一種平台平衡上升控製的建模與仿真
學術研究
作者：許萍等
摘 要：針對大型承載平台上升的平衡控製問題，對平台的上升過程進行了建模與仿真研究，建立了交流異步電機的數學模型，結合控製要求設計了控製係統，同時運用Matlab Simulink得出了係統的動態仿真模型對結果進行了處理分析。仿真結果證明，本係統開放靈活，可以達到控製平台平穩上升的目的。
關鍵詞：三樁腿平台；交流異步電機；平衡控製；建模；仿真
中圖分類號：TP272 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）08-00-02
0 引 言
大型承載平台在海洋石油開采及其他工程建設應用中有著持續作業時間長和效率高等優點，升降控製係統是平台製造的關鍵部分，它的性能優劣直接影響平台的安全性和使用效果[1]。以三樁腿平台為研究對象，由於平台分布在三個樁腿上的重量不完全相等，各樁腿上驅動電機的性能及減速箱的特性不同，可能造成平台在上升過程中出現不同程度的傾斜。嚴重的傾斜會對平台的安全造成影響，甚至使平台倒塌[2]。因此在控製係統中，要實時檢測平台的傾角，當出現傾角時對相應電機的轉速進行調節，用以實現平台平衡上升的靈活控製[3]。
針對平台上升過程中的平衡控製問題[4]，可運用電機變頻調速控製。本文根據平台上升過程的簡化模型得到穩定的參考模型，設計出參考模型的自適應控製器。在負載發生變化的情況下，自動調節電機的輸出功率，從而保證閉環控製係統的穩定性，使得平台可以平衡穩定的上升到設定高度。
1 交流異步電機的建模
1.1 電機的數學模型
np是極對數；ωs為旋轉磁場的同步轉速；ω是轉子的機械角速度；ω1為電機供電角頻率（對應頻率f1，ω1=2πf1）；J表示機組的轉動慣量；Te為異步電機輸出的電磁轉矩；Tl是負載阻轉矩；R2是電機的轉子電阻；U1是電機定子的相電壓。
1.2 電機調速模型
1.3 PID轉速控製
為了使轉速控製更加準確、快速、穩定，可以運用PID控製器進行電機轉速控製。PID控製器是通過將偏差的比例（Kp）、積分（Ki）和微分（Kd）進行線性組合構成控製量對被控製對象進行控製[18-20]。
2 平台上升過程的建模
建立Simulink仿真模型，可以階躍信號給定轉速的設定值，通過PID變頻控製電機轉速，經減速箱得到傳遞到樁腿上的速度，再進行積分得到平台各樁腿的位移。並且分別在第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幹擾，最後再由傳感器進行反饋，形成最外層的控製環。
通過三個觀測器可以看到多個參數的變化，如電機轉速、樁腿位移變化曲線、電機速度差曲線等。
3 仿真結果
在仿真係統中，電機額定轉速n=1 500 rpm，電機轉速控製的PID參數分別是0.1、1、0.01。減速箱的減速比是1：15000。選取變步長仿真，電機帶負載啟動。
模擬平台的平衡調節過程，分別在第6秒和第8秒時給平台的樁腿2和樁腿3施加負載，使其位移量減少，平台出現傾角。通過傳感器將位移差反饋到輸入端，此時電機實現轉速的自動調節，減小不平衡傾角，最終使平台重新回到平穩上升的狀態。