技术领域
[0001] 本
发明涉及港口机械节能环保的研究，具体涉及一种港口桥式起重机能量回馈系统的设计方法。
背景技术
[0002] 随着智慧港口及
物联网信息技术的发展，自动化码头的自动化工程逐步得到推广，在由
变频器、
电动机和机械负载所组成的港口起重机变频调速系统中，当电动机减速或所拖动的位能负载下放时，
电机的转速将大于其不同转速，电动机将处于再生发
电制动状态。如何
回收利用该能量是当前各大高校、科研院所研究的重点，也是交通运输部港口节能减排的规划。通过解决起重机械起升机构负载运行特性和电机在负载运行过程中能量消耗利用模型，是实现能量回收利用及节能控制的关键所在，从而实现能量利用的监控与管理，达到港口节能环保的目的。
[0003] 港口桥式起重机起升电机系统控制原理分析包括起升电机拖动系统及动
力学方程的建立、基于转差
频率的起升电机坐标变换分析。
[0004] (1)起升电机拖动系统及动力学方程的建立
[0005] 通过对港口桥式起重机四大机构的分解研究，图1所示为港口能量控制实验系统中起升机构电机拖动系统原理图。如图1中，起升电机拖动系统包括起升电动机、减速装置、起升卷筒单元及吊重
滑轮组四大环节组成，其中减速装置中间联动轴为采用三级方式。整个拖动系统的功率为三级传递效率η1、η2、ηr，再加上滑轮组的转化效率ηL，则负载转矩公式即可以推导为：
[0006]
[0007] 其中，D为起升系统卷筒的直径，FL为
钢丝绳的
张力。
[0008] 图1为多级电机拖动系统，而在实际计算时将其等效为单轴系统，其中忽略摩擦损失，则可以折算得到拖动系统整体
转动惯量为：
[0009]
[0010] 其中，vL为起重机吊具吊重运行速度；mdg为吊钩重量；mL为负载
质量；J1、J2、Jr为减速传动机构各级转动惯量，j1、j2、jr为
传动轴及卷筒的速度比。
[0011] 则由此控制对象结构，在实验中可设计为由起升电机和通过
联轴器与负载电机组成，即有：当起升电机作为
驱动电机时，负载电机则作为加载模拟电机，则其动力学方程为：
[0012]
[0014] (2)基于转差频率的起升电机坐标变换分析
[0015] 由于需要通过转差频率进行控制，因此电机等效
电路的
基础上，需要进行两相到三相电路的变换，即在旋转
磁场等效的基础上，前提进行旋转到静止两相
坐标系变换，图2所示即为起升电机两相静止坐标系αβ和旋转
正交坐标系dq。
[0016] 由图2可知，起升电机
状态方程可以表述为：
[0017]
[0018] 通过按照起升电机dq坐标系定向转子磁链的同步旋转正交坐标系mt的变换，则有起升电机的状态方程为：
[0019]
[0020] 由起升拖动电机电磁转矩方程为：Te＝kistψr (6)
[0021] 转子磁链为：
[0022] 设磁链导数 且有ψr＝ψrd，因此可推导有：
[0023]
[0024] 式中，设ωs＝ω1-ω，则ωs为转差频率，该起重机起升电机变频拖动控制系统的设计则基于转差频率控制来进行不同负载下能量消耗的分析。
[0025] 随着智慧港口及物联网信息技术的发展，自动化码头的自动化工程逐步得到推广，在由变频器、电动机和机械负载所组成的港口起重机变频调速系统中，当电动机减速或所拖动的位能负载下放时，电机的转速将大于其不同转速，电动机将处于再生发电制动状态。如何回收利用该能量是当前各大高校、科研院所研究的重点，也是交通运输部港口节能减排的规划。通过解决起重机械起升机构负载运行特性和电机在负载运行过程中能量消耗利用模型，是实现能量回收利用及节能控制的关键所在，从而实现能量利用的监控与管理，达到港口节能环保的目的。由此，需要建立一种港口桥式起重机能量回馈系统，为港口起重机械的节能提供理论和实验基础。
发明内容
[0026] 本发明要解决的技术问题是提供一种港口桥式起重机能量回馈系统的设计方法，针对港口起重机械操作控制系统进行整体设计，可以进行起重机系统不同负载下的模拟操作，使起重机起升电机拖动系统的测试分析更加便捷、准确，为港口起重机械的节能提供理论和实验基础。
[0027] 为解决上述技术问题，本发明的
实施例提供一种港口桥式起重机能量回馈系统的设计方法，包括如下步骤：
[0028] (1)港口桥式起重机起升电机拖动测试系统设计
[0029] (1-1)港口桥式起重机起升机构模拟测试系统设计
[0030] 模拟港口起重机械操作控制系统进行整体设计，是以PLC为控制核心的
