陈科
中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽省合肥市230031
摘要：在小型收放装置收卷控制系统设计当中，为了能够提高其精细化程度，进而对收放装置工作时的状态进行详尽探究。最终在得出收卷电机负载变化规律曲线的情况下，发现为收卷电机承担主要负载的工程参数为负载有效转矩以及卷筒的惯性转矩。在本文中将通过搭建实验平台的方式来对自动张力控制与闭环张力控制两种控制方案进行实验检验，从实验过程当中的易操作性以及结果实现程度来看，自动张力控制与闭环张力控制两种控制方案容易操作，可靠并且稳定。
关键词：系留气球；控制技术；收卷；转矩
得益于系留气球的工作特性，在军事以及民用等等领域，其应用十分广泛。系留气球主要是应用空气中气体密度与系留气球内气体密度的密度差，从而产生浮力漂浮在空中，正是由于其可长时间驻留高空，进而更加高效且低成本地弥补了相关专业设备处在地面或低空时的侦查局限性。系留气球本身并没有动力产生系统，它的升空与回收工作都是通过规范且应用成型的专业收放装置辅助来实现的。在本文中将主要以小型系留气球的收放辅助系统作为探究对象，主要分析收放辅助系统在工作过程当中其负载扭矩的变化规律，进而更加有针对性地提出闭环恒张力控制与自动张力控制两种储缆卷筒的控制方案，并通过具体实验检验此两种控制方案的稳定性与有效性，以期对今后的小型收放装置控制的设计提供一些新的思路。
1、留气球收卷控制的现实需求
（1）收放装置的普遍设计如图1所示。为气球提供收放操作动力源的装置为牵引电机，在牵引电机与气球之间还设有一个牵引轮，牵引电机的另一侧则与储缆卷筒相连，并在牵引电机与储缆卷筒之间设置排线电机从而实现缆绳的整齐收卷。
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图1 典型收放装置结构
在收卷过程当中，收卷电机需要通过减速机来带动用于储存缆绳的卷筒从而实现缆绳的收卷工作，对于收卷电机的动力控制需要满足下面几条要求：
收卷速度需要与收卷电机的牵引力相互匹配。收卷电机的动力需要满足线缆收卷速度，既不能动力太强也不能动力太弱，并且响应时间要足够小，从而避免线缆收放速度过快或者过慢进而造成缆绳收卷时张力出现大幅偏差，最终导致缆绳脱离收卷槽甚至磨损缆绳的情况发生。
为实现收卷电机可以对收卷筒卷径的变化进行自动适应，收卷电机的输出功率即收卷动力不能一成不变，而是需要随收卷筒直径的变化而进行适应性变化，从而实现线缆收卷张力的稳定。
针对收卷电机力矩变化需要进行实时力矩补偿。在进行收卷过程当中，牵引电机存在输出力矩加速与减速的过程，那么作用在线缆上的力矩就会发生动态变化，因此对于收卷电机的力矩输出需要实时进行调整，进而维持收卷张力的稳定。
2、留气球收卷控制技术方案
（1）在进行收卷控制时可以采用较主流的交流异步力矩电机与力矩控制器组合的方式。
结合交流式力矩电机动力输出较软的特性，其机械性质与实现收卷的现实需要相互契合，并且此种控制方式比较简单易用，仅仅需要对力矩电机进行简单调压即可实现准确控制，因此这种控制方案易用性强，稳定性高[1]。
（2）精度较高的异步电机与矢量控制模块相结合的组合控制。
此种控制方式重要的环节是需采用带有变频控制功能的变频器来实现控制矢量控制模块，而为了提高控制的精准度还需要加配编码器从而提升异步电机输出力矩的控制精度。
（3）伺服电机力矩控制方式。
此种控制模式的缺点是价格较为高昂，优点是方便易用[2]。在进行控制时进京通过伺服电机就可以实现缆绳恒张力的控制，但是在具体应用中，电机需要配套驱动器一起使用。
以上三种收卷控制模式，都能很好地完成缆绳收卷过程中恒定张力的控制。相比较而言，第一种模式即交流异步电机与力矩控制器相结合的方式实现最为简单，并且稳定易用，最大的有点是成本低。在收卷控制系统在实际工作如若出现故障能够快速实现部件更换，所以在现实工作中，此种方式应用最为广泛。
3、留气球收卷载荷转矩分析
（1）收卷电机负载转矩的理论模型
收卷电机的力矩主要包含四个部分（以下将用代替）分别为：缆绳上产生的张力力矩，缆绳弯曲时产生的弯曲分力力矩，机械装置运行时产生的摩擦力以及电机转速变化时产生的惯性力矩。其转矩在平衡状态下的表达式为：
