大型变压器顶升装置的复合控制器设计

杨 琛，于少娟

（太原科技大学电子信息工程学院，太原　030024）

大型变压器顶升装置的复合控制器设计

杨 琛，于少娟

（太原科技大学电子信息工程学院，太原030024）

随着我国电力行业的不断发展，现有顶升装置的传统控制方式已经不能满足我国变电站建设自动化，智能化的要求。通过对大型变压器顶升装置的应用情况进行调研，建立并简化了此装置的数学模型。采用复合控制理论，通过添加切换高度，将原有的顶升过程划分为上升过程与调整过程。采用模糊自适应控制与闭环迭代学习控制策略，分别设计控制器用以在上升阶段解决顶升效率低的问题，在调整阶段解决安装精度差的问题。最后采用Matlab与AMEsim联合仿真验证了此控制策略的有效性。

大型变压器；电液伺服系统；复合控制

伴随着我国电力行业的飞速发展，新建变电站正朝着大规模，高度自动化的方向发展，其中以500kV变电站和智能变电站的不断涌现为代表。面对变电站建设的数量不断增多，规模不断扩大，自动化程度不断提高的情况，对配套设施的建设有了更高的要求。传统的顶升、移运、就位方式已经不能满足效率更高，精度更准确的建设需要。

文献［1］通过对设备硬件进行改进，添加了均匀分布的顶升支架和相配合的垫杆，实现了连续、步进式的施工。该顶升技术通过改进施工流程，保持了顶升设备原有的平稳性和可靠性，提高了施工的准确性，保证了施工质量；但其实质仍为人工操作，需要操作人员听从统一的指挥，安全性和准确性还有很大的提升空间。对于控制方式的改进集中于采用控制器代替手眼控制及引入新型控制方法改善顶升效果。文献［2］主要阐述了针对自爬式液压顶升系统施工中暴露出缺点的改进。通过利用PLC、传感器以及变频技术进行改造，取代了原有的人工操作；采用双泵双回路的设计使稳定性得到加强。初步实现了微机自动化控制，在生产施工过程中，降低了施工劳动力、提高了安全可靠性。这种改进方法虽然实现了简单的闭环控制，但是并未涉及顶升精度，仍具有一定的改进的空间。

1　大型变压器顶升装置概述

1.1现有大型变压器顶升装置存在问题

目前，在我国标准的变电站建设过程中，作为核心设备的主变压器，它的安装与就位施工是整个变电站建设过程的重中之重。由于现有施工流程的限制，对于已有的部分安装技术无法使用。

如运用大型吊车对变压器进行就位施工。在起吊重量方面存在问题，首先通过调研发现主变压器的重量一般在150 t左右，现场配备的吊车无法满足起吊重量的要求。其次，由于变电站的场地限制，无法更换满足吊重的吊车。在安装过程方面存在限制，对于220 kV室内变电站，由于已经建成的综合配电楼的高度限制以及吊车吊臂长度限制，使得吊臂无法进入变压器室内进行安装。对于500kV室外变电站，由于已经建成的防火隔离墙和导线支架影响，使得无法进行变压器安装。在安装精度方面：由于主变压器在起吊过程中不可避免的会发生摆动，导致主变压器就位后的很难通过震荡校验，给施工带来非常不利的影响［3］。

而作为核心设备的主变压器，它的安装与就位施工是整个变电站建设过程的重中之重。由于现有施工流程的限制，对于已有的部分主变压器的就位安装技术无法使用。

通过对国内多个在建的变电站进行现场调研，数据分析与跟踪研究，并根据电力行业液压顶升安装、移运、就位的相关经验，得出这种工程施工具有如下的特点：

（1）通常为单件顶升，或者带有附件；

（2）安装对象的重量较大，一般为180 t-200 t；（3）总高度差一般小于2 m；

（4）施工工期紧，通常要求2 d完成安装。

现有的液压顶升装置进行主变压器的装卸和安装就位施工时，顶升高度与速度仅依靠人眼观测，过程的操控完全依赖于操作人员的经验，导致装置的顶升效率低，耗工费时，顶升过程稳定性差，缺乏精度保障。不仅要在原来的基础上提高顶升精度，还要最大限度的保证施工过程中人员及器件安全［4］。

1.2大型变压器顶升装置的组成

目前，普遍使用的重型电气设备顶升装置主要由液压千斤顶QF100T-20b，超高压液压泵站YBC-Ⅲ-D组成。

液压千斤顶QF100T-20b具有输出力大、重量轻、可在任意空间位置下作业，可实现远距离操作等特点。而超高压液压泵站YBC-Ⅲ-D可以低压时加大给油流量，高压时减小给油流量；具有低压自动切换，可以快速回程的特点。