现场总线控制系统，主要包括PLC、负载
控制器、变频器、能量回馈储能单元、上位监控单元、电机模拟装置平台，所述电机模拟装置平台包括通过联轴器连接的起升电机和负载电机，所述负载电机的力矩通过转矩控制器进行调节，起升电机上的光电
编码器为测速单元，转矩
传感器为
扭矩测量单元，通过
触摸屏显示转矩和转速，所述触摸屏通过
信号转换电路为PLC提供反馈量，其中，
[0031] 所述PLC为PROFIBUS-DP的主站，分别与上位监控单元、变频器和负载控制器通信连接，用于
数据处理、向变频器和负载控制器发送指令；
[0032] 所述变频器为PROFIBUS-DP的从站，与起升电机控制连接，通过PROFIBUS-DP总线接收PLC发送的指令，完成对起升电机的控制并将指令所需运行参数反馈至PLC；
[0033] 所述负载控制器为PROFIBUS-DP的从站，与负载电机控制连接，通过PROFIBUS-DP总线接收PLC发送的指令，完成对负载电机的控制并将指令所需运行参数反馈至PLC；
[0034] 所述能量回馈储能单元与变频器相连；
[0035] 所述模拟测试系统的前侧安装联动操作台；
[0036] (1-2)基于转差频率的起升电机矢量变频控制策略分析
[0037] 采用通过基于转差频率的矢量变频控制策略，建立基于转差频率的起升电机矢量变频控制
框图，通过港口桥式起重机起升电机系统控制原理分析，通过给定转速、给定励磁
电流进行闭环控制，并通过编码器检测电机转子速度来进行双闭环调节控制；
[0038] (2)仿真及实验测试分析
[0039] (2-1)起重机起升拖动系统转差频率控制仿真分析
[0040] 在测试平台上
选定港口桥式起重机起升电机拖动系统相关参数如下：
[0041] ①电机基本参数为：额定
电压UN＝380V，工频频率为50Hz， PN＝37kw，极对数为2，额定转矩TN＝235N·m，
定子电阻Rs＝0.435Ω，转子电阻Rr＝0.816Ω，定子电感和转子电感相等即有Ls＝Lr＝0.071H，互感为Lm＝0.069H，转动惯量系数为Je＝0.19kg·m2；
[0042] ②港口桥式起重机拖动系统参数：起升电机运行速度为 vL＝17m/min，起升电机卷筒直径D＝0.5m，j1＝11，j2＝10，jr＝3， jL＝2，η1＝η2＝ηr＝ηL＝0.95，忽略摩擦引起的损3
耗，其中吊钩的质量为mdg＝500kg，起重机的最大起升负载重量为m＝50×10kg，其中电机给定转子转速为n*＝800r/min，给定励磁电流
[0043] 在基于控制策略的基础上，建立仿真模型和基于转差频率控制的起升电机速度及电磁转矩曲线图，仿真显示了港口桥式起重机电机拖动系统电机转速及电磁转矩的动态响应情况，通过控制调节使得电磁转矩接近于负载转矩，该策略显示动态响应速度较快，超调量较小，达到起重机起升电机的控制要求；
[0044] (2-2)超重负载变化情况分析
[0045] 通过测试平台模拟不同负载下的直接起动和变频起动所消耗的时间及消耗的能量得到测试数据，包括不同起动方式下起动时间对比分析和不同起动方式下能量消耗对比分析。
[0046] (3)结论
[0047] 针对港口起重机位能性负载特性，通过分析电机的控制原理及状态方程，建立基于PLC和变频器的起升电机拖动测试系统，通过基于转差频率控制的控制策略，进行了模型的仿真与实验分析，从而验证了变频调速控制系统具有较大的节能空间，为港口起重机械的节能提供了理论和实验基础。
[0048] 其中，步骤(1-1)中，港口起重机起升机构模拟测试系统的设计方法包括如下步骤：
[0049] (1-1-1)港口起重机起升机构工作状态分析
[0050] 根据异步电机转差率的大小及起升机构特性将起重机起升机构的工作状态分为四个状态，建立港口起重机起升机构电机四象限工作示意图，设定：电机同步转速为n0，电机实际转速为n：
[0051] (1-1-1-1)工作在第一象限时，异步电动机沿着上升的方向接通电源，这时n0在四象限工作示意图中纵坐标n/n0＝100％的
位置，当沿着上升方向运行时，0＜n＜n0，由转差率的表达式，可知0＜S≤1，即为起升电机的电动工作状态；
[0052] (1-1-1-2)工作在第二象限时，负载沿着上升方向运行，异步电动机沿着下降的方向接通电源，实际的电机转速n＜0，这时n0在四象限工作示意图中(n/n0)％＝100的位置，从运行的最高点和最低点来分析，此时电机转差率为1≤S＜2，工作在
