船模施肥試驗池調(diào)速控制系統(tǒng)的改造

船模施肥試驗池調(diào)速控制系統(tǒng)的改造

1動態(tài)控制系統(tǒng)和原理該2號船舶懸掛試驗池建于20世紀70年代。游泳池總長為192m，有效試驗長度為160m，寬10m，深4m，總重量約30噸，設(shè)計運行速度范圍為0.0110m/s。船模拖車由4臺75kW直流電機通過減速齒輪箱驅(qū)動,原控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的可控硅進行調(diào)速控制,控制調(diào)節(jié)模塊采用模擬電路方式。在控制系統(tǒng)改造前,由于許多電子元器件逐漸老化或損壞,拖車速度控制不穩(wěn)定,控制精度和重復(fù)性差,嚴重影響了船舶性能試驗的質(zhì)量,實際上對要求拖車速度運行在6m/s以上的各種試驗已無法進行。因此急需對原來舊的控制系統(tǒng)進行改造,以滿足我所水池高速試驗科研生產(chǎn)工作的需要。2動態(tài)控制精度①調(diào)速范圍寬船模拖車控制要求實現(xiàn)的速度調(diào)節(jié)范圍為0.01～8.0m/s(考慮拖車機械結(jié)構(gòu)強度和軌道平整度等因素,拖車運行的最大速度限定為8.0m/s)。②調(diào)速精度高—拖車在穩(wěn)速運行階段(即試驗段)的動態(tài)控制精度要求:在0.1～8.0m/s速度范圍時為±1mm/s;8h內(nèi)試驗重復(fù)精度達到±1mm/s?！陔娋W(wǎng)電壓波動±10%的情況下,系統(tǒng)靜態(tài)精度為額定速度的±0.1%,動態(tài)精度為額定速度的±1%。③拖車起、制動過程中的加、減速度快要求拖車在起、制動時的加、減速度達到0.08g/s,在水池的有效長度范圍內(nèi)盡可能增加有效試驗段距離。確保在拖車穩(wěn)速運行條件下,有足夠的船模試驗數(shù)據(jù)采樣時間。3直流傳動控制器設(shè)計根據(jù)上述拖車調(diào)速控制系統(tǒng)要求實現(xiàn)的調(diào)速范圍和精度以及交、直流電機的調(diào)速特性,采用交流變頻調(diào)速的控制方式無法實現(xiàn)本系統(tǒng)的調(diào)速范圍和調(diào)速精度要求。因此系統(tǒng)設(shè)計采用直流調(diào)速的控制方式,并選用SIEMENS的6RA70系列全數(shù)字化可逆直流調(diào)速裝置作為核心控制器。本所2號水池船模拖車調(diào)速控制系統(tǒng)主要由2套6RA70系列全數(shù)字化可逆直流調(diào)速裝置、1套可編程控制器、1套工業(yè)控制計算機、1個轉(zhuǎn)速反饋光電編碼器和4臺75kW直流電機等設(shè)備組成,如圖1所示。4調(diào)查中認為,中國第一,我國家庭暴力前,我國家庭暴力時處于三種基由于本調(diào)速控制系統(tǒng)的控制對象—水池船模拖車主要由4臺75kW直流電機通過減速齒輪箱驅(qū)動,4臺電機之間屬于剛性連接,并且經(jīng)常處于起動、制動、反轉(zhuǎn)的過渡過程之中。因此為了使拖車能夠在水池的軌道上快速、穩(wěn)定地運行,除了水池軌道的平行性和平整度、拖車的結(jié)構(gòu)強度、驅(qū)動電機的功率要滿足拖車的運行設(shè)計要求以外,調(diào)速控制系統(tǒng)要解決的關(guān)鍵問題是要保證4臺直流電機的電樞電流在拖車運行過程中保持一致,盡量縮短拖車的起制動時間,并保證系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)的快速性和高精度控制要求。4.1配裝系統(tǒng)及控制原理為了實現(xiàn)拖車4臺直流驅(qū)動電機在拖車運行過程中的負載平衡(即電樞電流保持一致),本控制系統(tǒng)采用2套6RA70直流調(diào)速裝置分別控制D1、D2和D3、D4串聯(lián)電動機組運行的方式,這樣2臺串聯(lián)的直流電機D1、D2或D3、D4之間的電樞電流始終保持一致。2套調(diào)速裝置之間采用“PEERTOPEER”高速直接的通信方式傳送數(shù)據(jù),最高通訊速率可以達到187500baud。其中的一套裝置設(shè)置為主驅(qū)動裝置(設(shè)該裝置的控制字2的Bit27=0),另一套裝置設(shè)置為從驅(qū)動裝置(設(shè)該裝置的控制字2的Bit27=1)。對作為主驅(qū)動的直流調(diào)速裝置采用速度、電流雙閉環(huán)控制方法,而作為從驅(qū)動的直流調(diào)速裝置則采用電流閉環(huán)控制的方法,并由主驅(qū)動直流調(diào)速裝置的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出,通過“PEERTOPEER”的通信方式把數(shù)據(jù)傳送到從驅(qū)動直流調(diào)速裝置,作為從驅(qū)動裝置電流調(diào)節(jié)器的輸入,再由電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管的觸發(fā)裝置,調(diào)節(jié)相應(yīng)的電機電樞電流,使D1、D2與D3、D4兩組電機之間的電樞電流保持一致,實現(xiàn)拖車4臺直流驅(qū)動電機的負載平衡。