CN102854796B

CN102854796B - 一种基于二维模糊控制的电缆防拉伸装置

Info

Publication number: CN102854796B
Application number: CN201110178625.3A
Authority: CN
Inventors: 赵宇明; 王保林; 杨继业; 何建群; 舒纳新; 祝建荣
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2031-06-29
Also published as: CN102854796A

Abstract

一种基于二维模糊控制的电缆防拉伸装置，属控制领域。包括PLC单元、力矩电机控制单元和电缆卷筒，其在电缆卷筒出线端设置一电缆拉力传感器；在PLC单元中设置一电缆拉力-电压模糊控制策略表；拉力传感器的信号输出端与PLC单元的I/O端口连接；PLC单元的I/O端口与力矩电机控制单元的输出电压测量端和输出电压控制输入端对应连接；PLC单元根据电缆所受拉力反馈信号和力矩电机控制单元输出电压反馈信号，通过对电缆拉力-电压模糊控制策略表的查询和输出，把所需的输出值施加到力矩电机控制单元的控制电压输入端，使力矩电机输出的转速和转矩自动保证与当时所需的转速和转矩相匹配，保证移动机械在工作过程中移动电缆的正常收/放，避免电缆在使用过程中受拉力过大而变形或拉断。

Description

一种基于二维模糊控制的电缆防拉伸装置

技术领域

本发明属于控制领域，尤其涉及一种用于移动式机械的电缆卷盘的收放控制装置。

背景技术

在大型电动移动机械作业过程中，移动电缆卷盘的工作状况直接影响移动电缆的使用安全和使用寿命，进而影响移动机的正常运行。

目前大多数电缆卷盘采用力矩电机驱动式，在这种方式下，为了满足电缆完全收到卷盘上时驱动卷盘所需的较大力矩，往往把电机的力矩调的很大，而随着电缆的逐渐放出驱动卷盘转动所需的力矩逐渐变小，而驱动电机的输出力矩没有随之减小，这时大部分力矩便施加到电缆上，并且在放缆过程中，为了阻止电缆从卷盘上散落，卷盘驱动不是反转主动放缆，而是在驱动不变的情况下靠电缆与地面锚定的拉力把电缆从卷盘中拉出来。

由于移动机械运动较频繁，电缆频繁受到拉力的作用会发生拉伸、扭曲，甚至被拉断，这不仅影响了安全稳定的生产，而且增加了设备成本和维护成本。

一般在不改变卷盘驱动方式的前提下，要满足稳定收放缆的要求，只要做到卷盘的收缆线速度与移动机械行走的速度一致率即可。

但矛盾的是在稳定卷盘角速度时，随着收放缆的运行，卷盘的半径会发生变化，因此收缆线速度也会变化，同时卷盘所需的驱动力矩也会变化。

目前的卷盘驱动控制方式为开环控制方式，即根据所需最大力矩人工设定力矩电机电压调节器(MTC)的输出。采用这种控制方法，无论收缆还是放缆，无论电缆在盘上的多与少，其输出力矩都是一样的，所以当收缆末尾时电缆所受拉力较小，在收缆开始时和放缆过程中电缆要承受很大拉力，这样就会把电缆拉伸或拉断，从而影响移动机的稳定运行，或者由于增加电缆备品而造成设备成本上升。

公告日为2009年1月14日，授权公告号为CN 201181831Y的中国实用新型专利，公开了一种“电缆卷盘控制装置”，其具有卷盘、减速箱、驱动电机和电器控制箱，电器控制箱控制驱动电机转动，驱动电机通过减速箱驱动卷盘转动；其驱动电机为变频电机，驱动电机上设有负责采集速度和位置信号的编码器，减速箱或卷盘上设有用于判别位置和方向的信号开关，电器控制箱内设有变频器和可编程序控制器，编码器和信号开关的输出端与可编程序控制器输入端相连接，可编程序控制器输出端与变频器的输入端相连接，变频器的输出端与驱动电机的输入端相连接。

上述技术方案采用了变频控制技术，若采用该技术方案用于现有设备的力矩式电缆卷盘改造，则从根本上改变了控制方式，成本较高，并且无拉力反馈部分，电缆所受拉力仍然不可实时自动调节。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于二维模糊控制的电缆防拉伸装置，其通过在运行过程中的在线查询和控制电压输出，控制电压作用于电缆卷盘驱动电机的调压器，使之输出合适的电压值最终使电机输出的转速和转矩自动保证与当时所需的转速和转矩相匹配，这样不仅能保证移动机械在工作过程中移动电缆的正常收放，而且能避免电缆在使用过程中受拉力过大而变形或拉断。

