张力绞车自动控制系统综述

摘 要 张力绞车是目前工业领域应用非常广泛的起重拖拽机械。本文就目前已投入应用的张力绞车控制系统，从驱动方式、控制方案、控制特性三个方面对绞车系统进行分析概述。在对张力绞车系统进行分类分析基础上，对张力绞车控制方式进行分析比较，就电液比例技术在张力控制上的应用及控制特性进行综合分析，阐述张力绞车控制系统的发展趋势。

【关键词】张力绞车 电液比例控制 控制特性

张力绞车又称为卷扬机，是用卷筒缠绕钢丝绳或链条以提升或牵引重物的大型起重设备，具有一个或数个水平安装可卷绕绳索的卷筒或绞缆筒的机械，工作原理如图1所示，通过卷筒正反转对负载进行提升、释放。其控制系统主要由张力、速度传感器；张力控制器；机械执行机构三部分构成，其中执行机构包括驱动装置、传动装置、排缆卷筒。张力控制器是控制系统的核心单元，通过对张力、速度传感器采集的数据信号进行处理，与初始设定张力值进行比较，根据系统对张力控制的要求，设计合理的控制算法，得出张力补偿信号并发送至执行机构，从而实现张力调整。

张力绞车广泛应用于工程机械、矿山机械、港口机械以及海洋平台等领域。在矿山采掘、运输场合，绞车是重要的辅助设备，用于矿山竖井或斜井中物品、人员调度，使用过程中，要求绞车有很高的平稳性、安全性；在港口机械场合，常见的集装箱起重机、港口装卸门座起重机等重型器械，也都主要采用张力绞车作为其执行部件，在这样的场合中，要求绞车具有灵敏的调速性以及很高的安全性；在海洋开发领域，张力绞车用于战舰拖拽声呐等军事器械，工作过程中，要求张力稳定、具有灵敏的调速性以及很高的安全性。

在大惯性负载作用下，张力绞车系统在启动、加速、减速等运动过程中，缆绳张力是否能够保持恒定，避免出现较大范围波动、振荡，是系统安全性、稳定性的直接影响因素，因此张力绞车控制系统的稳定性至关重要，由于对张力的控制调节影响系统整体工作效果、人员安全，其准确性、灵敏性同样重要。

本文从张力绞车驱动方式、控制方式、负载特性三个方面对张力绞车系统进行概述。在对张力绞车系统进行分类分析基础上，对张力绞车控制方式进行分析比较，就电液比例技术在张力控制上的应用及控制特性进行综合分析，进一步阐述张力绞车控制系统的发展趋势。

1 张力绞车控制系统分类

根据驱动方式，张力绞车控制系统可分为以下三类：直流、交流电动机驱动、磁粉离合器驱动、液压马达驱动，构成了电动机张力控制系统、磁粉离合器张力控制系统、液压传动张力控制系统。

1.1 电动机张力控制系统

由于电动机控制技术较为成熟，在目前的张力控制系统中应用最为广泛。

直流电动机张力控制系统，具有优良的调速性能，即使在大负载作用下，仍可实现平滑、大范围的无级调速；并且具有较大的起动力矩，过载能力大，可承受频繁的负载冲击。但此方式启动电流大，对电动机使用寿命有不利影响；同时，直流电机存在换向器，与电刷之间有摩擦，会产生一定死区，出现火花。

交流电机调速系统，由于其具有灵敏的响应速度、高精度的变频调速性能、节约能源等优势，同样广泛应用于张力控制系统。因此交流电机驱动方式成为今后张力控制系统主要的发展方向之一。但是，工作时需要对电动机电源电压、电枢电流、激磁电流等物理量进行调节。

1.2 磁粉离合器张力控制系统

磁粉离合器属于电磁离合器，是20世纪70年展起来的一种动力元件。根据电磁原理，利用磁粉传递转矩，激磁电流与传递转矩在大范围内成线性关系。其工作原理如图2所示，磁粉存在于储粉腔及工作缝隙中，主动转子高速旋转，当线圈不通电时，磁粉在离心力的作用下附着在主动转子内壁上，主、从动转子不接合，从动转子不受力，不转动。当线圈通电时，加载激磁电流，磁粉粒子在磁场作用下被磁化，从而形成“磁粉链”，主动转子旋转，通过磁粉传递的电磁力驱动从动转子，实现转矩传递，可传递的转矩大小由激磁电流强度决定。磁粉离合器同步、滑差、制动等不同状态由激磁电流的大小控制，固定从动转子便可使其成为磁粉制动器。

