許萍等

摘 要：針對大型承載平臺上升的平衡控制問題，對平臺的上升過程進(jìn)行了建模與仿真研究，建立了交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合控制要求設(shè)計了控制系統(tǒng)，同時運(yùn)用Matlab Simulink得出了系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型對結(jié)果進(jìn)行了處理分析。仿真結(jié)果證明，本系統(tǒng)開放靈活，可以達(dá)到控制平臺平穩(wěn)上升的目的。

關(guān)鍵詞：三樁腿平臺；交流異步電機(jī)；平衡控制；建模；仿真

中圖分類號：TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）08-00-02

0 引 言

大型承載平臺在海洋石油開采及其他工程建設(shè)應(yīng)用中有著持續(xù)作業(yè)時間長和效率高等優(yōu)點(diǎn)，升降控制系統(tǒng)是平臺制造的關(guān)鍵部分，它的性能優(yōu)劣直接影響平臺的安全性和使用效果[1]。以三樁腿平臺為研究對象，由于平臺分布在三個樁腿上的重量不完全相等，各樁腿上驅(qū)動電機(jī)的性能及減速箱的特性不同，可能造成平臺在上升過程中出現(xiàn)不同程度的傾斜。嚴(yán)重的傾斜會對平臺的安全造成影響，甚至使平臺倒塌[2]。因此在控制系統(tǒng)中，要實時檢測平臺的傾角，當(dāng)出現(xiàn)傾角時對相應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，用以實現(xiàn)平臺平衡上升的靈活控制[3]。

針對平臺上升過程中的平衡控制問題[4]，可運(yùn)用電機(jī)變頻調(diào)速控制。本文根據(jù)平臺上升過程的簡化模型得到穩(wěn)定的參考模型，設(shè)計出參考模型的自適應(yīng)控制器。在負(fù)載發(fā)生變化的情況下，自動調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出功率，從而保證閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得平臺可以平衡穩(wěn)定的上升到設(shè)定高度。

1 交流異步電機(jī)的建模

1.1 電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

圖1中，n為轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速；np是極對數(shù)；ωs為旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速；ω是轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度；ω1為電機(jī)供電角頻率（對應(yīng)頻率f1，ω1=2πf1）；J表示機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量；Te為異步電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩；Tl是負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩；R2是電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻；U1是電機(jī)定子的相電壓。

1.2 電機(jī)調(diào)速模型

1.3 PID轉(zhuǎn)速控制

為了使轉(zhuǎn)速控制更加準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定，可以運(yùn)用PID控制器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。PID控制器是通過將偏差的比例（Kp）、積分（Ki）和微分（Kd）進(jìn)行線性組合構(gòu)成控制量對被控制對象進(jìn)行控制[18-20]?？梢缘玫较到y(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的Simulink仿真模型如圖3所示。

2 平臺上升過程的建模

建立Simulink仿真模型，可以階躍信號給定轉(zhuǎn)速的設(shè)定值，通過PID變頻控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)減速箱得到傳遞到樁腿上的速度，再進(jìn)行積分得到平臺各樁腿的位移。并且分別在第6秒和第8秒時給2號樁腿和3號樁腿加入一個小階躍信號的干擾，最后再由傳感器進(jìn)行反饋，形成最外層的控制環(huán)。

通過三個觀測器可以看到多個參數(shù)的變化，如電機(jī)轉(zhuǎn)速、樁腿位移變化曲線、電機(jī)速度差曲線等。最終建立的Simulink仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 仿真結(jié)果

在仿真系統(tǒng)中，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n=1 500 rpm，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的PID參數(shù)分別是0.1、1、0.01。減速箱的減速比是1：15000。選取變步長仿真，電機(jī)帶負(fù)載啟動。

模擬平臺的平衡調(diào)節(jié)過程，圖5是仿真曲線圖。分別在第6秒和第8秒時給平臺的樁腿2和樁腿3施加負(fù)載（如圖5（a）），使其位移量減少（如圖5（b）），平臺出現(xiàn)傾角。通過傳感器將位移差反饋到輸入端，此時電機(jī)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)，減小不平衡傾角，最終使平臺重新回到平穩(wěn)上升的狀態(tài)（如圖5（c））。

4 結(jié) 語

本文在建立了電機(jī)模型的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了平臺上升過程的建模與仿真，并對平臺上升過程的部分重要參數(shù)進(jìn)行了實時觀測，從而有效解決了平臺上升過程中的不平衡問題。通過實時監(jiān)控，可不斷減小平臺傾角，最終使平臺平穩(wěn)上升。由此可見，該方法對實際平臺的平衡控制具有一定的參考價值。

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