本发明的技术方案是：提供一种基于二维模糊控制的电缆防拉伸装置，包括移动机械上的PLC单元、用于控制电缆卷筒的力矩电机控制单元和装有电缆的电缆卷筒，所述的PLC单元具有模拟量输入/输出模块，所述的力矩电机控制单元具有电机运行电压输出设定电位器和输出电压控制输入端口，所述的电缆一端与地面接线箱连接，一端经电缆卷筒盘绕，与移动机械上的总电源进线箱连接，在电缆卷筒的出线端，设置一个电缆拉力传感器，所述电缆拉力传感器的信号输出端与PLC单元的I/O端口连接，所述的电缆拉力传感器将电缆所受到的拉力传送至PLC单元；所述的电缆拉力传感器把检测到的电缆所受的拉力，实时地转换为0－10V的电压信号，反馈到PLC的拉力反馈输入端；所述拉力传感器的信号输出端与PLC单元的I/O端口连接；所述PLC单元的I/O端口与力矩电机控制单元的输出电压测量端和输出电压控制输入端口分别对应连接；所述的PLC单元测量力矩电机控制单元的输出电压；在PLC单元中设置一电缆拉力—电压模糊控制策略表；其特征是：

所述电缆拉力传感器的感应轮安装在电缆的排线器与卷盘中间的弧形段，调节所述拉力传感器的机械结构安装位置，使电缆拉力最大时力传感器输出10V，电缆完全松弛下来时，传感器输出为0V；

手动调节力矩电机控制单元的电压设定电位器，当现场电机刚好能拖动空卷盘时所需的电压值停止，并将此时的电压输出值记为V₀，并记下拖动电缆完全收起时所需的电压值记为V_D，V₀-V_D之间的电压值即为电缆卷盘工作中的所需的电压；

在移动机械移动过程和/或电缆卷筒转动中，所述的PLC单元根据电缆所受拉力反馈信号和力矩电机控制单元输出电压反馈信号，通过对电缆拉力—电压模糊控制策略表的查询和输出，把所需的输出值施加到力矩电机控制单元的控制电压输入端，使力矩电机控制单元输出合适的电压值，最终使力矩电机输出的转速和转矩自动保证与当时所需的转速和转矩相匹配，保证移动机械在工作过程中移动电缆的正常收/放，避免电缆在使用过程中受拉力过大而变形或拉断；

其所述的电缆拉力—电压模糊控制策略表，通过人工对实际的电缆拉力反馈信息和调压器输出电压反馈信息采集，再进行隶属度划分而得到；

所述的隶属度划分包括对实际的电缆拉力反馈信息和调压器输出电压反馈信息进行隶属度划分，结果平均分为“很小”、“小”、“适中”、“大”和“很大”五档；

其所述的电缆拉力—电压模糊控制策略表为一个二维模糊控制表，作为一个矩阵保存在PLC中，在移动机械及其控制程序的运行过程中，PLC单元实现对该数据块矩阵的在线查询；

其所述的PLC单元首先把拉力反馈信号和电压输出反馈信号的数值进行四舍五入，并把其数值作为二维模糊控制表的矩阵查询地址，然后到二维模糊控制表中查询对应的数据，并由PLC单元的模拟量输出模块输出至力矩电机控制单元的控制电压输入端；

其所述的电缆防拉伸装置采用模糊策略表以及输出信号的闭环反馈控制，实现被控对象的非线性控制，改善移动电缆的工作环境，确保移动电缆的使用安全，延长移动电缆的使用寿命，减少了缆更换次数和备品数量，并且有效降低卷盘驱动电机电耗，同时减少设备结构磨损。