反接制动状态，但是电机在该象限运行时是不稳定的；
[0053] (1-1-1-3)工作在第三象限时，异步电动机沿着下降的方向接通电源，负载沿着下降方向运行，此时0＜n＜n0，在最低点时S＝0，最高点时有S＝1，因此则有0＜S≤1，处于电动状态；
[0054] (1-1-1-4)工作在第四象限上方时，异步电动机沿着上升的方向接通电源，负载沿着下降方向运行，此时实际的电机转速n＜0，四象限工作示意图中可知在当n＝0时，有S＝1，当n＝-n0时，S＝2，因此则有0≤S＜2，即电机处于相序改变的反接制动状态；
[0055] 工作在第四象限下方时，异步电动机沿着下降的方向接通电源，负载沿着下降方向运行，此时有n＞0，在最低点时有S＝0，而在n＞n0时，则S＜0，并且n＝2n0时，S＝-1，综合分析有-∞＜S＜0，处于再生发电制动状态；
[0056] (1-1-2)港口起重机电机模拟负载能量回馈系统设计
[0057] (1-1-2-1)模拟测试系统的总体设计：模拟港口起重机的电气控制系统进行整体设计，是以PLC为控制核心的现场总线控制系统，包括PLC、负载控制器、变频器、能量回馈储能单元、上位监控单元和电机模拟装置平台，所述电机模拟装置平台包括通过联轴器连接的起升电机和负载电机，所述负载电机的力矩通过转矩控制器(利用直流电机作为模拟加载电机，调过直流调速控制器控制直流电机的力矩，作为制动力矩来模拟起重机运行过程中负载情况)进行调节，起升电机上的光电编码器为测速单元，转矩传感器为扭矩测量单元，通过触摸屏显示转矩和转速，所述触摸屏通过信号转换电路为PLC提供反馈量，其中，[0058] 所述PLC为PROFIBUS-DP的主站，分别与上位监控单元、变频器和负载控制器通信连接，用于数据处理、向变频器和负载控制器发送指令；
[0059] 所述变频器为PROFIBUS-DP的从站，与起升电机控制连接，通过PROFIBUS-DP总线接收PLC发送的指令，完成对起升电机的控制并将指令所需运行参数反馈至PLC；
[0060] 所述负载控制器为PROFIBUS-DP的从站，与负载电机控制连接，通过PROFIBUS-DP总线接收PLC发送的指令，完成对负载电机的控制并将指令所需运行参数反馈至PLC；
[0061] 所述能量回馈储能单元与变频器相连；
[0062] 所述模拟测试系统的前侧安装联动操作台；
[0063] (1-1-2-2)电机负载模拟控制：模拟测试系统的负载电机加载采用PLC控制方式，通过
软件编程实现，PLC控制的供电线路连接关系为：电源接线
端子外接AC380/220V供电线路，AC380V供电线路经电源端子接入电抗器，从电抗器输出端接入变频
驱动器三相交流电输入端和电磁抱闸制动器，变频器电源输出端接起升电机，AC220V 供电线路经电源接线端子接入PLC电源模
块、PROFIBUS从站单元电源模块和24V直流电源输入端，24V直流电源输出端接入可编程控制器单元各个功能模块电源端、PROFIBUS从站单元各个功能模块电源端、输入输出转接板电源端和联动操作台电源公共端；
[0064] 通信连接关系为：变频器和PROFIBUS从站单元与可编程控制器单元使用PROFIBUS通信总线进行连接，PLC与触摸屏使用RS- 485
串行总线进行连接；PLC与上位监控单元通过MPI协议通信线连接；光电编码器与PROFIBUS从站单元
数字量输入模块连接，输入输出转接板与可编程控制器单元功能模块和PROFIBUS从站单元功能模块连接，电磁抱闸制动器
控制信号端与PROFIBUS从站单元输出功能模块连接；
[0065] (1-1-2-3)模拟测试系统的软件设计
[0066] (1-1-2-3-1)PLC控制程序设计
[0067] 采用结构化编程方法，PLC完成启动后，将循环执行OB1。在OB1 中可以调用其他功能(FC、SFC)和功能块(FB、SFB)；执行OB1后，
操作系统发送全局数据，重新启动OB1之前，操作系统会将过程映像输出表写入输出模块中、更新过程映像输入表以及接收CPU的任何全局数据，完成用户程序设置的控制功能；
[0068] (1-1-2-3-2)通信控制程序设计
[0069] 将从站调速器控制方式设计为采用端子(现场)和总线(PLC)的方式分别进行控制，而总线控制方式，可以利用S7-300系列PLC系统功能块SFC14和SFC15，根据已经组态好的调速器的I/O地址，