磁粉离合器的特点主要有：

1.2.1 可实现线性调速

激磁电流与其传递的转矩在较大的范围内均成线性关系，因而可方便地调节电流大小以实现电机的线性调速。

1.2.2 具有恒转矩特性

由于传递的转矩由激磁电流决定，因此即使电机滑差转速发生改变，其传递的转矩仍可基本保持不变。

1.2.3 可实现无级调速

与传感器及控制线路配合，便可实现无级调速，其变速范围大、变速过程平滑、转速稳定，可较好的在高转速系统中实现速度微调，适用于中小功率的调速系统。

由于磁粉离合器具有上述优点，在工业中得到广泛应用，但同样也具有部分缺点，例如：散热性能较差、在滑差情况下效率低下、寿命不长等，因此主要应用于小负载张力控制系统。

1.3 液压传动张力控制系统

随着液压技术不断提高，液压传动驱动下的张力控制系统发展迅速。在大惯性负载张力控制系统中，液压传动方式主要优点：

1.3.1 大力矩传递

相对于普通电气装置，液压传动装置更加轻量化，在同等体积下，液压传动装置可输出更多的功率，且具有良好的动态性能。

1.3.2 优良的调速性能

在运行中可实现大范围无级调速。

1.3.3 较长的工作寿命。

由于液压系统的传动介质为液压油，工作的同时对液压元件起到作用，提高液压元件使用寿命，同时液压马达具有转动惯性比大、频响快的优点，适用于快速启动、制动、频繁换向的系统。

1.3.4 液压传动系统便于实现过载保护，具有较高的安全性、可靠性

通过分析比较，液压马达驱动方式更适用于大负载张力控制，由于电液比例控制技术具有上述优势，已成为目前大惯性负载张力控制系统的主要方式之一。

2 张力系统自动控制方案

张力控制在工程应用中包括恒张力控制、变张力控制，均要求张力控制稳定性高，抗干扰性能强，安全性高，实现上述要求的关键在于张力控制器的设计，根据自动控制原理，可将控制器分为闭环、开环及复合控制三种。

2.1 闭环张力控制系统

闭环张力控制按张力的偏差进行调节，形成张力反馈控制，任何属于闭环范围内的张力扰动，系统均可通过控制器作用得到补偿。因此闭环控制在对张力控制要求高的系统中被广泛采用。但完全闭环控制需要使用元件较多，使控制线路复杂，导致系统设计繁琐，大大提高控制成本。

2.2 开环张力控制系统

开环控制系统由控制器与被控对象组成，包括直接式开环、间接式开环两种。直接开环系统不存在由输出端到输入端的反馈通路，因此，又称为无反馈控制系统；而间接式开环则存在部分反馈补偿。

由于不存在反馈环节，直接开环系统控制效果完全取决于系统输入量，与之对应，产生系统输出量，这样情况下，系统中动力元件的精度至关重要。由于没有反馈补偿控制，系统在受到外力扰动时，无自身调节作用，且系统响应时间较长，虽然如此，但其整体结构简单、成本低廉，因此适用于精度要求不高、外力扰动小的控制系统。

间接式张力控制系统，在无反馈控制系统基础上，对部分可确定的扰动进行相应补偿，提高系统张力的稳定性。实际工作中，扰动具有较大不确定性，扰动补偿主要针对可以确定的、起到主导作用的扰动进行补偿，提高系统精度、张力稳定性。

2.3 张力复合控制系统

复合控制系统同时包含按偏差控制的闭环方式和按扰动或输入控制的开环方式。主要设计理念为：针对主要可确定的扰动，采用补偿装置进行扰动控制；对于剩余偏差，在扰动控制的基础上，设计反馈环节实现偏差控制，两者结合，以使系统输出张力保持于期望值内。

3 张力控制方案

电液比例技术是目前大负载张力控制的主要方式，其基本工作原理如图3所示，由图1可知，系统的张力控制单元为卷筒，即张力绞车。根据电液比例系统设计理论，张力控制可采用两种方式：调压方式，图3中的比例换向阀只起换向作用，在回收工况下，比例换向阀工作于右位，出口比例溢流阀提供较小背压，工作时马达输出转矩由进口比例溢流阀压力值进行调节，从而实现张力调节；调速方式下，马达转速取决于比例方向阀阀芯开口大小，因此通过控制比例方向阀阀芯开口度可间接实现张力控制。

