跟随控制在输油臂控制系统中的应用

跟随控制在输油臂控制系统中的应用
吴宪
【摘要】现有输油臂的操作控制方式很难实现油管接头的快速准确对接.根据输油臂驱动控制的特点,探讨了在其原控制系统内增加跟随控制器的方法,并给出了跟随控制的算法.实际使用中,跟随器的手柄安放在油轮管道接头处,通过跟随控制,即可使输油臂尾端油管接头快速准确地与油轮管道接头自动对接.
【期刊名称】《机械工程与自动化》
【年(卷),期】2011(000)001
【总页数】3页(P125-127)
【关键词】输油臂驱动控制;跟随驱动;算法
【作者】吴宪
【作者单位】上海交通大学,电子信息与电气工程学院,上海,200240;上海先旺自动化工程系统有限公司,上海,200233
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
1 输油臂控制系统改进方案
输油臂是一种通过机身可以灵活转动的管道,用于将油轮上的油液传输至码头。

输油臂主要由转台、内臂、外臂和若干旋转接头组成,如图1所示。

在油液输送前,必须先将输油臂尾端的接头与油轮上的油管接头准确对接。

输油臂的驱动控制系统主
要通过对转台、内臂、外臂的旋转运动的操控完成接头的对接,输油臂尾端的三维接头主要用于接头姿态的调整,并提供足够的操作自由度。

使用时,岸上操作人员通过操作室内的控制台或室外遥控器上的操作按钮操控输油臂转台的左右转动、内臂的上仰和下俯、外臂的伸展和收缩3个运动,使末端油管接头的位置趋近油轮上的油管接头,最后由油轮上的操作人员调整三维接头的姿势,完成接头的对接。

接头对接后,控制系统进入“浮动”状态,各接头的运动可以随油轮位置的波动自由调整。

图 1 输油臂驱动原理
但是,在实际操作过程中,由于岸上操作人员远离对接现场,不能准确判断两接头之间的相对位置,需要与油轮上的操作人员反复交流、配合,才能完成两接头的正确对接,整个对接过程时间长、劳动强度大。

为了实现接头的快速准确对接,本文设计了一台跟随控制器,用于辅助管道接头的对接。

该控制器安装在三维接头上,使用前,由岸上操作人员操作控制按钮,先将输油臂三维接头移动到油轮管道接头的上前方,由油轮上的工作人员握住控制器上的钢丝手柄,将手柄牵引并固定在油轮管道接头附近,如图2所示。

通过控制器对手柄的跟随控制快速完成两管道接头的准确对接。

图2 跟随控制器的操作过程
2 跟随控制的控制原理和控制算法
跟随控制器采用一体化结构设计,由偏转角度传感器、拉绳长度传感器和拉绳角度传感器及相应结构件等组成,如图 3所示。

跟随器内的 3个传感器均为电阻式角度传感器,电阻值为5 kΩ,其中偏转角度传感器和拉绳角度传感器的电气角度为 345o,拉绳长度传感器的电气角度为3 600o(10圈)。

拉绳手柄的位置可以准确地反映在 3个传感器的电阻值上。

2.1 左右跟随控制算法
跟随控制启动后,首先驱动转台的左右转动,消除偏转角度T,如图4所示。

尽管检测到的偏转角度T和转台的实际偏转角度T0并不相等,但在消除偏转角度过程中,当
T=0时,必然T0=0,所以控制系统只需根据跟随器检测到的偏转角度T来判别转台
的转动方向,发出转台驱动指令,转动转台直到偏转角度T为0时停止。

图 3 跟随器结构原理
图4 输油臂的左右角度偏差的控制
2.2 上下跟随控制算法
控制系统根据跟随器检测到的拉绳长度值L和跟随角度值a进行跟随运行控制前,
必须先确定输油臂内臂关节A点与跟随目标点的位置关系:距离d和高度差h(如图5所示 )。

跟随目标确定后,该数值是固定不变的。

图5中,Δx、Δy为安装在三维接头上的跟随器与外臂尾端旋转接头的位置差值,运行过程中,三维接头在自重作用下
姿势不变,所以这些数值可作为定值处理。

为确定距离d和高度差h,在跟随控制器启动后,保持外臂不动,驱动内臂,使输油臂从起点C开始进行一段范围的内臂预运行,直到跟随器与目标点间的拉绳成水平,即预运行到C1点。

运行过程中,控制器需依次记录启动点C、中间点C′(该点处的拉绳
角度为启动点C处拉绳角度a的半值)、预运行终点C1三个点处的拉绳长度和角
度值,由这3组数据即可推算距离d和高度差h。

由图 5可知:
设C点拉绳长度为K 1,U1=K 1 cos T,V 1=K 1 sin T;C′点拉绳长度为K 2,U2=K 2 cos(T/2),V2=K 2◦ sin(T/2);C1点拉绳长度为K 3,该点处T=0,所以U3=K 3,V3=0。

由于C、C′、C1三点同圆,可推算 M和N为:
确定了距离d和高度差h后,切换运动关节,即可完成最后的跟随控制。

图5 上下偏差跟随控制算法
跟随过程中,首先执行外臂伸展,外臂伸展的跟随目标为外臂尾端点与 A点的距离R:
其中:L0为跟随结束后,跟随器与手柄之间的残余长度。

外臂伸展过程中,实时计算外臂尾端点与A点的距离R′:
当R′=R时,C1移至C2,外臂制动,开始执行内臂下俯,内臂下俯的跟随目标为拉绳角度为0,跟随时仅以拉绳角度为目标核对。

一旦拉绳角度为0,则内臂制动,此时C2移至C3,跟随控制过程结束。

3 跟随控制器的信号处理和控制流程
本文以上海冠卓企业发展有限公司生产的 S1型系列输油臂为例,讨论跟随控制器与其控制系统的接口。

考虑到原控制系统采用的是西门子S7-200系列PLC,可在该系统中新增一块模拟量处理模块EM 231,跟随器检测到的信号以图 6所示方法接入模块。

在这种接线方式下,由于检测的角度与 AD转换的数据是非线性关系,使用中需按以下公式反求:
图 6 传感器信号处理电路
其中:T0为传感器电气角;R0为传感器全电阻值;DAD为 AD转换数据。

根据上述分析和原控制系统的特征,可以根据如图 7所示的控制流程编写跟随控制程序。

图7 跟随控制程序流程
4 小结
实际应用中,使用该跟随控制器可以实现管道接头的快速对接,虽然输油臂的运动惯性很大,但是通过及时充分的反向制动,仍可获得较好的跟随精度,在S1型系列输油臂上的应用中,其跟随精度可达5 cm。

为确保输油臂的使用安全,实际使用过程中,必须先由岸上操作人员将输油臂尾端驱动到目标点的前上方位置,才能进入跟随控制,控制程序对此要求做了连锁。

实际操作中,如拉绳长度传感器的拉绳长度有限,可采用分段跟随完成最后的管道对接。