访问 DP从站上连续的输入/输出数据区域；在STEP7中使用SFC14/SFC15 完成从站的数据读写任务，其中定义数据块DB10、DB11分别作为变频器和直流调速器的专用数据块完成数据的读写调用；
[0070] (1-1-2-3-3)控制程序的设计
[0071] 主要完成对港口起重机起升电机和负载电机的控制功能，包括电机的启停、正反转、给定信号切换、控制信号切换以及数据的处理工作；系统将电机运行所需的控制字及给定信号通过Profibus-DP总线发送至从站，从站执行设定指令控制电机运行，包括对起升机构的电机负载模拟加载调速。
[0072] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明针对港口起重机械位能性负载特性，通过分析电机的控制原理及状态方程，建立了基于PLC和安川变频器的起升电机拖动测试系统，通过基于转差频率控制的控制策略，进行了模型的仿真与实验分析，从而验证了变频调速控制系统具有较大的节能空间，为港口起重机械的节能提供了理论和实验基础。
附图说明
[0073] 图1为本发明背景技术中港口起重机起升电机拖动系统的工作原理图；
[0074] 图2为本发明背景技术中起升电机两相静止坐标系αβ和旋转正交坐标系dq；
[0075] 图3为本发明中港口起重机起升机构电机拖动测试系统框图；
[0076] 图4为本发明中基于转差频率的起升电机矢量变频控制框图；
[0077] 图5为本发明中基于转差频率控制的起升电机速度及电磁转矩曲线图；
[0078] 图6为本发明中四象限起升电动机的工作示意图；
[0079] 图7为本发明中供电线路连接关系设计示意图；
[0080] 图8为本发明中通信连接关系示意图；
[0081] 图9为本发明中PLC控制程序框图；
[0082] 图10为本发明中经整定后系统输出转速曲线；
[0083] 图11为本发明中三相异步电机工作特性曲线；
[0084] 图12为本发明中电机工作特性曲线
波形图；
[0085] 图13为本发明中负载加载状态一模拟
速度曲线；
[0086] 图14为本发明中加载电机电枢电流、转速曲线；
[0087] 图15为本发明中超级电容电流和电压曲线；
具体实施方式
[0089] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0090] 本发明提供了一种港口桥式起重机能量回馈系统的设计方法，包括如下步骤：
[0091] (1)港口桥式起重机起升电机拖动测试系统设计
[0092] (1-1)港口桥式起重机起升机构模拟测试系统设计
[0093] 其中，港口起重机起升机构模拟测试系统的设计方法包括如下步骤：
[0094] (1-1-1)港口起重机起升机构工作状态分析
[0095] 由于港口起重机械起升机构位能性负载的特殊性，因此该实验模拟系统的设计必须考虑起重机械的工作原理及其特性。根据异步电机转差率的大小及起升机构特性将起重机起升机构的工作状态分为四个状态，建立港口起重机起升机构电机四象限工作示意图如图6所示，设定：电机同步转速为n0，电机实际转速为n：
[0096] (1-1-1-1)工作在第一象限时，异步电动机沿着上升的方向接通电源，这时n0在四象限工作示意图中纵坐标n/n0＝100％的位置，当沿着上升方向运行时，0＜n＜n0，由转差率的表达式，可知0＜S≤1，即为起升电机的电动工作状态；
[0097] (1-1-1-2)工作在第二象限时，负载沿着上升方向运行，异步电动机沿着下降的方向接通电源，实际的电机转速n＜0，这时n0在四象限工作示意图中(n/n0)％＝100的位置，从运行的最高点和最低点来分析，此时电机转差率为1≤S＜2，工作在反接制动状态，但是电机在该象限运行时是不稳定的；
[0098] (1-1-1-3)工作在第三象限时，异步电动机沿着下降的方向接通电源，负载沿着下降方向运行，此时0＜n＜n0，在最低点时S＝0，最高点时有S＝1，因此则有0＜S≤1，处于电动状态；
[0099] (1-1-1-4)工作在第四象限上方时，异步电动机沿着上升的方向接通电源，负载沿着下降方向运行，此时实际的电机转速n＜0，四象限工作示意图中可知在当n＝0时，有S＝1，当n＝-n0时，S＝2，因此则有0≤S＜2，即电机处于相序改变的反接制动状态；
[0100] 工作在第四象限下方时，异步电动机沿着下降的方向接通电源，负载沿着下降方向运行，此时有n＞0，在最低点时有S＝0，而在n＞n0时，则S＜0，并且n＝2n0时，S＝-1，综合分析有-∞＜S＜0，处于再生发电制动状态。