该装置的具体应用情况如图1所示。

2　大型变压器顶升装置的数学模型

重型电气设备顶升装置可以定性为电液位置伺服系统，由控制单元、伺服放大器、电液伺服阀、液压缸、负载、位置传感器等构成。

2.1建模的前提假设条件

为了使模型简单直观，便于分析关键因素，忽略了部分次要因素，具体做了以下的假设：

（1）假设所用伺服阀的各节流口流量系数都相同；

（2）假设油缸内、外的泄漏都是理想层流；

（3）不计输油管的动态特性与其中压力损失；

（4）忽略顶升缸内行程的影响，假设油液的体积弹性模量是恒定值；

（5）不计顶升缸内部粘性摩擦力的影响。

基于以上假设，对此系统的进行简化分析。

由于此时，液压执行机构的固有频率ωh大于50 Hz时，传递函数能够简化为二阶环节，即为：

图1　大型变压器顶升装置工况Fig.1 The working condition of large transformer lifting device

其它环节主要包括伺服放大器和位移传感器。考虑到这两个元件的响应速度远大于伺服阀控制液压缸产生响应的速度，故两者均可以近似看作比例环节。因此可得出：

2.2 大型变压器顶升装置的传递函数

本文以实际应用中的液压顶升装置为研究对象，所建数学模型也是以此系统为基础的。因此，为了保证传递函数的准确性，所建立系统传递函数特点为：

（1）将电液伺服阀的数学模型保留为二阶，使整个系统的传递函数为五阶，并非传统的三阶模型；

（2）负载为实际的大型变压器，属于非弹性负载且质量较大，其重量为研究中所使用的试验块30倍。

根据上述分析，电液伺服位置控制系统的开环传递函数Gk（s）为：

3　复合控制器的设计

3.1复合控制的原理

针对于目前实际应用存在顶升效率低与安装精度差两个问题，提出采用并联复合控制对其改进。其主要思想是分别设计两个控制器，两者之间采用并联控制方式；通过在切换高度处添加一个开关装置，来实现两个控制器之间输出信号的相互切换。

图2　联复合控制原理图Fig.2 The control principle of parallel switching

图2中，比较器1是用于判断缸的实际位置与预设切换位置的接近程度；当位置与切换点重合时，比较器1的输出值将为0，再由相关运算器输出信号控制开关转换为控制器2进行输出，这样就实现了顶升阶段与调整阶段的控制转换。比较器2的功能是保证液压缸能够自动恢复到初始位置。

具体控制方式为：首先，通过设置一个切换高度，将整个顶升过程划分为上升阶段与调整阶段；其优点为通过将其分为两个阶段，可以将顶升效率低与安装精度差两个问题分开解决。

其次，在上升阶段采用控制器1输出控制信号，使负载较快的上升至预定高度，进入调整阶段后转为由控制器2输出控制信号，对负载的就位位置进行精确调整；其优点为可以根据现有的控制理论分别设计控制器，并充分发挥两种控制策略的各自的优势。

此外，这种控制方式构成了两个相互独立的控制循环，避免了控制信号的相互干扰与检测要求间的相互影响［5］。

3.2复合控制器设计

采用模糊PID控制策略设计控制器1，闭环P型迭代学习控制策略设计控制器2。

控制器1以实际工业应用中较为常见的二维模糊控制器，对现有的PID参数进行自适应调整。以误差e和误差变化率ec作为输入，建立起e、ec与控制参数△Kp、△Kt、△Kd之间的模糊关系。根据运行中e、ex的不断变化，根据模糊推理对控制参数进行在线修正［6-7］。

图3　控制器1结构图Fig.3 The structure diagram of controller 1

取｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝7个子集分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。对应e和ex的大小量化为7个等级，表示为｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝.选取隶属函数为左侧zmf型，右侧smf型，中间采用三角形函数的组合形式。对于输出的控制变量采用同样的7个量化域，与输入量相对应。整个映射过程如下式所示：

式中E、EC、Kp、Ki、Kd分别为e、ec、kp、ki、kd的模糊值。

解模糊时以控制参数kp为例，设kp0为其初始值，依据所建立的模糊规则表，推理出△kp0对其进行修正，如式（7）所示。

在运行过程中，通过模糊控制的修正，实现对现有参数的自适应调整以实现对顶升效率的改善。

控制器2中通过设计闭环P型学习律，通过利用前一次的控制信息与本次的误差量进行综合，实现对给定位置信号的高精度跟踪［7］。

图4　控制器2结构图Fig.4 The structure diagram of controller 2

对于闭环P型迭代学习控制律uk+1（i）=uk（i）+Γ（i）ek+1（i+1），在初始状态xk（0），任意施加初始控制量u0（i），则使其收敛的充分条件为：

使其收敛的必要条件为：

经过验证，当取Γ=0.035时，则所设计的闭环P型迭代学习律够满足其收敛性要求。

4　复合控制的联合仿真

本文采用的是AMESim/Simulink联合仿真。根据顶升装置特性把系统分为两部分，即为液压执行部分与智能控制部分。由于AMESim可以最大程度的贴近实际机构特性，因此选用AMESim 10软件来建立液压执行部分；由于Matlab软件可以进行大量数值计算与仿真分析，因此选用Simulink搭建控制器模型［9］。

