论文部分内容阅读
摘 要：针对大型承载平台上升的平衡控制问题，对平台的上升过程进行了建模与仿真研究，建立了交流异步电机的数学模型，结合控制要求设计了控制系统，同时运用Matlab Simulink得出了系统的动态仿真模型对结果进行了处理分析。仿真结果证明，本系统开放灵活，可以达到控制平台平稳上升的目的。
关键词：三桩腿平台；交流异步电机；平衡控制；建模；仿真
中图分类号：TP272 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）08-00-02
0 引 言
大型承载平台在海洋石油开采及其他工程建设应用中有着持续作业时间长和效率高等优点，升降控制系统是平台制造的关键部分，它的性能优劣直接影响平台的安全性和使用效果[1]。以三桩腿平台为研究对象，由于平台分布在三个桩腿上的重量不完全相等，各桩腿上驱动电机的性能及减速箱的特性不同，可能造成平台在上升过程中出现不同程度的倾斜。严重的倾斜会对平台的安全造成影响，甚至使平台倒塌[2]。因此在控制系统中，要实时检测平台的倾角，当出现倾角时对相应电机的转速进行调节，用以实现平台平衡上升的灵活控制[3]。
针对平台上升过程中的平衡控制问题[4]，可运用电机变频调速控制。本文根据平台上升过程的简化模型得到稳定的参考模型，设计出参考模型的自适应控制器。在负载发生变化的情况下，自动调节电机的输出功率，从而保证闭环控制系统的稳定性，使得平台可以平衡稳定的上升到设定高度。
1 交流异步电机的建模
1.1 电机的数学模型
图1中，n为转子实际转速；np是极对数；ωs为旋转磁场的同步转速；ω是转子的机械角速度；ω1为电机供电角频率（对应频率f1，ω1=2πf1）；J表示机组的转动惯量；Te为异步电机输出的电磁转矩；Tl是负载阻转矩；R2是电机的转子电阻；U1是电机定子的相电压。
1.2 电机调速模型
1.3 PID转速控制
为了使转速控制更加准确、快速、稳定，可以运用PID控制器进行电机转速控制。PID控制器是通过将偏差的比例（Kp）、积分（Ki）和微分（Kd）进行线性组合构成控制量对被控制对象进行控制[18-20]。可以得到系统电机转速控制的Simulink仿真模型如图3所示。
2 平台上升过程的建模
建立Simulink仿真模型，可以阶跃信号给定转速的设定值，通过PID变频控制电机转速，经减速箱得到传递到桩腿上的速度，再进行积分得到平台各桩腿的位移。并且分别在第6秒和第8秒时给2号桩腿和3号桩腿加入一个小阶跃信号的干扰，最后再由传感器进行反馈，形成最外层的控制环。
通过三个观测器可以看到多个参数的变化，如电机转速、桩腿位移变化曲线、电机速度差曲线等。最终建立的Simulink仿真结构如图4所示。
3 仿真结果
在仿真系统中，电机额定转速n=1 500 rpm，电机转速控制的PID参数分别是0.1、1、0.01。减速箱的减速比是1：15000。选取变步长仿真，电机带负载启动。
模拟平台的平衡调节过程，图5是仿真曲线图。分别在第6秒和第8秒时给平台的桩腿2和桩腿3施加负载（如图5（a）），使其位移量减少（如图5（b）），平台出现倾角。通过传感器将位移差反馈到输入端，此时电机实现转速的自动调节，减小不平衡倾角，最终使平台重新回到平稳上升的状态（如图5（c））。
4 结 语
本文在建立了电机模型的基础上，实现了平台上升过程的建模与仿真，并对平台上升过程的部分重要参数进行了实时观测，从而有效解决了平台上升过程中的不平衡问题。通过实时监控，可不断减小平台倾角，最终使平台平稳上升。由此可见，该方法对实际平台的平衡控制具有一定的参考价值。
参考文献
[1]李文华，张银东，陈海泉.自升式海洋石油平台液压升降系统分析[J].液压与气动，2006（8）：23-25.
[2]欧进萍，肖仪清，黄虎杰.海洋平台结构实时安全监测系统[J].海洋工程，2001.19（2）：1-6.
[3]谭跃，邱赤东，姜培元.自升式海洋平台自动平衡控制的研究[J].大连海事大学学报，2000，26（2）.95-97.
