2009 International Conference on Computer Engineering and Applications
IPCSIT vol.2 (2011) copy; (2011) IACSIT Press, Singapore
Research on the Motion Tracking Feedforward Control
of Hydraulic Winch
Zhou Entao Yang Wenlin
1School of Mechanical Engineering amp; Automation, Northeastern University, Shenyang 110004, China
2SANY Heavy Equipment Co., Ltd. Shenyang 110027, China
Abstract: The driving device of hydraulic winch is a hydraulic motor which controlled by electronic hydraulic proportional valve in general. Hydraulic winch is widely used in the field of engineering mechanism. The response speed of hydraulic winch deeply affects the control precision when the hydraulic winch needs to track a specific movement. Motion tracking feedforward control of hydraulic winch is designed for improve the control precision of hydraulic winch motion tracking. It is shown in the test of hydraulic winch motion tracking feedforward control that the non-linear of hydraulic winch decreases the control precision of motion tracking. The real time least squares parameters identification of hydraulic winch is used to amend the model parameters of hydraulic winch by using the control voltage of electronic hydraulic proportional valve and the speed of hydraulic winch. The adaptive feedforward control is designed based on the model of hydraulic winch which gets from the parameters identification. The outcome of simulation test shows that the adaptive feedforward motion tracking control which base on the real time parameters identification improves the control precision of motion tracking.
Keywords: Hydraulic winch, motion tracking, feedforward control
- Introduction
Winch is driving equipment for lifting and descending the heavy objects. The winch usually divides into two types: electronic winch and hydraulic winch. Hydraulic winch is build by the integration of hydraulic components and mechanical apparatus. The roller of hydraulic winch finishes the lifting and descending motion by the driving of hydraulic motor and reducer. Hydraulic winch has inherent merits of hydraulic system such as heavy power density, compact construction and high security. The hydraulic winch is widely used in the field of engineering mechanism.
Electronic hydraulic proportional valve is widely used in the general engineering applications because of its low price, high capability of resist contamination and high reliability. The driving device of hydraulic winch is hydraulic motor which controlled by electronic hydraulic proportional valve in general. This paper is based on the engineering equipment of hydraulic winch tracking an appointed motion. When the maximum speed of hydraulic winch is less than the maximum speed of the tracked motion, open loop feedforward control is a useful way to get preferable control characteristics. So the motion tracking feedforward control of hydraulic winch is researched in this paper.
- Configuration and modeling
The configuration of hydraulic winch usually includes roller, reducer, hydraulic motor, electronic hydraulic proportional valve and balanced valve. The hydraulic winch usually needs to lift heave body. A balanced valve is setting in the hydraulic loop of hydraulic winch. The balanced valve is used to prevent the hydraulic impact when the heavy body descends. The speed of hydraulic winch is controlled by electronic hydraulic proportional valve. The transfer function of electronic hydraulic proportional valve is showed as follows:
Gv(s)=
where Q(s) is the output flux of electronic hydraulic proportional valve, U(s) is the control voltage, K is the gain of proportional control and T is the response time of electronic hydraulic proportional valve.
The transfer function of hydraulic winch is made from integrating the linear flow equation of valve, the dynamic flow equation of hydraulic motor and the torque balance equation of hydraulic motor, described as follows:
Where omega;h is the hydraulic inherent frequency,delta;h is the hydraulic damping ratio, TL is the torque of hydraulic winch and Dm is the displacement of hydraulic motor.
The hydraulic winch is a system of big inertia and heavy load. The response speed of hydraulic winch effect the control precision when hydraulic winch tracking a determined motion. A feedforward control is used to improve the response speed of hydraulic winch. So the control precision of motion tracking is increased.
It is supposed that the transfer function of feedforward control is Gc(s). The transfer function between the speed of hydraulic winch and control voltage of electronic hydraulic proportion valve is described as follows:
where d is the diameter of roller, i is the transmission ration of reducer and Dm is the displacement of hydraulic motor.
