（交通信息工程及控制专业论文）桥式起重机自控系统设计及关键技术研究.pdf

摘要 桥式起重机作为物料搬运系统中的一种典型设备，在企业生产活动中应用广泛作用 显著。核废料吊车系统采用电动双梁桥式起重机进行废料桶的存取操作，对其控制系统 的研究是一项实现核废料远程自动控制，减少操作人员核辐射的重要工作。 针对传统桥式起重机在控制方式上存在的不足，根据现场工况和项目需求的特殊 性，通过对吊车控制系统的深入研究，详细阐述了系统设计的核心问题及关键技术，重 点分析了大车的同步控制策略和吊车自动运行的步序流程，并分别给出了它们的程序实 现。其中，大车同步控制算法采用模型参考p i d 差速补偿控制原理，通过编码器读取两 电机的位置偏差，并根据该位置偏差对大车2 撑电机的速度值进行补偿，从而达到大车两 电机的位置同步和速度同步。控制系统根据存储状态信息生成运行路径，路径生成后， 吊车以步序的形式通过多次自动定位完成自动运行任务。 通过对工艺流程的详细分析，采用p l c 、v c 矢量变频器、h m i 、视频监控等器件 完成了吊车控制系统的设计，并结合项目实施中遇到的实际问题进行了相应的系统调 试，达到了自动定位精度不超过2m n l 、实时状态监控和信息自动记录的要求。 关键词：桥式起重机，变频器，同步，自动 a b s t r a c t a sak i n do ft y p i c a le q u i p m e n ti ns w i n gs y s t e m ，t h eb r i d g ec r a n eh a se x t e n s i v ef u n c t i o n i nt h ef a c t o r y sa c t i v i t y t h en u c l e a rw a s t es w i n gs y s t e mc a nb eu s e dt of e t c ha n dt i l eu p b a r r e l sf i l l e d 谢t l ln u c l e a rw a s t ei nt h ew a yo fd o u b l e b r i d g ec r a n e ，s oi t sv e r yi m p o r t a n tt o s t u d yt h ec o n t r o ls y s t e mf o rr e m o t e c o n t r o li nl a r g es p a c ea n dr e d u c i n gt h ei r r a d i a t i o nd o s et o o p e r a t o r f o rt h ed r a w b a c ko ft r a d i t i o n a lb r i d g ec r a n ec o n t r o ls y s t e m ，s p e c i f i ct oa c t u a lc o n d i t i o n a n dp r o j e c t sr e q u i r e m e n t , t h e s i se x p o u n dt h ek e yp o i n ta n dt e c h n o l o g yt od e s i g nt h ec o n t r o l s y s t e ma f t e ra b u n d a n tr e s e a r c ht on u c l e a rw a s t es w i n gc o n t r o ls y s t e m g r e a te m p h a s i sw a s l a i do nb r i d g e ss y n c h r o n i z a t i o na n ds t e p si nc r a n e sa u t o - r u nm o d e ，a n dd e s i g n e dt h e i r p r o g r a mr e s p e c t i v e l yi nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r s f i r s t , t h eb r i d g e ss y n c h r o d r i v ea l g o r i t h m a d o p t sm o d e lr e f e r e n c ep i da l g o r i t h mo fd i f f e r e n t i a lc o m p e n s a t i o nc o n t r 0 1 t w om o t o r s p o s i t i o n sw e r er e a db ye n c o d e r s ，a n dt h e i rd i f f e r e n c ew i l lb eu s e dt oc o m p e n s a t et h es e t p o i n t o fm o t o r 2 sv e l o c i t y , t h r o u g hw h i c ht w om o t o r si nb r i d g ew i l lf i n a l l yg ot os y n c h r o n i z a t i o