[4]彭国朋，黄海涛.天线塔架液压升降系统运动平稳性研究[J].电子机械工程，2012，28（6）：17-19.
[5] 程伟，马树元，吴平东，等.三相交流异步电机的建模与仿真[J].计算机仿真，2005（3） ：69-71
[6]顾德英，季正东，张平.基于SIMULINK的异步电机的建模与仿真[J].电力系统及其自动化学报，2003（2）：71-73.
[7]谢雅，黄中华，左金玉.三相交流异步电机矢量控制系统仿真建模[J].湖南工程学院学报（自然科学版），2013（1）：1-4.
[8]刘硕彭，江川. 基于MATLAB三相异步电机的建模与仿真[J].东方电机，2006（1）：65-68.
[10]刘媛媛.三相异步电机在SIMULINK下的建模与仿真[J].甘肃科技，2010（22）：61-64.
[11]应慧娟.基于ROCKWELL三层网络的电机控制[D].北京：中国计量科学研究院，2007
[10]李发海，王岩.电机与拖动基础[M].北京：清华大学出版社，2008
[12]吴晓慧.旋转电机转子转动惯量测定方法[J].中小型电机，2005，32（2）：62-65
[13]丁辉，胡协和.交流异步电动机调速系统控制策略综述[J].浙江大学学报（工学版），2011（1）：50-58.
[14]王新宇.交流异步电机调速系统[J].信息与电脑 （理论版），2011 （3）：144，146.
[15]刘铮，贾斌，马丽辉.基于交流异步电机变频调速及多种调速系统的对比[J].机电信息，2011（9）：74，95.
[16]李春文，张爱芳，曹玲芝.交流异步电机变频调速系统研究综述[J].科技资讯，2009（33）：47.
[17]朱明，陈觉晓，贡俊，等.交流异步电机数学模型的研究[J].微特电机，1999（1）：4-9，35.
[18]刘景文. 模糊PID控制技术在交流异步电机上的应用[J]. 炼油与化工，2014（4）：40-41，64.
[19]张凤众.基于模糊PID交流异步电机控制研究[J]. 科技广场，2012（10）：85-88.
[20]张金焕.PID控制系统和模糊自适应PID控制系统的研究及比较[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2005，27 （5）： 286-290.
关键词：三桩腿平台；交流异步电机；平衡控制；建模；仿真
中图分类号：TP272 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）08-00-02
0 引 言
大型承载平台在海洋石油开采及其他工程建设应用中有着持续作业时间长和效率高等优点，升降控制系统是平台制造的关键部分，它的性能优劣直接影响平台的安全性和使用效果[1]。以三桩腿平台为研究对象，由于平台分布在三个桩腿上的重量不完全相等，各桩腿上驱动电机的性能及减速箱的特性不同，可能造成平台在上升过程中出现不同程度的倾斜。严重的倾斜会对平台的安全造成影响，甚至使平台倒塌[2]。因此在控制系统中，要实时检测平台的倾角，当出现倾角时对相应电机的转速进行调节，用以实现平台平衡上升的灵活控制[3]。
针对平台上升过程中的平衡控制问题[4]，可运用电机变频调速控制。本文根据平台上升过程的简化模型得到稳定的参考模型，设计出参考模型的自适应控制器。在负载发生变化的情况下，自动调节电机的输出功率，从而保证闭环控制系统的稳定性，使得平台可以平衡稳定的上升到设定高度。
1 交流异步电机的建模
1.1 电机的数学模型
图1中，n为转子实际转速；np是极对数；ωs为旋转磁场的同步转速；ω是转子的机械角速度；ω1为电机供电角频率（对应频率f1，ω1=2πf1）；J表示机组的转动惯量；Te为异步电机输出的电磁转矩；Tl是负载阻转矩；R2是电机的转子电阻；U1是电机定子的相电压。
1.2 电机调速模型
1.3 PID转速控制
为了使转速控制更加准确、快速、稳定，可以运用PID控制器进行电机转速控制。PID控制器是通过将偏差的比例（Kp）、积分（Ki）和微分（Kd）进行线性组合构成控制量对被控制对象进行控制[18-20]。可以得到系统电机转速控制的Simulink仿真模型如图3所示。