[0101] (1-1-2)港口起重机电机模拟负载能量回馈系统设计
[0102] (1-1-2-1)模拟测试系统的总体设计：
[0103] 如图3所示，该系统模拟港口起重机械操作控制系统进行整体设计，是以西
门子S7-300PLC为控制核心的现场总线控制系统，主要包括PLC、负载控制器、H1000变频器、能量回馈储能单元、上位监控单元、电机模拟装置平台、制动单元、37kW变频电机、联轴器、电磁抱闸制动器、旋转光电编码器、电抗器等，上述各结构的安装与连接可以参考本
发明人已
申请专利“一种港口特种起重设备控制系统技能训练装置”。
[0104] 所述电机模拟装置平台包括通过联轴器连接的起升电机和负载电机，所述负载电机的力矩通过转矩控制器(利用直流电机作为模拟加载电机，调过直流调速控制器控制直流电机的力矩，作为制动力矩来模拟起重机运行过程中负载情况)进行调节，起升电机上的光电编码器为测速单元，转矩传感器为扭矩测量单元，通过触摸屏显示转矩和转速，所述触摸屏通过信号转换电路为PLC提供反馈量，其中，
[0105] 所述PLC为PROFIBUS-DP的主站，分别与上位监控单元、变频器和负载控制器通信连接，用于数据处理、向变频器和负载控制器发送指令；
[0106] 所述变频器为PROFIBUS-DP的从站，与起升电机控制连接，通过PROFIBUS-DP总线接收PLC发送的指令，完成对起升电机的控制并将指令所需运行参数反馈至PLC；
[0107] 所述负载控制器为PROFIBUS-DP的从站，与负载电机控制连接，通过PROFIBUS-DP总线接收PLC发送的指令，完成对负载电机的控制并将指令所需运行参数反馈至PLC；
[0108] 所述能量回馈储能单元与变频器相连；
[0109] 所述模拟测试系统的前侧安装联动操作台。
[0110] (1-1-2-2)电机负载模拟控制：模拟测试系统的负载电机加载可以采用现场控制、PLC控制、监控器控制三种控制方式，PLC控制和监控器控制通过软件编程实现，现场控制方式通过外部
开关，电位器实现，现场控制方式在电路上还需加上继电器、断电器、交流
接触器等实现控制功能。
[0111] 如图7所示，PLC控制的供电线路连接关系为：电源接线端子外接AC380/220V供电线路，AC380V供电线路经电源端子接入电抗器，从电抗器输出端接入变频驱动器三相交流电输入端和电磁抱闸制动器，变频器电源输出端接起升电机，AC220V供电线路经电源接线端子接入西门子PLC电源模块、PROFIBUS从站单元电源模块和24V 直流电源输入端，24V直流电源输出端接入可编程控制器单元各个功能模块电源端、PROFIBUS从站单元各个功能模块电源端、输入输出转接板电源端和港口起重机联动操作台电源公共端。
[0112] 如图8所示，通信连接关系为：变频器和PROFIBUS从站单元与可编程控制器单元使用PROFIBUS通信总线进行连接，PLC与触摸屏使用RS-485串行总线进行连接；PLC与上位监控单元通过MPI 协议通信线连接；光电编码器与PROFIBUS从站单元数字量输入模块连接，输入输出转接板与可编程控制器单元功能模块和PROFIBUS 从站单元功能模块连接，电磁抱闸制动器控制信号端与PROFIBUS 从站单元输出功能模块连接。
[0113] 港口起重机械电机拖动加载实验系统主驱动电机采用异步电动机，在启动时由控制器通过转子串电阻调速的方式，达到模拟所需要的速度。为模拟起重机四大机构的工作特性，尤其起升机构的四象限运行的复杂状态，使起升机构电机能按实际电机运行状态进行变化。系统驱动电机通过联轴器与制动器、加载电机等相联，形成拖动系统。利用直流电机作为模拟加载电机，调过直流调速控制器控制直流电机的力矩，作为制动力矩来模拟起重机运行过程中负载情况。
[0114] (1-1-3)模拟测试系统的软件设计
[0115] (1-1-3-1)PLC控制程序设计
[0116] 采用结构化编程方法，PLC完成启动后，将循环执行OB1。在OB1 中可以调用其他功能(FC、SFC)和功能块(FB、SFB)；执行OB1后，操作系统发送全局数据，重新启动OB1之前，操作系统会将过程映像输出表写入输出模块中、更新过程映像输入表以及接收CPU的任何全局数据，完成用户程序设置的控制功能，PLC控制程序框图如图9所示。
[0117] (1-1-3-2)通信控制程序设计