（1）
其中是收卷电机对外输出的力矩；是减速电机减速变量比；是与缆绳相对应的负载力矩；是缆绳弯曲时产生的弯曲力矩；是卷筒转动时产生的惯性力矩；是收卷系统工作时所受到的摩擦力。
通过上述力矩平衡模型可以看到，想要维持收卷系统的力矩平衡就需要调整动力电机即收卷电机的输出即来实现负载端力矩的变化，同时想要实现使储缆卷筒部分与牵引轮之间以及线缆所受张力与设定值的偏差较小只能通过调整来实现，而与则对整个收卷系统的控制影响较小，因此在本文中只对整个收卷过程影响较大的与的变化规律进行讨论[3]，进而探究适合此类小型系留气球收卷系统稳定控制的稳定方法。
（2）即负载力矩
为应对卷筒半径的不定性，同时维持线缆张力保持不变，则需要不断加大。
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即为惯性力矩；是转筒的角速度；是转筒的转动惯量。其中由于线绳密度等因素引起的误差较小，所以可以忽略不计。
4、实验检验
（1）应用平台
在本次实验中主要验证上述两种控制方案，采用的实验平台如下图5所示。驱动器采用松下A5模块，用于模拟力矩的电机采用价格YLJ通用电机，同时通过联轴器和伺服电机进行关联。
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图5 测试平台实物照片
电机的实际力矩输出可以通过伺服电机的实时监控反馈得到，电机的实际工作速度可以通过速度监控模块得到，控制器采用的是西门子S7-200 224XP模块。由于现实条件的限制，在此次实验中主要测试了速度增强与减弱情况下，不同线缆张力以及转速不同时对此张力的控制效果。
（2）电机输出力矩测试
实验中不同转速情况下，电机输出的转矩有下面实验得出。图6所描述的结果为280V电压时电机转速控制在100 - 1000r/min时的具体转矩变化曲线。
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图6 电机输出转矩曲线
从上图中可以发现，电机力矩的输出同转速有明显的反向比例关系即随着力矩的增大转速减小。所以可以得出结论，在进行缆绳收放过程当中，如果力矩电机不被实时控制，收卷的效果将收到明显影响。
（3）自动张力控制能力测试
通过PLC模块可以实现控制方式中的自动张力控制测试，在下图7中展现的曲线为收卷速度在100 - 550r/min之间时，通过控制算法得出的结果。在此过程中，PLC模块将根据速度的变化对电机电压进行实时调整，进而使得力矩保持在0.3N/M。
（4）闭环张力控制能力测试
闭环测试则采用常见的PI算法，电机电压通过控制器中PI算法进行实时调整。从下图8中监测曲线平稳度上可以看到实验的整个流程当中电机的输出力矩始终可以保持稳定。
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图8 闭环张力测试效果
总结：
在本文中对于小型系留气球的收放系统工作模式以及理论依据进行了详细探究。归纳出了满足收卷系统稳定工作的相关需求，深入地分析了收放系统中核心参数即负载力矩的产生条件与变化因素，从而得出卷筒惯性转矩、线缆负载力矩、转轮弯曲力矩以及摩擦力矩的变化规律，进而发现力矩的转动惯性以及电机实际输出力矩对于收卷系统中力矩电机的影响较大。根据分析结果总结出了两种行之有效且操作稳定的控制方案。最后通过搭建实验平台的方式，实际验证了之前的猜测，通过对以上探究过程的展现期望对后期采用异步转矩电机进行控制系统设计的方案起到启迪作用。
参考文献：
[1]李冠林, 杨潇文, 李旭. 一种系留气球测控计算机的设计和实现[J]. 电子测量技术, 2020, v.43;No.334(02):6-10.
[2]范飞, 周香琴, 王琴龙. 表面摩擦驱动收卷的玻纤布卷驱动力特征[J]. 轻工机械, 2020, v.38;No.165(03):6-12.
[3]杨占锋, 鹿麟, 李浩. 系留气球自动解系控制技术研究[J]. 机械与电子, 2019(10).