2 平台上升过程的建模
建立Simulink仿真模型，可以阶跃信号给定转速的设定值，通过PID变频控制电机转速，经减速箱得到传递到桩腿上的速度，再进行积分得到平台各桩腿的位移。并且分别在第6秒和第8秒时给2号桩腿和3号桩腿加入一个小阶跃信号的干扰，最后再由传感器进行反馈，形成最外层的控制环。
通过三个观测器可以看到多个参数的变化，如电机转速、桩腿位移变化曲线、电机速度差曲线等。最终建立的Simulink仿真结构如图4所示。
3 仿真结果
在仿真系统中，电机额定转速n=1 500 rpm，电机转速控制的PID参数分别是0.1、1、0.01。减速箱的减速比是1：15000。选取变步长仿真，电机带负载启动。
模拟平台的平衡调节过程，图5是仿真曲线图。分别在第6秒和第8秒时给平台的桩腿2和桩腿3施加负载（如图5（a）），使其位移量减少（如图5（b）），平台出现倾角。通过传感器将位移差反馈到输入端，此时电机实现转速的自动调节，减小不平衡倾角，最终使平台重新回到平稳上升的状态（如图5（c））。
4 结 语
本文在建立了电机模型的基础上，实现了平台上升过程的建模与仿真，并对平台上升过程的部分重要参数进行了实时观测，从而有效解决了平台上升过程中的不平衡问题。通过实时监控，可不断减小平台倾角，最终使平台平稳上升。由此可见，该方法对实际平台的平衡控制具有一定的参考价值。
参考文献
[1]李文华，张银东，陈海泉.自升式海洋石油平台液压升降系统分析[J].液压与气动，2006（8）：23-25.
[2]欧进萍，肖仪清，黄虎杰.海洋平台结构实时安全监测系统[J].海洋工程，2001.19（2）：1-6.
[3]谭跃，邱赤东，姜培元.自升式海洋平台自动平衡控制的研究[J].大连海事大学学报，2000，26（2）.95-97.
[4]彭国朋，黄海涛.天线塔架液压升降系统运动平稳性研究[J].电子机械工程，2012，28（6）：17-19.
[5] 程伟，马树元，吴平东，等.三相交流异步电机的建模与仿真[J].计算机仿真，2005（3） ：69-71
[6]顾德英，季正东，张平.基于SIMULINK的异步电机的建模与仿真[J].电力系统及其自动化学报，2003（2）：71-73.
[7]谢雅，黄中华，左金玉.三相交流异步电机矢量控制系统仿真建模[J].湖南工程学院学报（自然科学版），2013（1）：1-4.
[8]刘硕彭，江川. 基于MATLAB三相异步电机的建模与仿真[J].东方电机，2006（1）：65-68.
[10]刘媛媛.三相异步电机在SIMULINK下的建模与仿真[J].甘肃科技，2010（22）：61-64.
[11]应慧娟.基于ROCKWELL三层网络的电机控制[D].北京：中国计量科学研究院，2007
[10]李发海，王岩.电机与拖动基础[M].北京：清华大学出版社，2008
[12]吴晓慧.旋转电机转子转动惯量测定方法[J].中小型电机，2005，32（2）：62-65
[13]丁辉，胡协和.交流异步电动机调速系统控制策略综述[J].浙江大学学报（工学版），2011（1）：50-58.
[14]王新宇.交流异步电机调速系统[J].信息与电脑 （理论版），2011 （3）：144，146.
[15]刘铮，贾斌，马丽辉.基于交流异步电机变频调速及多种调速系统的对比[J].机电信息，2011（9）：74，95.
[16]李春文，张爱芳，曹玲芝.交流异步电机变频调速系统研究综述[J].科技资讯，2009（33）：47.
[17]朱明，陈觉晓，贡俊，等.交流异步电机数学模型的研究[J].微特电机，1999（1）：4-9，35.
[18]刘景文. 模糊PID控制技术在交流异步电机上的应用[J]. 炼油与化工，2014（4）：40-41，64.
[19]张凤众.基于模糊PID交流异步电机控制研究[J]. 科技广场，2012（10）：85-88.
[20]张金焕.PID控制系统和模糊自适应PID控制系统的研究及比较[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2005，27 （5）： 286-290.