[0118] 将从站调速器控制方式设计为采用端子(现场)和总线(PLC)的方式分别进行控制，而总线控制方式，可以利用S7-300系列PLC系统功能块SFC14和SFC15，根据已经组态好的调速器的I/O地址，访问 DP从站上连续的输入/输出数据区域；在STEP7中使用SFC14/SFC15 完成从站的数据读写任务，其中定义数据块DB10、DB11分别作为变频器H1000和直流调速器的专用数据块完成数据的读写调用。
[0119] (1-1-3-3)控制程序的设计
[0120] 主要完成对港口起重机起升电机和负载电机的控制功能，包括电机的启停、正反转、给定信号切换、控制信号切换以及数据的处理工作；系统将电机运行所需的控制字及给定信号通过Profibus-DP总线发送至从站，从站执行设定指令控制电机运行，包括对起升机构的电机负载模拟加载调速。
[0121] (1-1-4)系统测试结果与分析
[0122] 在完成了系统
硬件设计和软件编程后，系统选择一台2.2kW直流电机和一台2.2kW的异步电机进行现场调试与试验验证分析。
[0123] (1-1-4-1)加载电机控制的参数整定试验分析
[0124] 整个系统设计完成后，系统调速质量取决于调速器参数的选择，参数的最优性决定了调速过程的品质质量。对直流调速器速度环PI 参数进行了整定试验。采用扩充响应曲线法、Ziegler-Nichols整定法分别进行试验，在两者整定参数的基础上进行了试凑法实验。
[0125] 扩充响应曲线和Ziegler-Nichols参数整定法是通过经验公式求得，公式本身就存在误差。试凑法在前两者的基础上通过实际现场调试，改变参数，以达到理想状态。由图10所示整定后输出转速曲线，其中，图10(a)为扩充响应曲线法、图10(b)为Ziegler-Nichols 整定法、图10(c)为试凑法得到的输出转速曲线，得到各整定方法下系统的时域性能指标，如表5-1所示，由表可知，通过试凑法调节转速环PI参数，当参数选择恰当时，可以提高系统控制性能，抑制超调和提高系统反应时间。故在实际的应用当中，可以选择Ziegler- Nichols整定法，并通过现场对整定参数进行微调，从而满足实际系统运行指标。
[0126] 表5-1不同整定方法下时域性能指标
[0127] 上升时间tr 峰值时间tp 调节时间ts 超调量σ
扩充响应曲线法 2.10s 2.32s 2.72s 6.7％
Ziegler-Nichols整定法 1.50s 1.64s 1.80s 4.2％
试凑法 1.43s 1.44s 1.52s 2.4％
[0128] (1-1-4-2)起升机构电机四象限运行的负载实验
[0129] 为验证系统电机组能分别工作在四个象限，此实验将直流电机作为加载电机使用，异步电机作为驱动电机使用。通过外部开关或者监控器按钮选择直流调速器为外部端子控制，控制方式选择电枢电流控制，此设置的目的是使直流电机输出电磁转矩可控，即加在异步电机上的负载转矩可控。变频器为PLC控制，控制方式选择V/F控制，在不同给定频率下对交流电机进行加载实验，记录实验数据表5-2所示，则绘制成曲线如图11所示。
[0130] 表5-2异步电机的负载实验数据
[0131]
[0132]
[0133] 在给定频率30Hz下，在监控器上显示的波形如图12所示，其中图12(a)为三相异步电机工作特性曲线，图12(b)为直流电机工作特性曲线。为了显示方便，将电流实际值放大200倍，转矩实际值放大100倍。
[0134] 通过上面的数据图形可知，异步电机在给定频率下反向运转，当直流加载电机给定与轴转动方向相反的转矩调节时，此时由于负载转矩加大，电机轴上转速下降，转矩加大，异步电机工作在第三象限。当直流加载电机给定与轴转动方向相同的转矩调节时，此时由于转速升高，异步电机转子转速频率高于给定转速频率，此时异步电机工作在反向发电状态，处于第四象限工作。同理，当异步电机在给定频率下正方向运转时，异步电机可分别工作在第一、二象限。
[0135] (1-1-4-3)实际调速加载仿真实验分析
[0136] 结合港口实际起重作业背景，设计对起升机构工作状态进行仿真，不仿真变幅和回转工况，超级电容选用辽宁博
艾电子科技有限公司的超级电容组模块，最大电压810V，额定容量为4.66F。设置其初始SOC为0.9。
[0137] (1-1-4-3-1)状态一的仿真分析