由于绞车转动速度较慢且保持稳定、卷筒半径较大，其转动惯量、绞车卷绕半径在一定时间内可看做恒定。

3.1 调压方案控制特性

采用调压方案进行张力控制时，比例换向阀只起到换向作用，对系统进行受力分析，列出张力绞车力矩平衡方程；通过液压马达输出转矩方程以及胡克定律得出系统在负载回收工况下的开环调压传递函数：

（1）

式中，q：液压马达排量；K：牵引缆绳弹性系数；B：油液黏滞系数；i：机械结构传动比；R：卷筒半径；J：卷筒转动惯量。

调压方案的开环控制框图如图4，经过分析总结，调压方案具有以下3点控制特性：

（1）系统具有自身调节能力。在卷筒的转动惯量、卷绕半径均保持不变的情况下，若输出转矩保持不变，那么根据转矩平衡原理，即使缆绳的线速度受外力作用发生变化，系统仍可自身调节最终达到稳态，由于调压方案自带“反馈”调节，其稳定性较高，适用于恒张力下的开环控制。

（2）系统的阻尼比为。由公式可以看出，系统阻尼比与转动惯量成负相关，其动态性能控制特性较差。

（3）在变张力控制系统中，采用调压方式，则系统的压力随张力的变化而变化，在张力增加的情况下，系统的工作元件在高压下容易过分损耗，影响其使用寿命。

3.2 调速方案控制特性

调速方案通过调节比例换向阀阀芯开口来调节马达转速，主要遵循胡克定律，系统控制需满足：

（1）使介质上的张力达到指定张力；

（2）使张力的变化量为零。

忽略系统的泄露，进行受力分析，列出负载力矩平衡方程，进行液压回路分析，列出比例换向阀流量方程及液压马达流量连续性方程，整理得出回收工况下调速方案的传递函数：

（2）

式中，kq：流量增益；kc：流量压力增益，采用调速方案的张力系统开环控制框图如图5。

调速方案中主要控制元件为比例换向阀，其滑阀特性直接影响系统的动态稳定性。

恒张力控制过程中，需保持输出张力恒定，系统最初达到稳态时，即缆绳张力达到设定张力值，此时缆绳收、放的线速度应保持相等，液压系统中流量保持恒定，即比例换向阀阀芯开口恒定，马达两腔压差恒定。随着缆绳不断回收，卷筒卷绕半径、转动惯量均有微小增加，使马达两腔压差增大，若比例换向阀阀芯仍保持不动，则系统流量减小，在此基础上，若缆绳线速度保持不变，则满足张力控制特性；若缆绳线速度发生改变，则需调节比例换向阀开口大小，由此会影响系统整体动态性能。

在释放工况下，负载拖动绞车，为了保证缆绳上张力保持恒定，应施加制动转矩，此时，比例换向阀工作于左位，通过调节出口比例溢流阀压力值调节马达转矩，实现张力控制。调压方式稳定性较高，在大负载张力控制中有突出的优势，但其工作时的动态性能需要提高，这一部分可作为日后研究的重点；调速方式灵敏度更高，但不适用于大负载张力控制，不适用于需要制动转矩的释放工况。

4 小结

近年来，张力绞车系统发展非常迅速，在小负载方面应用形式多种多样，但在大惯性负载工程应用中，领域张力控制方案及控制特性仍为研究重点难点。本文针对目前已应用的张力绞车控制系统，从驱动方式、控制方案、控制特性进行分析综述。探讨了较为适用的自动控制方式，张力控制的调压方案与调速方案的控制特性，在不同情况下应采用的控制方式。其中电液比例张力控制系统调压方案较于调速方案更为成熟，应用更加广泛，但调压方案的动态性能仍有较大的提升空间，可作为张力控制日后主要的研究内容。随着自动控制技术的快速发展，张力绞车控制技术将会越来越完善，其控制效果将会更佳稳定、灵敏，并带来显著的技术、经济效益。

参考文献

[1]范国宏.电控排缆绞车电液控制系统研究[D].浙江大学（硕士学位论文），2003（01）.

[2]钟天宇.大惯性负载双向电液比例张力控制系统研究[D].浙江大学（硕士学位论文），2006（12）.

[3]杨振兴.恒张力复合控制系统及仿真[J].中南工业大学学报，1995，26（3）：398-401.

作者单位

海军驻上海地区军事代表室 上海市 201108