三峡船闸双边人字闸门随动控制仿真研究陈坤高术陈学文摘要：为提高船闸人字闸门运行效率，以三峡船闸双边人字闸门液压起闭控制系统为对象，以三环PID控制系统设计为基础，采用双比例泵/电机组交叉耦合补偿的原理与方法搭建了人字闸门三环PID随动控制系统仿真模型。通过MATLAB/Simulink软件仿真与船闸实际PLC控制系统运行曲线的对比，发现双边人字闸门随动控制仿真系统关门历时2.1min，开门历时2.2min，原PLC随动控制系统关门历时5.2min，开门历时3.1min，该仿真系统能大大提升系统响应的快速性，且不影响系统的稳定性和准确性。研究成果对于船闸双边人字闸门随动控制系统的技术改进和三峡新通道船闸控制系统建设具有借鉴意义。关键词：人字闸门;随动控制;交叉耦合补偿;三环PID控制;仿真模型;三峡船闸中图法分类号：U641.7+2文献标志码：ADOI：10.16232/jki.1001-4179.2021.08.0360引言三峡船闸是目前世界上规模最大、总设计水头最高的双线五级船闸，其双边人字闸门控制系统是一个复杂的机-电-液系统[1]。由于工况特殊，船闸运行负荷重，运行安全责任大，这就要求人字闸门控制系统必须具备较快的运转速度、较高的运转精度和平稳的运转性能[2]。三峡船闸现有的人字闸门（见图1）控制系统采用基于PLC的分7段给定比例泵/电机组电压值-液压起闭传动-闸门行程负反馈调整给定电压值的控制策略，实现双边人字闸门的协调同步运行[3]。这种控制策略能较好地保证闸门开关门过程中的稳定性和合拢对中的准确性，但由于其给定电压采用7级变速经验值给定，闸门运行快速性还有进一步提升的空间。因此，利用计算机模拟仿真的方法，建立准确度高的随动系统模型[4]，采用先进的控制方法和算法来实现船闸机-电-液控制系统仿真设计研究[5]，对改进和优化三峡船闸现有的人字闸门控制系统设计、提升三峡船闸运行效率、进一步为新通道船闸建设提供技术支撑等具有重要的现实意义。1人字闸门随动控制系统设计三峡船闸人字闸门需要实现两扇闸门随动启闭功能，开关门过程中要求运行快速、平稳、随动性好、关终门体错位和门缝较小。本文以三峡船闸双边人字闸门门体为研究对象，以三环PID控制随动系统设计为基础，对其随动控制系统进行MATLAB/Simulink仿真研究。双边人字闸门门体驱动系统为双比例泵/电机组驱动系统，传动系统采用液压起闭油缸，以增强系统对复杂工况和大、变负载的适应性能。1.1人字闸门三环PID控制系统设计PID控制是比例积分微分控制的简称，它是发展最早、应用最广泛的工业控制器[6]。传统PID控制器的控制规律为u（t）=Kpe（t）+1Ti∫t0e（τ）dτ+Tdde（t）dt（1）式中：e（t）为系统误差，Kp为控制器比例环节，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。式（1）中控制量均为模拟量，计算机控制系统只能识别数字量，则基于计算机的PID过程控制系统[7]需要将参数进行数据离散化后才能运用。式（1）控制规律离散化为u（k）=kPe（k）+kikj=0e（j）+kde（k）-e（k-1）T（2）式中：kp表示比例系数，kd表示微分系数，ki表示积分系数，T表示采样周期，k表示采样序列，e（k-1）和e（k）分别表示第（k-1）和第k次信号偏差。在PID控制中，稳、准、快三特性往往不能同时达到最优，只能取一个平衡值，在保障系统功能、性能的前提下同时兼顾系统稳定性、准确性和快速性[8]。本文介绍的人字闸门三闭环位置随动控制系统如图2所示。整个控制系统从内而外分为电流环控制、速度环控制和位移环控制，把人字闸门位置和人字闸门开度仪的差值经过位置控制器输出，作为电机组转速给定的依据;转速给定值和人字闸门实际转速值的差值经过速度控制器后输出，作为电流控制的给定依据;电流控制可以快速地实现电流的输入/输出需求。电流给定经过脉宽调制轉换后可得到电压控制信号，电压信号决定电机组的转矩或转速，并通过液压油缸传动系统驱动人字闸门转动，达到人字闸门随动装置位置随动控制的目的。由于船闸人字闸门工况复杂、负载较大，双侧人字闸门采用双比例泵/电机组驱动，每台比例泵/电机组由2台电机组成，在双边人字闸门开关门运行过程中，两侧比例泵/电机组存在严重的电机匹配耦合问题。目前三峡船闸双边人字闸门采用分...