所述的力矩电机调节器按照PLC单元经过模糊推理部分输出的控制电压，线性对应的输出力矩电机所需的相应电压值，从而实现模糊控制。

进一步的，所述的人工对实际的电缆拉力反馈信息和调压器输出电压反馈信息采集，首先依据现场需要在数据输入模块中确定电缆卷盘工作的电压上限、下限，现场完全保证电缆卷盘满盘时能正常驱动的电压为VD＝210V,空盘时能驱动卷盘的电压为V0＝160V；把该工作范围内的电压分为5个档次为：160V～170V为“很小”，170V～180V为“小”，180V～190V为“适中”，190V～200V为“大”，200V～210V为“很大”。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.可以有效提高电缆卷盘力矩的控制精度，在不改变卷盘系统基本结构的前提下，改善了移动电缆的工作环境，确保移动电缆的使用安全；

2.在改善电缆工作环境的前提下，延长了移动电缆的使用寿命，减少了电缆更换次数和备品数量，并且有效降低了卷盘驱动电机电耗，同时减少了设备结构磨损，因而最大限度的提高了经济效益；

3.对被控对象的特性变化不敏感，模糊控制器的设计参数容易选择调整，算法简单执行快，并且结构简单容易实现。

附图说明

图1是原有卷盘驱动控制装置的电气结构示意图；

图2是本发明技术方案的电气结构示意图；

图3是PLC模拟量输出的隶属度划分示意图；

图4是PLC模拟量输入的隶属度划分示意图。

其中，1为拉力传感器2为拉力反馈输入端3为电压反馈输入端，4为MTC输出电压测量端，5为MTC电压控制端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1中，目前的卷盘驱动控制方式为开环控制方式，即根据所需最大力矩人工设定力矩电机电压调节器(MTC)的输出，采用这种控制方法，无论收缆还是放缆，无论电缆在盘上的多与少，其输出力矩都是一样的，所以当收缆末尾时电缆所受拉力较小，在收缆开始时和放缆过程中电缆要承受很大拉力，这样就会把电缆拉伸或拉断，从而影响移动机的稳定运行，或者由于增加电缆备品而造成设备成本上升。

图2中，本技术方案包括移动机械上原有的PLC单元、用于控制电缆卷筒的力矩电机控制单元和装有电缆的电缆卷筒，所述的PLC单元具有模拟量输入/输出模块，所述的力矩电机控制单元具有电机运行电压输出设定电位器和输出电压控制输入端口，所述的电缆一端与地面接线箱连接，一端经电缆卷筒盘绕，与移动机械上的总电源进线箱连接；其特征是：在电缆卷筒的出线端，设置一个电缆拉力传感器；在PLC单元中设置一电缆拉力—电压模糊控制策略表；所述拉力传感器的信号输出端与PLC单元的I/O端口连接；所述PLC单元的I/O端口与力矩电机控制单元的输出电压测量端和输出电压控制输入端口分别对应连接；所述的电缆拉力传感器将电缆所受到的拉力传送至PLC单元，所述的PLC单元测量力矩电机控制单元的输出电压。

在移动机械移动过程和/或电缆卷筒转动中，所述的PLC单元根据电缆所受拉力反馈信号和力矩电机控制单元输出电压反馈信号，通过对电缆拉力—电压模糊控制策略表(以下简称为策略表或模糊表)的查询和输出，把所需的输出值施加到力矩电机控制单元的控制电压输入端，使力矩电机控制单元输出合适的电压值，最终使力矩电机输出的转速和转矩自动保证与当时所需的转速和转矩相匹配，保证移动机械在工作过程中移动电缆的正常收/放，避免电缆在使用过程中受拉力过大而变形或拉断。

本装置把人工对电缆卷盘的调节经验(如拉力过大时把输出电压调低，拉力过小时把输出电压调高)用MATLAB工具经过二维模糊推理得到控制作用集(即模糊表)，把该模糊表输入到原有的PLC中，实现在运行中的在线查询和控制电压输出，控制电压作用于电缆卷盘驱动电机的调压器(以下简称为MTC)，使之输出合适的电压值最终使电机输出的转速和转矩自动保证与当时所需的转速和转矩相匹配，这样不仅能保证移动机械在工作过程中移动电缆的正常收放，而且能避免电缆在使用过程中受拉力过大而变形或拉断。

该控制装置主要包括数据输入部分、二维模糊控制部分、输出调节部分、拉力反馈部分等。

1、数据输入部分：可以根据现场实际要求输入数据。现场表现为力矩电机调节器(MTC)的手动设定电位器和原有移动机的控制器PLC S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN，以及PLC的模拟量输入模块。