[0138] 若单个作业循环，起重机进行一次作业循环，重物起升高度和下降高度相同，均为9m，设负载重量为12吨。则可计算出仿真工况如表5-3所示，如下控制通过变频器设置来加载电机。则负载的速度曲线如图13所示。
[0139] 表5-3状态一加载电机仿真工况
[0140]
[0141]
[0142] 本发明中加载电机电枢电流、转速曲线如图14所示，超级电容电流和电压曲线如图15所示，
直流母线电压曲线如图16所示，从图中波形可以看出，超级电容主要在电机
加速或制动时输出或吸收功率，电机在启动或制动时，电枢电流变化很大，超级电容有明显的充放电现象，对应图中的0-2s，31-33s，35-37s，66-68s。电机稳定工作时，超级电容保持比较稳定的放电或充电。重物加速、匀速起升时，电枢电流、电机转速为正，表示能量的正向输出，对应超级电容处在放电状态。电机制动、重物下降时，电枢电流出现负值，转速也出现负值，这表示有回馈能量产生，对应超级电容处在充电状态。由于超级电容及安川再生单元R1000等多
能源的辅助供能和能量回收作用，直流母线电压比较平稳，除在电机启制动时有短暂的
波动外，基本都维持在400V左右。从对仿真波形的分析可知，仿真结果与能量控制策略相符，多动力源源能够有效回收再生能量，辅助系统供能，较好地实现直流母线电压的稳定和工作电机的快速反应。
[0143] (1-1-4-3-2)状态二的模拟仿真分析
[0144] 在港口实际作业中，往往要使起重机进行连续的装货、卸货作业，这时重物起升和下降的高度是不同的。仅仅仿真起降高度相同的单次作业循环是不够的，因此本文设计了仿真状态二：连续装货作业 (储能单元能量充足)。该状态对应将作业场地上堆好码齐的货物向车船装载的作业背景。在这种背景下，货物的堆放高度往往高于车、船等运输工具的高度，也即重物的起升高度小于其下放的高度，向储能装置回馈的能量要大于储能装置输出的能量。受仿真系统计算机软硬件环境和时间的限制，仿真设置3次连续装货作业，货物起始高度4m，匀速提升2s；下放高度4m；负载重量、加速或减速情况与状态一相同。单个作业的循环工况如表5-4所示。
[0145] 表5-4状态二加载电机仿真工况
[0146]序号 时间 状态 速度
1 0.0-2.0 加速上升 a＝0.15625m/s2
2 2.0-4.0 匀速上升 v＝18.75m/min
2
3 4.0-6.0 减速上升 a＝-0.15625m/s
4 6.0-8.0 停止 v＝0m/min
5 8.0-10.0 加速下降 a＝-0.15625m/s2
6 10.0-21.0 匀速下降 v＝-18.75m/min
7 21.0-23.0 减速下降 a＝0.15625m/s2
8 23.0-25.0 停止 v＝0m/min
[0147] 连续装货作业时，超级电容及能量再生装置可以有效吸收再生能量，保持直流母线电压的稳定。很明显，在重物下降的后期阶段，由于超级电容能量己经充满，而回馈能量仍有富余，造成直流母线电压明显上升。虽然此处超级电容的容量配置不高，但不难得知，即使增加超级电容的容量配置，也只是满足有限次的能量持续回收，受成本限制，我们不能像增加
蓄电池的配置那样来增加超级电容的配置。该作业状态验证了复合电源的优势所在，在连续装货作业时，可以通过多储能装置能更加充分地回收能量。同理，连续卸货作业输出能量大于再生能量时，多储能装置也能提供更加持久的能量输出。
[0148] (1-2)基于转差频率的起升电机矢量变频控制策略分析
[0149] 如图4所示，为了更好的对起升电机拖动系统进行能耗测试及分析，采用通过基于转差频率的矢量变频控制策略，建立基于转差频率的起升电机矢量变频控制框图，由于起升电机控制为位能性负载类型，通过港口桥式起重机起升电机系统控制原理分析，通过给定转速、给定励磁电流进行闭环控制，并通过编码器检测电机转子速度来进行双闭环调节控制；其中系统中采用安川变频器，其为起重专用的矢量变频器，包含了两相至三
相变换的环节，及整流及逆变环节。因此为了更好的分析起升机构起动时时间及能耗问题，通过基于转差频率的起升电机矢量变频控制框图的控制策略与开环进行比较，其控制的动态性能及响应速度有了明显提高，同时采用变频调节，节能效果明显。
[0150] (2)仿真及实验测试分析
[0151] (2-1)起重机起升拖动系统转差频率控制仿真分析
[0152] 为了实现对桥式起重机操作模拟，在测试平台上选定港口桥式起重机起升电机拖动系统相关参数如下：
