一种船舶电缆绞车驱动系统的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种船舶电缆绞车驱动系统的控制方法，属于运输技术领域。
【背景技术】
[0002] 大型港口码头是耗油大户，船舶到港后采用燃油辅机发电机供电，给港口带来严 重的空气、水域、噪声等污染，因此港口码头将是W电代油的重要应用领域。中国是世界上 最大的海运国，港口数量较多，港口码头的污染和能耗问题更加突出。港口智能用电技术是 指船舶在停泊码头期间接入码头的岸电电源，获得其累组、通风、照明、通讯和其他设施所 需电力。当前的船舶岸电系统还存在系统线制匹配、相序检测、交流岸电电压稳定、电力传 输方式W及电缆管理等急需研究的问题，而电缆连接设备（即连接岸上连接点及船上受电 装置间的电缆和设备)如何实现电缆的快速、柔性连接，也是主要的研究方向之一。
[0003] 为了实现电缆的快速、柔性连接，有必要设计一套结构简单合理、效率高、适应能 力强、自动化程度高、使用维护简单的电控电缆收放绞车。而电缆绞车的收放过程是一个时 变、非线性和负载干扰的过程。通过研究电缆绞车驱动系统的收放控制算法，有助于减少电 缆收放过程中电缆所受的冲击力，实现电缆的快速、平稳收放。尽管传统的PID控制算法具 有结构简单、稳定性好、可靠性高等优点，并已在工业控制领域得到了广泛的应用，但运种 控制器过分依赖控制对象的精确数学模型，其适应性较差，对于船舶电缆绞车参数变化范 围大且包含非线性环节的时变系统，PID调节器往往难W达到控制要求。因此，研究船舶电 缆绞车的收放过程，寻求诸如模糊等先进的智能控制算法，对提高船舶电缆绞车的动态和 稳态性能具有重要意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种船舶电缆绞车驱动系统的控制 方法，W提高船舶电缆绞车的动态和稳态性能。
[000引本发明所述问题是W下述技术方案解决的： 一种船舶电缆绞车驱动系统的控制方法，所述方法在利用PI控制器对船舶电缆绞车进 行控制的同时，利用变论域模糊控制器，采用模糊推理方法对PI控制器的控制参数进行在 线调整，实现电缆绞车驱动系统转速和电流的双闭环自适应控制，所述变论域模糊控制器 W转矩误差E和转矩误差变化率Ec作为输入，WPI控制器的两个参数P、I的修正参数AKp、A Ki作为输出。
[0006]上述船舶电缆绞车驱动系统的控制方法，所述方法具体为W下步骤： a.驱动系统采集船舶电缆绞车卷盘转速CO和电缆张力F的变化值，根据下式计算电缆 张力产生的转矩Tf:
式中：Tem为驱动电机的电磁转矩;To为驱动电机及传动机构的空载转矩;t为时间，在本 次采样时间将电缆张力产生的转矩Tf作为变论域模糊PI控制器的输入值y化）； b.如果变论域模糊PI控制器的输入值y化)超过了允许的误差范围，变论域模糊PI控制 器根据y化)的变化值进行转矩误差E和转矩误差变化率Ec的量化，其量化的论域为[-6，6]; C.将量化后的转矩误差E和转矩误差变化率Ec进行模糊化处理，再根据E化)及Ec化)的 模糊值调整论域的伸缩因子O(X)和e(y)，而a(x)和e(y)计算方法为：
式中：本发明中对于输入论域的量化因子选用丫 =0.7，pi为常数向量，i = l，…，n为不 同采用时间，e(o)为初始值设为e(o)=i，Ki为比例常数。
[0007] d.变论域模糊PI控制器根据伸缩因子进行相应的模糊推理，得到系统的模糊输 出量，再对模糊输出量进行解模糊处理，得到电缆绞车驱动系统的实际电流输出值； e.电缆绞车驱动系统根据变论域模糊PI控制器发出的电流指令驱动电机旋转，执行 电缆张力值的校正动作，使电缆收放过程保持恒定的张力。
[0008] 上述船舶电缆绞车驱动系统的控制方法，所述变论域模糊控制器的输入E、Ec和输 出AKp、AKi的模糊子集取为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集中的元素 NB、醒、NS、ZO、PS、PM 和PB依次代表负大、负中、负小、零、正小、正中和正大，则输出变量Kp的模糊控制规则如下： ^E^NB, EC^^^lJ ^NB ^ NM ^ NS ^ ZO ^ PS ^ PM ^ PBBt, AKp ^lJ ^PB ^ PB ^ PM ^ PM ^ PS ^ ZO^PZO ； 当 E 为NM，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，AKp分别为PB、PB、PM、PS、PS、ZO和NS; 当 E 为NS，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，AKp分别为PM、PM、PM、PS、ZO、NS和NS; 当 E为Z0，EC 分别为 NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，AKp分别为PM、PM、PS、ZO、NS、NM和NM; 当 E 为PS，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，AKp分别为PS、PS、ZO、NS、NS、NM和NM; 当 E 为PM，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，AKp分别为PS、ZO、NS、NM、NM、NM和NB; 当 E 为PB，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，AKp分别为ZO、ZO、NM、NM、NM、NB和NB; 输出变量Ki的模糊控制规则如下： 当 E 