小型系留气球收卷控制技术研究

杨占锋，鹿 麟，徐国祥

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

系留气球利用空气产生的浮力升空，可携带任务载荷长时驻空执行任务，在军、民用一些特定领域取得众多应用，有效填补了地面设备在低空侦察、预警方面的死角[1]。系留气球本身没有动力系统，其升空和回收由一套收放装置通过牵引缆绳实现。本文以小型系留气球收放装置为研究对象，分析负载转矩变化规律，设计了储缆卷筒自动张力控制和闭环恒张力2种控制方案，通过实验平台验证控制方案的合理性和有效性，为类似小型收放装置收卷控制设计提供参考。

1 收卷控制需求分析

典型的收放装置结构如图 1所示。牵引电机通过牵引轮为气球收放提供动力，排线机构和储缆卷筒实现缆绳的整齐储存。

图1 收放装置结构示意

收卷电机通过减速机带动储缆卷筒实现缆绳收卷储存，其驱动控制需要满足如下要求：

a.速度与主牵引电机匹配。收卷电机与主牵引速度匹配，并具有足够响应速度，防止收放速度大范围变化造成缆绳张力波动甚至松弛，导致绳脱槽和损伤。

b.自动适应卷径变化。收卷电机输出力矩需随储缆卷筒卷径变化而自动调整，维持卷筒与牵引轮之间缆绳张力稳定。

c.动态力矩补偿。收卷过程中牵引电机存在的加减速过程，缆绳端负载变化均会引起缆绳张力变化，收卷电机转矩需要动态调整，维持缆绳张力稳定。

2 收卷控制方案

适用于收放装置收卷驱动控制功能的主流方式有：

a.交流异步力矩电机+力矩控制器。交流力矩电机特性较软，机械特性与卷绕工况较为接近，且控制方式较为简单，只需要进行简单的调压驱动控制即可，成本低，可靠性较高。

b.异步电机+矢量控制。异步电机采用矢量控制可以实现转矩控制。但需要配备带有矢量控制功能的变频器，通常还需要配备编码器，以提高力矩控制的精度。

c.伺服电机力矩模式。伺服电机力矩控制模式能够方便实现恒张力控制，但伺服电机价格较贵，电机与驱动器需要成套使用。

3种控制方式都能够实现张力控制，其中交流异步力矩电机+力矩控制器架构最为简单，可靠性高，成本较低。控制系统出现故障后能够快速方便地采取应急措施实现系留气球的应急回收，因此在小型收放设备中得到广泛应用。

3 收卷负载转矩分析

3.1 负载转矩规律

收卷电机负载力矩主要包括4T部分：缆绳张力引起的力矩，缆绳弯曲应力引起的弯曲力矩，机械运动引起的摩擦力矩和转速变化时引起的惯性力矩[2]。收卷电机转矩平衡表达式为

Tout·i=Tm+Ta+Tw+Tf

(1)

Tout为收卷电机输出转矩；i为减速机减速比；Tm为张力引起的有效负载力矩；Ta为卷筒惯性力矩；Tw为缆绳弯曲引起的弯曲力矩；Tf为卷筒传动系统摩擦力矩。

收卷张力控制就是通过调整收卷电机的输出力矩Tout来满足负载端力矩变化，维持系统力矩平衡，通过主动调整Tm实现储缆卷筒与牵引轮之间缆绳张力与目标值之间偏差在允许范围之内。其中弯曲力矩Tw和摩擦力矩Tf较小对收卷控制影响不大，且在系统运行中变化幅度不大，控制策略上直接叠加一个固定补偿力矩。本文主要探讨收放卷过程中Tm和Ta的变化规律，探寻适合小型系留气球收放装置简单可靠的收卷控制方法。

3.2 有效负载力矩Tm

收卷过程中卷径不断增大，为了维持缆绳张力不变有效负载转矩不断增大，即

(2)

Fobj为缆绳目标张力；Dact为当前储缆卷筒直径；Fobj为系统设定控制时直接引用。缆绳长度是系留气球的重要参数，收放系统通过计算获取放出缆绳的长度，并将该参数上报，因此Dact可以通过放出缆绳长度Lact进行换算。缆绳长度与储缆卷筒缆绳圈数之间关系为

(3)

k为每层缆绳圈数；d为缆绳直径；n为层数；D0为卷筒底径；

为了控制方便，通过式(3)将缆绳长度"分段"，得到缆绳长度区间与层数的对应关系，在通过层数计算当前储缆卷筒直径Dact。

针对小型收放装置相关设计参数，当缆绳目标张力Fobj=300 N，最大卷径为1.3 m，卷筒底径为0.5 m，线径为20 mm时，按照式(2)可得有效负载力矩Tm最大为192 N·m，最小为78 N·m。

3.3 卷筒惯性力矩Ta

收放装置工作时卷筒转动惯量和角速度均动态变化，惯性力矩一般表达式为

(4)

a.卷径变化引起的卷筒角加速度αωd。缆绳的放出造成卷筒卷径逐渐减小，牵引速度不变卷筒角速度逐渐增加。牵引速度最大，缆绳从第二层过渡到第一层的过程中卷筒角速度变化最大。

(5)