[0153] ①电机基本参数为：额定电压UN＝380V，工频频率为50Hz， PN＝37kw，极对数为2，额定转矩TN＝235N·m，定子电阻Rs＝0.435Ω，转子电阻Rr＝0.816Ω，定子电感和转子电感相等即有Ls＝Lr＝0.071H，互感为Lm＝0.069H，转动惯量系数为Je＝0.19kg·m2；
[0154] ②港口桥式起重机拖动系统参数：起升电机运行速度为 vL＝17m/min，起升电机卷筒直径D＝0.5m，j1＝11，j2＝10，jr＝3， jL＝2，η1＝η2＝ηr＝ηL＝0.95，忽略摩擦引起的损耗，其中吊钩的质量为mdg＝500kg，起重机的最大起升负载重量为m＝50×103kg，其中电机给定转子转速为n*＝800r/min，给定励磁电流
[0155] 在基于控制策略的基础上，建立基于此控制策略的仿真模型和基于转差频率控制的起升电机速度及电磁转矩曲线图(见图5)，仿真显示了港口桥式起重机电机拖动系统电机转速及电磁转矩的动态响应情况。通过图5可知，起重机起升电机转速在时间达到0.15s左右接近给定参考速度n*＝800r/min，同时负载转矩为80N.M，通过控制调节使得电磁转矩接近于负载转矩，该策略显示动态响应速度较快，超调量较小，达到起重机起升电机的控制要求。
[0156] (2-2)超重负载变化情况分析
[0157] 通过测试平台模拟不同负载下的直接起动和变频起动所消耗的时间及消耗的能量得到以下测试数据：
[0158] (2-2-1)不同起动方式下起动时间对比分析
[0159] 表1不同负载转矩下直接起动和变转差频率起动时间对比表
[0160]
[0161] 通过表1不同负载转矩下直接起动和变转差频率起动时间对比所示，直接起动在不同负载转矩所消耗时间比变频转差起动下时间要长，且随着负载转矩越来越大接近
最大转矩时，直接起动所消耗的时间更为明显，而变频起动在不同负载下时间变化比较平稳，且时间变化幅度较小，能够实现不同负载下平稳起动。
[0162] (2-2-2)不同起动方式下能量消耗对比分析
[0163] 同时为了验证在不同转矩下，消耗的
电能情况，通过实验数据测试，如表2不同负载转矩下直接起动和变频起
动能耗对比所示。
[0164] 表2不同负载转矩下直接起动和变转差频率起动能耗对比表
[0165]
[0166] 通过表2数据所示，桥式起重机起升电机拖动系统在安川矢量变频器H1000的控制下，通过变转差频率控制方式，使得起升电机控制具有较好的动态特性。尤其在重载和满载的情况下，能耗对比更为明显。可见起升电机控制通过变转差控制策略能够有巨大的节能空间。通过变频控制使得不同负载下具有更平滑的控制性能。
[0167] 综上所述，通过图5、表1、表2及不同负载下的功率消耗变化曲线可知：
[0168] a、港口桥式起重机起升电机通过变转差频率控制可以使得速度在0.15s短时间内达到给定速度，同时电机的电磁转矩能够接近负载转矩，并在范围内微小波动，达到较高的控制
精度；
[0169] b、通过不同负载变化下起动方式的对比分析，在重载及满载的情况下，基于变转差频率的控制策略能够使得电机比直接起动的起动时间短，控制精度高，动态响应快，同时能量消耗也较低，因此，在满载重载及中载以上的情况下，起重机控制节能效果明显，达到30％左右。
[0170] (3)结论
[0171] 针对港口起重机位能性负载特性，通过分析电机的控制原理及状态方程，建立基于PLC和安川变频器的起升电机拖动测试系统，通过基于转差频率控制的控制策略，进行了模型的仿真与实验分析，从而验证了变频调速控制系统具有较大的节能空间，为港口起重机械的节能提供了理论和实验基础。
[0172] 本发明为了更好的对起升电机拖动系统进行能耗测试及分析，采用通过基于转差频率的矢量变频控制策略，由于起升电机控制为位能性负载类型。通过上述港口桥式起重机起升电机系统控制原理分析，通过给定转速、给定励磁电流进行闭环控制，并通过编码器检测电机转子速度来进行双闭环调节控制，其中系统中采用安川变频器，其为起重专用的矢量变频器，包含了二相至三相变换的环节，及整流及逆变环节。因此为了更好的分析起升电机的起动时时间及能耗问题，通过基于图3的控制策略与开环进行比较，其控制的动态性能及响应速度有了明显提高，同时采用变频调节，节能效果明显。
[0173] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