2、模糊表：主要保存操作调节过程中的调节经验。实际应用中即是由MATLAB软件生成的二维模糊控制表，作为一个矩阵保存在PLC中，运行中实现对该数据块的在线查询。

3、模糊推理部分：在PLC中编程首先把拉力反馈和电压输出反馈四舍五入，并把其数值作为二维模糊表的矩阵查询地址，然后到专家规则库(模糊表)中查询对应的数据，并由PLC的模拟量输出模块输出。

4、数据输出部分：即是力矩电机调节器(MTC)，按照模糊推理部分输出的控制电压，线性对应的输出力矩电机所需的电压值，从而实现模糊控制。

其中涉及到原设备中的力矩电机调节器(MTC)的作用是，调节力矩电机所需的电压输出，它具有电压输出设定电位器，可以手动设定其电压输出，也具有控制电压输入口，在控制电压输入口两端接入0－10V的电压就可以实现从手动设定的电压输出值到最大电压输出值之间的线性对应调节。因此它可以按照模糊控制部分的要求自动输出合适的驱动电压。

拉力反馈部分为拉力传感器，它把检测到电缆所受的实时拉力转换为0－10V的电压信号反馈到PLC的拉力反馈输入端；输出电压测量器负责测量调压器输出的即时值V0－VD转换为0－10V的标准电压反馈到PLC的电压反馈输入端。

S7-200PLC即是原有设备的控制器，不仅控制了所有的动作的要求，而且在此负责检测数据的处理和数据的查询和输出。

数据处理步骤：

第一步：手动调节MTC的电压设定电位器，当现场电机刚好能拖动空卷盘时所需的电压值停止，并将此时的电压输出值记为V₀，并记下拖动电缆完全收起时所需的电压值记为V_D。V₀－V_D之间的电压值即为电缆卷盘工作中的所需的电压。V₀－V_D以外过小过大的电压都会使电缆松弛滑落或者过紧拉断。把V₀－V_D以之间的电压按照模糊控制的隶属度划分原则(一般分成奇数部分)平均分成五部分，从小到大依次定义为“很小”，“小”，适中，“小”，“很大”五档(如图3所示)。

第二步：把拉力反馈部分的反馈信息(0－10V)的反馈电压依照模糊控制隶属度划分法分成五部分，依次记为“很小”，“小”，“适中”，“大”，“很大”五档，同样把实际输出电压的反馈值(0－10V)分为五部分，依次记为“很小”，“小”，适中，“小”，“很大”五档(如图4所示)。

第三步：建立模糊控制规则或控制算法，控制律通常由一组if-then结构的模糊条件语句构成，例如：if V＝N and F＝N，then u＝PB……等：或总结为模糊控制规则表，如表一(模糊控制策略表)中所示，可直接由V和F查询相应的控制量u的控制要求。

表一

第四步：模糊控制查询表的生成，不同的反馈值F，V对应不同的u，由于F的论域是(0-10)，V的论域是(0-10)，所以u的个数一共是11*11＝121个，利用matlab中的evalfis函数即可方便得到121个u值，具体程序如下，其中“dianlanpan”，为本系统在MATLAB提供的FIS编辑器中的文件名。

for i＝0:1:10

F＝[i i i i i i i i i i i]

U＝[0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10]

u＝readfis('dianlanpan')；

evalfis([F；U]，u)

end

表二

由程序得出的数值经四舍五入取整后得到模糊控制数据查询表(表二)，然后把该模糊表复制到PLC的编程软件STEP7-Micro/WIN中的数据块中，并通过编程电缆下载到PLC中。

第五步：在PLC程序运行过程中，则可以实现对模糊表的查询和输出，把所需的输出值施加到MTC的控制电压输入端则可以使MTC按照控制电压的控制线性的输出所需电压。

实施例：

根据现场条件和需求对该控制装置进行了安装、调试和运行关注。

第一步：依据现场需要在数据输入模块中确定电缆卷盘工作的电压上限、下限，现场完全保证电缆卷盘满盘时能正常驱动的电压为VD＝210V，空盘时能驱动卷盘的电压为V0＝160V。把该工作范围内的电压分为5个档次为：160V～170V为“很小”，170V～180V为“小”，180V～190V为“适中”，190V～200V为“大”，200V～210V为“很大”。