αωd，max为αωd最大值;ωn1为卷筒第一圈最大角速度；ωn2为卷筒第二圈最大角速度；vmax为最收放速度；D1为第一圈卷径；D2为第二圈卷径；

针对小型收放装置相关设计参数按照式(5)可得，卷径变化引起最大角加速度为0.02 rαd/s2，由此可见卷径变化引起的卷筒角加速的较少，实际控制中可以忽略。

b.牵引速度变化引起的卷筒角加速度αωv。卷筒速度始终跟随主牵引速度，主牵引速度由操作员根据任务需求、气象条件、风层变化进行调节控制。卷筒转速被动变化将产生角加速度αωv，收卷电机需要额外转矩满足速度变化所需的角加速度，即

(6)

av为主牵引最大加速度；Dact为卷筒当前直径。按照式(6)参照小型收放装置相关设计参数可得，牵引速度变化引起的卷筒角加速度αωv在卷径最小时最大为0.48 rad/s2。如图 2所示，随着储缆卷筒上缆绳圈数增多，αωv逐渐减小，而储缆卷筒的转动惯量逐渐增加，根据转矩计算公式因牵引速度变化引起的惯性力矩在满盘最大为63.34 N·m。

图2 牵引速度变化引起惯性力矩变化

4 张力控制方案

4.1 自动张力控制

自动张力控制是指不通过外接张力传感器进行张力闭环的间接张力控制[4]。

图3 自动张力控制结构

自动张力控制结构如图 3所示。根据卷筒缆绳层数，当前卷筒，主牵引加速度、卷筒惯量依据控制策略进行开环张力控制[5]。其中储缆卷筒当前卷径按照缆绳长度换算，当前转速根据排线用编码器脉冲微分获取。牵引加速度和卷筒惯量程序设计时进行预设，并通过人际交互界面开放给用户可需要时进行修改。

为了减少控制系统的实时运算量降低多个控制变量之间的耦合，将输入变量与缆绳长度关联形成如表 1控制策略矩阵。表中Tij按照第四节中分析进行确定。

表1 张力开环控制策略

由于力矩电机机械特性较软[3]，无法做到恒转矩输出，相同电压下转矩与转速之间关系为非线性关系，为保证缆绳张力恒定，需要通过预先标定的方法进行确定收卷电机扭矩输出与转速之间关系。

4.2 直接张力控制

如图 4所示直接张力控制通过外接张力传感器实时测量卷筒与牵引轮之间缆绳张力进行闭环控制。控制方式更加直接，控制精度更加精准，但需要外接张力传感器。

图4 直接张力控制

PI控制简单高效，离散化之后PLC易于实现。闭环控制方法在前期设计不需很多标定工作，只需要在调试时对P，I值进行标定，工作量较少。但需要安装张力传感器，对于小型低成本或者不易于安装张力传感器的场合不适用。

5 实验验证

5.1 实验平台

为了实际验证所述2种自动方案,搭建如图5所示实验平台。采用松下A5系列驱动器和电机模拟主牵引电机进行工作。力矩电机采用YLJ通用力矩电机采用联轴器与伺服电机连接。

图5 力矩控制验证平台实物

使用伺服驱动器的力矩监视反馈力矩电机的实际输出，速度监视功能反映当前电机工作速度，控制器采用西门子S7-200 224XP。由于硬件条件的限制且转矩与卷径之间关系相对固定，本实验方案主要验证加减速情况下不同目标张力、不同转速时张力控制效果。

5.2 力矩电机转矩测试

采用验证平台测定不同转速下力矩电机输出转矩，如图 6所示为电压为280 V时力矩电机转速在100～1 000 r/min之间时转速和力矩变化趋势。

图6 收卷电机转矩测试

从图6可以看出，力矩电机输出力矩随转速提高明显减小。在280V输出电压下，转速7挡速度下输出力矩只有1挡速度的6.25%，因此，如果收放过程中不对力矩电机输出进行实时控制会极大影响收卷效果，进而影响收放系统性能。

5.3 自动张力控制验证

卷筒惯量，牵引加速度等相关参数计算标定完成后制成如表 1所示控制策略矩阵，通过PLC可以进行自动张力控制。图 7所示为自动张力控制算法当主牵引速度在100～550 r/min之间变化时控制效果。PLC根据不同速度实时调整力矩电机电压，从而保持在约0.3 N·m的恒定力矩输出。

图7 自动张力控制实验

5.4 闭环张力控制验证

闭环模式采用经典PI控制算法，控制器根据当前的力矩输出通过PI控制算法实时调整力矩电机控制电压。如图 8所示为闭环张力控制实验，整个实验过程力矩电机能够较好地稳定在目标力矩附近，实现输出张力的稳定。

图8 闭环张力控制实验

6 结束语

根据系留气球收放装置工作特点，详细分析了收卷驱动控制的基本需求，对分体式收放装置卷筒的负载转矩进行研究，得到了收放过程中有效负载转矩、卷筒惯性力矩，弯曲转矩和摩擦转矩的变化规律，发现惯性力矩和有效力矩对收卷电机转矩影响较大，为控制过程主要考虑因素。根据分析结果讨论设计了直接张力控制和间接张力2种收卷控制方案，并在搭建的实验平台进行试验验证，结果表明本文原理分析清楚，控制算法有效，对拟采取异步力矩电机进行收卷驱动控制的系统具有良好借鉴意义。