If the expectation speed of hydraulic defined as V, then V is the input of feedforward control. The transfer function of feedforward control should satisfy the following equipment:
If the frequency of tracked motion is low, then the transfer function of hydraulic winch is showed as follows:
So the transfer function of feedforward control described as follows:
- Motion tracking control test
Motion tracking control test is accomplished to verify the usefulness and efficiency of motion tracking feedforward control of hydraulic winch. The mainly test equipments include hydraulic winch, industry computer, heavy load, wire rope and hydraulic station. The tracked motion is shown in the figure 1. It is shown in the figure 1 that the frequency of the tracked motion is in t
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2009年国际计算机工程与应用大会
IPCSIT vol.2（2011）copy;（2011）IACSIT Press，新加坡
液压绞车的运动跟踪前馈控制研究
Zhou Entao Yang Wenlin
机械工程与自动化学院，东北大学，沈阳
110004，中国
三一重型设备有限公司，沈阳110027，中国
摘要：液压绞车的驱动装置是由电子液压比例阀一般控制的液压马达。液压绞车广泛应用于工程机械领域。液压绞车的响应速度在液压绞车需要跟踪特定的运动时，对控制精度的影响很大。液压绞车的运动跟踪前馈控制设计用于提高液压绞车运动跟踪的控制精度。液压绞盘运动跟踪前馈控制试验中显示，液压绞车非线性降低了运动跟踪的控制精度。液压绞车的实时最小二乘参数识别用于通过电子液压比例阀的控制电压和液压绞车的速度来修正液压绞车的模型参数。自适应前馈控制是基于从参数识别获得的液压绞车模型设计的。模拟测试结果表明，基于实时参数识别的自适应前馈运动跟踪控制提高了运动跟踪的控制精度。
关键词：液压绞车，运动跟踪，前馈控制
- 介绍
绞车是用于升降重物的设备。 绞车通常分为电子绞车和液压绞车两种。 液压绞车由液压部件和机械设备的集成构成。 液压绞车的滚子通过液压马达和减速机的驱动完成升降运动。 液压绞车具有重型动力密度，结构紧凑，安全性高的液压系统的优点。 液压绞车广泛应用于工程机械领域。
电子液压比例阀由于价格低廉，抗污染能力强，可靠性高，广泛应用于一般工程应用。 液压绞车的驱动装置是液压马达，一般由电子液压比例阀控制。 本文基于液压绞车的工程设备跟踪任务。 当液压绞车的最大速度小于跟踪运动的最大速度时，开环前馈控制是获得优化控制特性的有用途径。 因此本文研究了液压绞车的运动跟踪前馈控制。
- 配置和建模
液压绞车的配置通常包括滚子，减速机，液压马达，电子液压比例阀和平衡阀。 液压绞车通常需要提升起重机。 液压绞车的液压回路中设有平衡阀。 平衡阀用于防止重体下降时的液压冲击。 液压绞车的速度由电子液压比例阀控制。 电子液压比例阀的传递函数如下：
Gv(s)=
其中Q（s）是电子液压比例阀的输出通量，U（s）是控制电压，K是比例控制的增益，T是电子液压比例阀的响应时间。
液压绞车的传递功能是通过对阀的线性流量方程，液压马达的动态流量方程和液压马达的扭矩平衡方程进行积分，形成如下：
其中omega;h是液压固有频率，delta;h是液压阻尼比，TL是液压绞车的扭矩，Dm是液压马达的位移。
液压绞车是一个大惯性和重载系统。 液压绞车响应速度影响液压绞车跟踪确定运动时的控制精度。 前馈控制用于提高液压绞车的响应速度。 因此运动跟踪的控制精度提高。
假设前馈控制的传递函数为Gc（s）。 液压绞车速度与电子液压比例阀控制电压之间的传递函数如下：