第二步：对实际的电缆拉力反馈信息和调压器输出电压反馈信息进行隶属度划分，结果平均分为“很小”，“小”，“适中”，“大”，“很大”五档。

拉力传感器反馈电压为标准信号0～10V，调节拉力传感器的机械结构安装位置使电缆拉力最大时(即空盘时调压器输出250V电压拖动电缆)拉力传感器输出10V，电缆完全松弛下来时，传感器输出为0V，现场为了使电缆稍紧一点绕在卷盘上，故使用小张力收缆方式即拉力传感器反馈值基本维持在5V左右，同样把反馈电压分为五档。

第三步：根据实际收放电缆调试过程中的调节经验，得到控制策略表(如表一)。在MATLAB软件中，使用模糊控制工具箱，按所需变量的隶属度划分和上述控制策略表用evalfis函数生成模糊表(如表二)，把该表的数据复制到PLC的编程软件STEP7-Micro/WIN中的数据块中，并在主程序中编程实现对该数据的查询和调用，并通过编程电缆把程序和该数据表下载到PLC中。

第四步：按照图2所示的电路图安装器件，并连接电路。

首先安装拉力传感器(如图2中的1)，把传感器的感应轮安装在电缆的排线器与卷盘中间的弧形段，调节其位置实现在电缆很松时传感器的输出为0，很紧时传感器的输出接近10V，并把传感器标准信号线连接到PLC的模拟量输入端(如图2中的2)；在MTC的输出指示端引出信号线，实现电压由V0－VD的检测，并把信号引入PLC的模拟量输入端(如图2中的3、4)；把PLC的模拟量输出信号线连接到MTC的输出电压控制端(如图2中的5)；最后，运行、调试设备实现被控对象的非线性控制。

根据近半年来的现场使用，该新型控制方法改善了电缆在使用过程中受拉力较大状况。电缆的过张力故障次数由之前的每月平均6次下降为0次，实施后由于电机并非像之前一直工作在全压状态，因此也节约了电能。

由于本发明采用了模糊策略表以及输出信号的闭环反馈控制，实现了被控对象的非线性控制，改善了移动电缆的工作环境，确保移动电缆的使用安全，延长了移动电缆的使用寿命，减少了电缆更换次数和备品数量，并且有效降低了卷盘驱动电机电耗，同时减少了设备结构磨损，因而最大限度的提高了经济效益。

本发明可广泛用于各种移动/行走机械之电缆收放装置的控制领域。

Claims

1.一种基于二维模糊控制的电缆防拉伸装置，包括移动机械上的PLC单元、用于控制电缆卷筒的力矩电机控制单元和装有电缆的电缆卷筒，所述的PLC单元具有模拟量输入/输出模块，所述的力矩电机控制单元具有电机运行电压输出设定电位器和输出电压控制输入端口，所述的电缆一端与地面接线箱连接，一端经电缆卷筒盘绕，与移动机械上的总电源进线箱连接，在电缆卷筒的出线端，设置一个电缆拉力传感器，所述电缆拉力传感器的信号输出端与PLC单元的I/O端口连接，所述的电缆拉力传感器将电缆所受到的拉力传送至PLC单元；所述的电缆拉力传感器把检测到的电缆所受的拉力，实时地转换为0－10V的电压信号，反馈到PLC的拉力反馈输入端；所述拉力传感器的信号输出端与PLC单元的I/O端口连接；所述PLC单元的I/O端口与力矩电机控制单元的输出电压测量端和输出电压控制输入端口分别对应连接；所述的PLC单元测量力矩电机控制单元的输出电压；在PLC单元中设置一电缆拉力—电压模糊控制策略表；其特征是：

2.按照权利要求1所述的基于二维模糊控制的电缆防拉伸装置，其特征是所述的力矩电机调节器按照PLC单元经过模糊推理部分输出的控制电压，线性对应的输出力矩电机所需的相应电压值，从而实现模糊控制。

3.按照权利要求1所述的基于二维模糊控制的电缆防拉伸装置，其特征是所述的人工对实际的电缆拉力反馈信息和调压器输出电压反馈信息采集，首先依据现场需要在数据输入模块中确定电缆卷盘工作的电压上限、下限，现场完全保证电缆卷盘满盘时能正常驱动的电压为VD＝210V,空盘时能驱动卷盘的电压为V0＝160V；把该工作范围内的电压分为5个档次为：160V～170V为“很小”，170V～180V为“小”，180V～190V为“适中”，190V～200V为“大”，200V～210V为“很大”。