x1,x2,x3表示控制参数。为了提升系统对控制参数变换的适应性,对控制器进行改进。利用控制装置来调节初始参数x1，2，3的增量,也就是ix 2,x 3。因为改进后参数的变化幅度较小,计算量大也会大幅度的减少，不仅能确保调平控制精度,还能提升运行速度。同时,改进控制装置后增加1个存储装置,可以保留历史控制参数与输出参数，利用这些参数来控制液压平衡，存储装置起始值按照工程经验进行设置。1）模糊语言变量确定液压控制变装置有5 个语言变量，以系统偏差XkK252十Wt(xi+x2+x,)AX(7)Wh(8)(9)dt(10)为xi,x 2,x 3,将上述变量的变化区间定义成模糊论域，即：AX,Ac,Ax1,Ax2,Ax=-3,-2,-1,0,1,2,3其中,液压缸的X与c变化范围-3,3。设定PB表示正大，PM示正中,PS表示正小,ZE表示0,NS示负小,NM表示负中,NB表示负大，用上述变量代表调平控制系统的变量，获得其模糊子集，即PB,PM,PS,ZE,NS,NM,NB,随后将此范围内的变量进行离散化与模糊处理 14 。2）隶属函数的确定隶属函数的确定方法诸多,即统计、指派等方法，在控制装置中将三角形语言变量作为隶属函数。3）模糊规则为了得到调平控制系统最佳参数，根据不同位置的X与c值,对液压调整参数xi,x 2,x，制定模糊规则,如表1表3所示。表1X模糊控制规则AXAxiNBNMNSZEPSPMPBNBPBNMPBNSPMPMPMPSZENSNSAcZEPMPSPSPSZEZENSNSNMNBPMZEPSNSNMNMNMNMPBZE表2X 2 模糊控制规则AXAx2NBNMNSZEPSPMPBNBNBNBPMNMNSZEZENMNBNBPMNSNSZEZENSNBNMPMNSZEPSAcZENMNMPSZEPSPMPMPSNMNSZEPSPSPMPBPMPSZEPSPSPMPBPBPBZEZEPSPMPMPBPB49(11)PBPMPMPSZEZEPBPMPSPSZENSPSZENSNMNMZENMNMNMNBNBPS液压气动与密封/2 0 2 4 年第2 期表3x模糊控制规则AXAxNBNMNSZENBPSNMPSNSZENSNMNMNSNSZEAcZEZEZENSNSNSZEZEPSZENSZEZEZEZEZEPMPBNSPSPBPBPMPMPMPSPSPB4）去模糊化采用加权平均算法完成液压调平控制装置的去模糊处理，从而得出实际需要控制的参数 15 。假设y表示模糊论域第i各元素，将其作为判断输出隶属度2o(i)。隶属度(i)的加权系数,并算出乘积和i=1和的平均值y。求解过程为：Zou(i)Yo=2a()(i)n其中,y。值即为判断最终结果。再将输出量化因子与 y相乘,得出最佳的控制参数,启动改进 PID 控制装置实现钢丝绳卷扬提升式垂直升船机液压动态调平控制。2实验与结果分析2.1实验相关参数实验采用AMESim与Simulink软件对钢丝绳卷扬提升式垂直升船机液压调平控制系统进行建模与分析。图2 为钢丝绳升降过程仿真图像。图2 钢丝绳升降过程仿真结果选用升船机的规模为10 0 m12m3.5m,可提50升38 m，净重12 5 0 t，最高运载135 0 t的船舶，其液压装置相关参数如表4 所示。PSPMPBNSNBNBNBNMPSNSNBNBNMNSPSPSPS表4 液压装置相关参数情况参数液压缸无杆腔面积S,/m液压缸有杆腔面积S,/m活塞与缸壁的阻尼系数/Nms-1PSPB(12)数值8.01 10-26.81 10-26.1 105液压阻尼系数Si/Nms-16.2 10s弹簧刚度k/Nm=16400阀口最大流量K/Lmin-I24阀门响频率f/Hz752.2实验过程分析升船机正常运行时，假设在第2 1 s时承船厢发生纵倾,采用所提方法对其进行调平处理，处理结果如图3所示。10-332-220 2122232425 262728时间/s图3承船厢纵倾控制过程所提方法采用双输入三输出的动态矩阵控制原理,能够根据船厢倾斜情况，调整液压装置的比例调速阀、液压缸以及钢丝绳的长度等参数，在第2 3s时完成调平控制，恢复承船厢的平衡。2.3控制误差分析为了证实所提方法的液压调平控制效果良好，实验将BP神经网络、三点调平方法与粒子群优化作为对比方法，并分别进行液压调平控制误差分析，如图4所示。由图4 可知,所提方法的误差控制在0.2 mm之间,相较于3种对比方法更小。由于所提方法利用隶属度函数、加权平均算法求解液压调平控制最佳参数，进而得出位移误差远小于对比方法的位移误差；同时Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024所提方法误差曲线波动范围最小，证实所提方法液压用时低于2.6 s,均小于对比方法，这是因为所提方法调平控制系统稳定性优于对比方法。