为NB，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，AKi分别为NB、NB、NM、NM、NS、ZO和ZO; 当 E 为NM，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，AKi分别为NB、NB、NM、NS、NS、ZO和ZO; 当 E 为NS，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，AKi分别为NB、NM、NS、NS、ZO、PS和PS; 当 E为Z0，EC 分别为 NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，AKi分别为NM、NM、NS、ZO、PS、PM和PM; 当 E 为PS，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，AKi分别为NM、NS、ZO、PS、PS、NM和PB; 当 E 为PM，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，AKi分别为ZO、ZO、PS、PS、PM、P巧PPB; 当 E 为PB，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，AKi分别为ZO、ZO、PS、PM、PM、PB和PB。
[0009] W上字母NB、醒、NS、ZO、PS、PM、I?分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中和正 大。
[0010] 本发明实现了船舶电缆绞车驱动系统转速和电流的双闭环自适应控制，有效地提 高了船舶电缆绞车的控制精度，从而提高了驱动系统的动态和稳态性能，实现了船舶电缆 绞车的恒张力控制，延长了船舶电缆绞车的运行寿命。
【附图说明】
[0011] 下面结合附图对本发明作进一步详述。
[0012] 图1为本发明船舶电缆绞车驱动系统的传动结构图； 图2为本发明船舶电缆绞车驱动电机定子电流矢量图； 图3为本发明变论域模糊PI电缆绞车驱动系统控制器框图； 图4为本发明船舶电缆绞车驱动系统的变论域模糊控制流程图。
[001引文中各符号为:Tf为电缆张力产生的转矩;Tem为驱动电机的电磁转矩;To为驱动电 机及传动机构的空载转矩;Td为驱动电机的动态转矩;J为电缆卷和储缆筒的总转动惯量;Jp 为电缆卷的转动惯量;Jm为储缆筒的转动惯量；《为电缆绞车卷盘转速；为电缆绞车驱动 电机的转速;F为电缆张力;D为电缆卷直径;R为电缆卷径;r为储缆筒半径;b为储缆筒长度； P为电缆卷的平均密度;d为储缆筒直径;V为电缆线速度;E为转矩误差;Ec为转矩误差变化 率;AKp、AKi分别为PI控制器的两个参数P、I的修正;叫:和B为语言变量;却詩与省贿分 别为论域输入变量和输出变量的伸缩因子；r为一个常数，数值为0.7。
【具体实施方式】
[0014] 如图1所示为船舶电缆绞车驱动系统的传动结构图，可见船舶电缆绞车在收放电 缆的过程中，电缆卷径和转动惯量不断变化，为非线性时变参数。为了保证电缆在收放电缆 过程中能平稳工作，必须要求电缆的张力和线速度保持恒定。在电缆绞车收放的过程中通 过张力传感器检测到电缆所受的张力，并反馈至设计的船舶电缆绞车驱动系统的控制器 中，通过改变系统驱动电机的转矩，自动调节电缆卷筒的正反转，实现电缆的收放操作，并 在收放过程中使电缆所受的张力与设定值保持一致。
[0015] 当船舶电缆绞车正常工作时，控制电缆卷盘的驱动电机运动方程为：
式中：Tf为电缆张力产生的转矩;Tem为驱动电机的电磁转矩;To为驱动电机及传动机构 的空载转矩;Td为驱动电机的动态转矩。
[0016] 忽略空载转矩To，驱动电机稳速状态下，Td=O，上式变为：
式中:F为电缆张力;D为电缆卷直径。
[0017] 上述对船舶电缆绞车张力的分析只是考虑了稳速运行的情况，在实际收放电缆的 过程中常有加减速度的需要，此时会因调节不及时而使电缆拉力发生较大的变化，因此有 必要在加减速过程中对驱动电机动态转矩的进行补偿。驱动电机运动方程右边的第=部 分，即动态转矩为：
式中：Jp为电缆卷的转动惯量;Jm为电缆卷筒的转动惯量。
[0018] 电缆绞车卷筒的转动惯量Jm不变，而电缆卷的转动惯量Jp随着电缆直径D的减小而 变小，因此，必须对它进行计算。
[0019] 式中:R为电缆卷径;r为电缆卷筒的半径;b为储缆筒长度;P为电缆卷的平均密度。
[0020] 令 D=2R，d=2r，则： 又因为
式中：V为电缆线速度，联立上式得：
运样，只要检测到电缆绞车的电缆卷径D和速度变化率dv/dt等动态变量，就可W将船 舶电缆绞车加减速过程中驱动电机需要补偿的动态转矩计算出来。根据上面的分析可知， 在电缆绞车收放电缆的过程中，为了保持加减速过程中电缆所受的张力恒定不变，电缆绞 车在加减速过程中，电磁转矩通过附加动态转矩来进行补偿。可见，对船舶电缆绞车的恒张 力控制其实就是对驱动电机电流的控制，即对驱动电机的转矩进行控制。
[0021] 图2为船舶电缆绞车驱动电机的定子电流矢量图，可见平面下电缆绞车驱动电机 的电流极限圆和电压极限圆的轨迹，其中电压极限圆是随着速度的增加而减小。因此驱动 电机的电枢电流矢量i应限定在极限圆W内。而船舶电缆绞车的卷盘要求一定的转速和相 同的张力卷取电缆，随着电缆卷径的逐渐变大，卷盘的转速也应随之变低，而转矩则必须相 应增大。因此为了达到准确转矩控制，系统控制器根据电流、转矩、转速反馈计算给出反馈 电流值。
[0022] 从图中可见当电缆绞车驱动电机的转速升高时，电流矢量将会沿电流极限圆从驱 动电机最大转矩轨迹和电流极限圆的交点B移至和最大输出功率轨迹的交点C。此