調(diào)速控制系統(tǒng)實現(xiàn)驅(qū)動電機負載平衡的原理框圖見圖2所示。至于4臺直流驅(qū)動電機勵磁回路的調(diào)節(jié)控制,根據(jù)水池拖車運行速度的設(shè)計要求,只需要在電動機額定轉(zhuǎn)速以下范圍內(nèi)進行調(diào)速,因此調(diào)速系統(tǒng)不需要進行弱磁控制,只要分別把2臺電機的勵磁線圈串聯(lián)后連接到相應(yīng)的6RA70直流調(diào)速裝置,利用調(diào)速裝置所具有的勵磁調(diào)節(jié)功能,把調(diào)速裝置內(nèi)的勵磁調(diào)節(jié)單元設(shè)置成為一個恒流源,使直流電機的勵磁電流始終保持額定值。4.2控制系統(tǒng)的設(shè)計由于水池的實際有效試驗長度有限,而船模拖曳試驗又要求可供數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)速段距離盡可能長,因此要求調(diào)速控制系統(tǒng)特別在高速試驗時盡可能縮短拖車的起制動過程時間,同時必須做到拖車在起制動過程中不能有大的沖擊,保證工作人員感覺平穩(wěn),拖車上控制、試驗設(shè)備正常運行。為此,本系統(tǒng)從以下幾個方面進行設(shè)計考慮:①分利用直流驅(qū)動電機的過載能力,使系統(tǒng)在最大允許的動態(tài)轉(zhuǎn)矩下加速。②充分利用6RA70直流調(diào)速裝置的動態(tài)過載能力?？梢园凑账x用的6RA70直流調(diào)速裝置產(chǎn)品的間歇過載運行負載極限特性曲線,并根據(jù)水池拖車運行的周期性負載變化規(guī)律,確定調(diào)速裝置所允許的最大過載倍數(shù)和過載持續(xù)時間。③高速時將速度給定環(huán)節(jié)中的斜坡函數(shù)發(fā)生器的斜坡上升/下降時間(參數(shù)P303和P304)在高速時設(shè)置為零,在中、低速時則可以設(shè)置為非零值。④將速度給定環(huán)節(jié)中的斜坡函數(shù)發(fā)生器的初始圓弧和最終圓弧(參數(shù)P305和P306)調(diào)整為最佳值。4.3ra60直流車速控制系統(tǒng)測試及優(yōu)化設(shè)計船模拖曳試驗要求拖車車速在起動結(jié)束后,盡快穩(wěn)定在滿足試驗要求的速度精度范圍內(nèi)。本系統(tǒng)選用西門子6RA70全數(shù)字化直流調(diào)速裝置來控制拖車直流驅(qū)動電機,為實現(xiàn)拖車速度高精度控制要求奠定了良好的基礎(chǔ),但要實現(xiàn)拖車寬范圍、高精度的速度控制要求,還必須從以下幾個方面進行設(shè)計、優(yōu)化來進一步提高拖車速度的控制精度。①在6RA70直流調(diào)速裝置允許的最大頻率測量范圍內(nèi)(300kHz),選用高輸出脈沖數(shù)、雙脈沖通道90°相互轉(zhuǎn)換的增量式旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器(本系統(tǒng)選用每轉(zhuǎn)2000脈沖的編碼器)作為拖車速度反饋信號傳感器。并利用調(diào)速裝置的脈沖編碼器的倍數(shù)計算功能(參數(shù)P144和P145),提高低轉(zhuǎn)速的有效測量范圍。②雖然6RA70直流調(diào)速裝置本身具有速度調(diào)節(jié)器、電樞和勵磁的預(yù)控制和電流調(diào)節(jié)器以及摩擦和轉(zhuǎn)動慣量補償?shù)确矫娴膬?yōu)化功能(參數(shù)P051),但對拖車調(diào)速控制系統(tǒng)來說,只能在空載(即拖車輪子懸空)的情況下進行優(yōu)化,該優(yōu)化得到的參數(shù)值并不是系統(tǒng)帶載運行的最優(yōu)化值。因此必須在實際的調(diào)試過程中,對相關(guān)的參數(shù)如速度和電流PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)P225、P226;P155、P156)等進行反復(fù)比較,最終確定系統(tǒng)最優(yōu)化的參數(shù)。③為了補償電動機在有負荷時的動態(tài)速降,最大限度地抵消動態(tài)速降值,對拖車速度給定環(huán)節(jié)加入速降補償模塊。4.4多重停車安全保護30t重的拖車要在不到200m長的水池能夠以8m/s的速度進行高速運行,拖車上有試驗工作人員和重要的儀器設(shè)備,因此本控制系統(tǒng)除了提高電器產(chǎn)品選型、軟件設(shè)計等可靠性以外,還采取了多重停車安全保護等措施,以提高系統(tǒng)的運行安全性。①根據(jù)編碼器信號,可以動態(tài)計算、顯示拖車的實際運行位置,并可以用軟件方式任意設(shè)置拖車的自動停車限位位置。②可以根據(jù)在水池兩端設(shè)置的自動停車限位開關(guān)信號實現(xiàn)自動停車功能,并且可以根據(jù)實際需要解除限位信號,使拖車繼續(xù)前進或后退。③緊急停車保護功能(同時進行油剎抱閘剎車)—可以操作控制臺上的緊停按鈕,實現(xiàn)緊急制動功能?！鶕?jù)滑線斷電行程保護信號,實現(xiàn)緊急制動功能,并且可以根據(jù)