其中d是辊的直径，i是减速机的传动比，Dm是液压马达的排量。
如果液压预期速度定义为V，则V为前馈控制的输入。 前馈控制的传递函数应满足以下设备：
如果跟踪运动的频率低，则液压绞盘的传递函数如下：
所以前馈控制的传递函数如下：
- 运动跟踪控制测试
实现运动跟踪控制测试，以验证液压绞车运动跟踪前馈控制的有用性和效率。 主要测试设备包括液压绞车，工业计算机，重载，钢丝绳和液压站。 跟踪的动作如图1所示。如图1所示，跟踪运动的频率在0.1Hz到0.2Hz之间的范围内。 液压绞车前馈控制和跟踪误差的速度曲线如图2所示。
液压绞车运动跟踪前馈控制的性能指标定义为相对误差。描述如下：
其中S是跟踪运动的速度，W是液压绞盘的速度，T0是采样周期，N是采样数。 如果相对较低，则跟踪效率的效率很高。 如图2所示，液压绞车运动跟踪前馈控制的相对误差为20％。
- 非线性模拟
在液压绞车运动跟踪前馈控制的测试结果中显示，液压绞车的非线性特性降低了运动跟踪的效率。 液压绞车是典型的非线性系统。 非线性特征主要来自电子液压比例阀的通量形式。 电子液压比例阀的输出通量与阀芯的位移之间的关系是非线性的。 受液压绞车负载压力的影响。 因此，在跟踪运动的频率范围内，液压绞车的模型参数频繁变化。
从液压绞车运动跟踪前馈控制试验的结果可以看出，模型参数的变化规律得到了改善。 建立非线性仿真模型，完成仿真测试。 仿真测试的结果如图3所示。
在运动跟踪仿真测试中显示了液压绞车前馈控制的相对误差为20％。 非线性液压绞车的模拟试验结果与运动跟踪试验结果一致。
- 自适应前馈控制
由于液压绞盘的非线性，液压绞盘的模型参数频繁变化。 液压绞车运动跟踪的前馈控制效率降低。 电子液压比例阀的控制电压和液压绞车的速度用于通过最小二乘参数识别的方式实时识别模型参数。 所以前馈控制在线修改。 在线参数修改的前馈控制称为自适应前馈控制。 它提高了运动跟踪控制的效率。 液压绞车运动跟踪自适应前馈控制方框图如图4所示。
液压绞车运动跟踪自适应前馈控制仿真试验的结果如图5所示。
仿真试验表明，液压绞车运动跟踪自适应前馈控制的相对误差为7.8％。自适应前馈控制的效率明显高于前馈控制的效率。因此，从参数识别获得的前馈控制参数的自适应前馈控制提高了液压绞盘运动跟踪控制的效率。
- 结论
液压绞车是模型参数频繁变化的非线性系统。 非线性降低液压绞车运动跟踪前馈控制的效率。 本文对基于液压绞车参数识别的自适应前馈控制进行了研究。 运动跟踪测试和模拟试验表明，液压绞车运动跟踪自适应前馈控制基于液压系统参数识别获得高效运动跟踪。
- 参考文献
[1] Bing Wen, Abdollah Homaifar, Marwan Bikdash and Bahram Kimiaghalam“Modeling and Optimal Control Design of Shipboard Crane”, Proceedings of the American Control Conference, pp.593~597, 1999.
[2] Bahram Kimiaghalam, Abdollah Homaifar and Marwan Bikdash,“Feedback and Feedforward Control Law for a Ship Crane with Maryland Rigging System”, American Control Conference, pp.1047-1051, 2000.
[3] Dewi Jones and Saad Mansoor,“Predictive feedforward control for a hydroelectric plant”,IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol.12, pp.956-965,2004.
[4]Bentley M,Robertson N,“Electric drive winches in the ROV industry” ,Proceedings Underwater Intervention 2002 Conference, New Orleans, LA, 2002.
[5] Chen Weibin, Kou Ying, Cheng Jiannian and Xiao Fei, “Realization of Constant Speed of Electro-hydraulic Hoist”, Well Logging Technology, Vol.29, pp.63-65, 2005.