采用模糊论域方式改进PID控制装置,能够增强系统0.8对参数动态变化的适应能力，并能大幅度降低计算运算量，提高控制系统运行速度；BP神经网络与粒子群0.4优化方法都是通过不断迭代计算，才能找出最佳控制0参数，在参数寻找中消耗大量时间；三点调平方法控制MV系统稳定较差，增加控制难度,用时较长。-0.414一所提方法-0.81200.51.0(a）所提方法控制误差结果0.80.40-0.4-0.800.5 1.0(b）BP神经网络控制误差结果0.80.4/-0.4-0.800.51.0(c）三点调平方法控制误差结果0.80.40-0.4-0.800.51.0(d）粒子群优化控制误差结果图4 液压调平控制的误差分析结果2.4控制用时对比实验随机选取9 0 个船厢纵倾历史事件，选用BP神经网络、三点调平方法、粒子群优化与所提方法进行调平控制用时对比,对比结果如图5 所示。通过图5 可以看出，所提方法每次液压调平控制-BP神经网络1.52.02.53.03.54.0时间/s1.52.0时间/s111.5时间/s1.52.02.53.03.54.0时间/s.三点调平方法10一一粒子群优化方法S/84202.53.012.01102030事件数量/个图5液压调平控制用时对比分析3.54.02.5 3.0M4050603结论钢丝绳卷扬提升式垂直升船机作业过程中，提升液压缸受诸多非线性因素影响，造成控制精度下降。为此，提出一种新的钢丝绳卷扬提升式垂直升船机液压动态调平控制方法。所提方法首先分析升船机液压内部结构及其作业机理，利用动力学原理搭建钢丝绳-液压缸动力函数方程，采用传递函数、微积分方程设计液压调平系统，使用双输入三输出动态矩阵、模糊控制3.54.07080方法得出控制参数，并运用改进PID控制装置进行液压调平操作。实验结果表明，所提方法调平控制精度高,且系统稳定性强。参考文献1 郑霞忠，邓威，晋良海，等.垂直升船机系统机构运行风险的模糊度量方法研究J.水运工程，2 0 2 2（8）：92-99,113.2熊义.基于任务坐标系的液压机四角调平控制 J.锻压技术,2 0 2 1,4 6(7):16 6 -17 1.3李翔宇，肖峻，潘运平，等.基于PSO的模糊PID车载平台调平控制系统研究 J.现代制造工程,2 0 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al.Hydraulic Dynamic Leveling Control Method of Vertical Ship Lift with Wire RopeWinch J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(2):47-52.+.+.+.+.+.+.+.+.+.+.+.+.+.+.+.+.+.+.+.+广东润宇传感器股份有限公司李亮新董事长一行到访协会秘书处2024年1月2 3日，协会会员单位广东润宇传感器股份有限公司董事长李亮新一行到访协会秘书处。秘书长赵曼琳率部热情接待并进行了座谈交流。李亮新董事长介绍了润宇传感器的基本情况，从发展历程、核心技术、制造能力、产品应用、发展愿景及企业使命等方面进行了全面介绍。据介绍，企业近几年发展较快，产品年销售量从2 0 2 0 年到2 0 2 3年增长了5 倍多，是多家液压企业及知名主机企业的位移传感器、压力传感器的长期供应商，并已进人多个高精尖领域。赵曼琳秘书长代表协会对李亮新董事长一行的到访表示热烈欢迎，并介绍了协会的基本情况、近期工作等。经过双方交流，我们对国内传感器发展的高度深感喜悦，协会是为企业搭建平台，为企业与行业之间的交流与合作创造机会，希望企业能在平台上展现最新发展情况。双方就展会、高新技术报告会、论坛、新媒体、杂志、团体标准等多方面行业活动进行了广泛探讨。会谈时在座的有广东润宇传感器股份有限公司副总经理陈兵、总工程师林炳柱、液压事业部经理黄健洪、北京运营中心主任黄开诚、协会副秘书长饶涛、秘书长助理付华、展览主管万磊、新媒体主管李享、杂志广告主管黎平等。企业链接广东润宇传感器股份有限公司成立于2 0 15 年，位于粤港澳大湾区美丽的中国第一侨乡一广东江门新会。拥有广东省基础传感器工程技术研究中心，为国家级专精特新重点“小巨人”企业。润宇从其已有31年历史的控股母公司新会康宇测控仪器仪表工程有限公司（成立于1993年）的位移事业部及压力事业部切割、分立而成。是一家专门从事传感器研发、生产、销售的高新技术企业。在多年竿路蓝缕的发展过程中，润宇人始终坚持合法经营，踏实前行的经营理念；以咬定青山不放松的韧性对目标市场所需求的传感器核心技术进行研发攻关；并形成以人为本，润宇是润宇人的润宇,共创共享的企业文化。在不断的实践累积中，润宇已初步建立起技术核心化、生产自动化、管理信息化的可持续发展型企业的基础。摘自中国液压气动密封件工业协会公众号52