在AMESim软件中搭建液压执行机构，将相应的液压元件相连接，并设置其具体子模型。其中的控制部分由联合仿真接口AMEsim&Simulink与Matlab相连。如图5所示。

在Simulink中构建控制系统模型。将控制器1、2进行封装，采用S函数来描述被控系统。

由于使用开关控制启停，因此采用阶跃信号进行仿真研究。由于1.2中顶升流程的要求：先将变压器的一侧顶升固定高度，打好保险后再起顶另一侧，然后交替顶升。故采用方波信号进行此流程的分析。

图5　AMEsim中的液压执行机构模型Fig.5 The model of hydraulic actuator in the AMEsim

图6　Simulink中复合控制器模型Fig.6 The composite controller model in the Simulink

图7　复合控制的阶跃响应Fig.7 The step response curve of composite controller

复合控制中切换的关键在于必须事先设计好在两种策略之间的转换方式与进行转换的确切位置，并且能由指令控制实现转换。当控制器1、2同时运行时，如果切换设置的不合理，则切换阶段会产生过冲，无法达到安装精度要求并且不易实现安全保护。由于本文所采用的是将缸的实际位置和转换位置进行对比，且将切换位置设置为20 cm，使得复合控制可以顺利实现。

图8　复合控制的方波响应Fig.8 The square wave response curve of composite controller

阶跃信号仿真中上升时间为14 s并且未产生较大的超调量。从方波仿真可以看出，第二个波形跟踪精度有所提高，超调量比第一个波形时有所减小。以上结果表明：当切换位置设置恰当时，所选用的复合控制策略可以较为快速的跟踪给定信号并使所产生超调量，能够很好的满足控制要求。

5　结论

通过将现有的顶升阶段划分为上升阶段与调整阶段两个部分，针对不同的阶段分别解决顶升效率低与安装精度差的问题。利用模糊控制对参数进行修正，使顶升阶段效率得到了增加；利用迭代学习控制对给定进行高精度跟踪，使安装精度得到了提高。采用复合控制策略，通过设置切换高度，将两种控制策略的优势相结合，通过联合仿真获得了良好的结果。

［1］ 吴海泉.金属罐体液压顶升施工技术［J］.现代机械，2005，8（3）：81-82.

［2］ 陆俊杰.烟囱液压顶升控制系统改造［J］.武汉大学学报：工学版，2013，46（10）：338-341.

［3］ 邹阿荣，姚志宇.苏丹Markhiyat 500 kV变电站变压器运输及就位安装［J］.电站系统工程，2008，24（3）：70-71.

［4］ 郑海洋.220 kV变电站主变压器的安装技术［J］.科技创新与应用，2012，22（10）：21-22.

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［6］ 权龙，邢向丰，李凤兰，等.一种模糊自调整PID在车辆液压悬架主动控制中的应用［J］.机床与液压，2000，23（6）：29-30+ 14-2.

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［9］ EBADAT，KARIMAGHAEE，JESMANI.Optimization-based fuzzy iterative learning control［C］∥Electrical Engineering（ICEE），Iranian，2011：1-6.

The Composite Controller Design of Large Transformer Lifting Device

YANG Chen，YU Shao-juan
（School of electronic and Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China）

With the continuous development of Chinese electric power industry，the traditional control mode of the existing lifting device has been unable to meet the construction of substation automation in China.Firstly，the application of large transformer lift device is investigated，and the mathematical model of the device is established.Secondly，by using the composite control theory，the original lifting process is divided into the rising process and the adjustment process by the addition of the switch height.The fuzzy adaptive control and closed loop iterative learning control strategy are chosen，the controllers are designed to solve the problem of low lifting efficiency in the rising period and to improve the installation precision in the adjustment period.Finally，the effect of this control strategy is verified by Matlab and AMEsim co-simulation.

large transformer，electro-hydraulic servo system，composite control

TH173

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.02.004

1673-2057（2016）02-0098-05

2015-05-25

太原科技大学校博科技研究启动资金（20122033）；山西省高校教改项目（J2011130，J2013064）；同洲电子科技创新基金（TZ201323）

杨琛（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统继电保护技术；通讯作者：于少娟，教授，E-mail：yushao71 @yeah.net