第五届力学与材料信息工程国际会议（ICIMM 2015）
双滚筒绞车系统深海设备设计与张力控制
Muhammad Shahid Shafi a , Jianhui Lu b , Zhenpeng Song c and Yingqun Fu d
工程学院，中国海洋大学，青岛266100，中国
am.shahidshafi02@gmail.com, blujianhui@ouc.edu.cn, cszpeng91@sina.com,
关键词：深海工程，牵引绞车，双滚筒绞车，张力控制，模糊PID。
摘要：本文提出了双绞车分离存储和牵引机构的结构方案。鉴于现有的单滚筒绞车回缩长海深探测器电缆的现有电缆布置问题，其中张力不均匀。而具有双滚筒结构的牵引绞盘，由两个平行的滚筒组成，两个滚筒同时驱动。电缆缠绕在两个滚筒上。根据深水监测的具体任务，对系统不同部位进行设计计算，满足深水监测要求，达到设计目的，控制张力，延长电缆使用寿命。
简介
水下探测器作为一种重要手段，在人类探索过程中，海洋资源的研究与开发是一项重要任务。为了实现实时检测，检测器和支撑船通过电缆连接，从母机获取信息的电力和传输。起重电缆通常是检测器，检测器电缆绞车是水中的重要设备。 在浅水中工作的绘图工作一般采用单滚筒结构，承担电缆提升和储存工作。随着检测器的运行深度加深，电缆长度变长，在退回检测器的过程中，会出现以下变化：
检测器进入水中，绞车的主要负载是电缆和检测器在水中的重量，电缆重量和水深成正比，随着作业深度的增加，电缆重量也不断增加，并将超过重量 的检测器在水中，逐渐成为绞车的主要负载。
由于电缆长度的增加，同时受到导轮角度的限制，绞车长度不能太大，导致绞车滚筒上的电缆层增加，导致绞车转动惯量增加，所需的驱动扭矩大大提高。
绞盘滚筒上的电缆张力会导致两层之间发生较大的变化。当提升笨重的设备在检测器出口的最小张力之前，并且在检测器流出物浮力消失时，体重突然增加，导致电缆的最外层绞盘张力的张力比缠绕张力大得多，这可能引起扰动 在电缆布置中，易损坏电缆[1]。
对于这项任务，试验装置具有体积小，浮力变化可忽略的优点，单滚筒绞车方案可使内拉力设计极限达到80％，内层钢丝绳张力和外层表面挤压，长存储将严重影响电缆的使用寿命和可靠性。鉴于现有长绞线绞车设计问题，提出采用双滚筒方案，控制伸缩电缆处于恒定张力状态，解决了电缆长期存放的使用寿命和可靠性的影响。
确定绞车设计方案
双绞系统主要由牵引绞车和存储绞车组成[2]，负载恢复和释放电缆在存储桶中的主要作用是，卷扬机使用槽式存储滚筒结构，其尺寸确保订单排完全恢复 穿着电缆并具有均匀的应力。牵引张力测量机构设置在绞车和存储绞车之间，三轮车原理强制[3]。 通过测量张力系统确保两台绞车前后不能干扰，绞车系统的具体结构如图1所示。
牵引绞车采用相同的结构，二绞机构成的顺序，N平行于每个绞车电缆槽。将电缆检测器通过导轮连接到牵引绞盘中，绞盘缠绕在两个滚筒上，再次通过导轮进入存储滚筒。用于单滚筒绞车结构的存储滚筒可以容纳所有电缆，沿垂直方向的轴线布置在牵引绞盘的后部。牵引绞盘电缆从绞盘进入存储滚筒通过电缆引导轮和排气机构卷绕在卷轴上。电缆包括一个装载端到牵引绞盘，随后在牵引绞车的两个绞车绕组n-1环和两个绞盘驱动器同步。通过电缆槽与电缆的摩擦力产生提升力。由于牵引绞车电缆绕组匝数减少，电缆张力减小[4]。由于牵引绞车“放大”效应，存储绞车只需要保持较小的张力，才能满足增强检测器的需要[1]。具体方案如图2所示。
双滚筒牵引绞车由电机驱动，电机通过减速机连接，与齿轮箱连接，将动力分配给双滚筒牵引绞车，保证双滚筒速度同步[5]。
绞车主要参数的确定
绞车具体设计要求如表1所示：
具体设计要求见表1绞车
|
项目 |
目标 |
项目 |
目标 |
|
负载重量 |
200kg |
电缆直径 |
6.4mm |
|
电缆重量 |
500kg |
滚筒直径 |
360mm |
|
下降速度lt; 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[140313]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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