ni n p o s i t i o na n dv e l o c i t y s e c o n d ，t h ep a t hc a l lb eg e n e r a t e db yt h ec o n t r o ls y s t e mf r o mt h e i n f o r m a t i o no fs t o r a g es t a t u s a f t e rt 1 1 她c r a n ew i l lr u na u t o m a t i c a l l yt o w a r d st a r g e tp o s i t i o n b ys t e p st h r o u g hs e v e r a lt i m e sp o s i t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h et e c h n i c a lf l o wc h a r t , t e x tf i n i s h e dt h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e m ，u s i i 培 p l c ，v cc o n v e r t c r , h m ia n dv i d e om o n i t o r i n g ，a n dt h e nd e b u g g e di t s y s t e mf i n a l l ym e e t s t h e i rr e q u i r e m e n t so f a u t o m a t i co r i e n t a t i o np r e c i s i o nn om o r et h a n2r a m , m o n i t o r i n gi nr e a l t i m e ，a n dr e c o r d i n gt h ei n f o r m a t i o na u t o m a t i c a l l y k e y w o r d ：b r i d g ec r a n e ，c o n v e n e r , s y n c h r o n i z a t i o n , a u t o m a t i o n 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 在工厂、港口、货场等许多场合，起重机是实现物料搬运、减轻重体力劳动、提高 作业效率、实现安全生产的重要设备。在国民经济各部门的物质生产和流通中，起重机 作为关键的工业设备和重要的装卸机械，应用广泛并发挥着重要作用1 捌。 1 1 桥式起重机发展状况 专用于核电搬运系统的桥式起重机又称为核电吊车、自控吊车。传统的桥式起重控 制系统主要采用继电器接触器进行控制，采用交流绕线串电阻的方法进行启动和调速， 这种控制系统存在可靠性差，操作复杂，故障率高，电能浪费大，效率低等缺点【3 4 1 。经 过几十年的发展，我国桥式起重机在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断 积累经验，推动了桥式起重机的技术进步。但是在实际使用中，结构开裂仍时有发生。 究其原因是频繁的超负荷作业和过大的机械振动冲击所造成的机械疲劳。因此，除了在 机械上改进设计外，改善交流电气传动，减少起动、制动冲击，也是一个很重要的方面。 图1 1 双梁桥式起重机 由于传统桥式起重机的电控系统采用转子回路穿结电阻进行有级调速，致使机械冲 击频繁，振动剧烈，因此电气控制系统采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。大 规模集成电路和计算机控制的出现，使高性能交流调速系统应运而生。交流拖动控制系 统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向【5 1 ，起重机将向现代化、智能化、更安全 可靠方便的方向发展 6 3 1 。随着自动化技术的不断发展，变频调速控制在起重机械中必将 会得到更为广泛的应用，因此对桥式起重机控制系统进行研究具有重要的现实意义，也 是国内外相关行业专家学者的一个研究课题。 1 第一章绪论 1 2 核电吊车的技术现状 能源是社会和经济发展的基础，是发展生产的原动力。随着工业技术的发展，对能 源的需求量日益增加，利用核能是今后相当长时期内解决能源问题的主要途径之一【8 】。 但是，核能在向人类提供巨大能源的同时也给社会和环境带来了许多问题，其中最受公 众关注、最迫切的问题就是处置核电站产生的大量核废料的问题 9 1 。论文课题的提出就 是针对核电站核废料库的吊车控制系统。传统的核电吊车存在的主要问题有：操作人员 受到核辐射，劳动强度比较大；吊车运行速度过快，启动运行不平稳，吊钩和废料桶晃 动幅度较大；吊车定位精度不高，空间利用率低等。本课题研究的目的是实现吊车的自 动定位运行，从而达到尽量避免或减少操作人员受到的核辐射；使用矢量变频调速系统 及相关机械装置保证吊车平稳、安全的运行；提高吊车自动运行的定位精度，从而提高 仓库的利用率。 核电站产生的中低放射性废液经浓缩后采用水泥固化，放置在铁桶或钢筋混凝土桶 内，按照g b l l 9 2 8 8 9 低中水平放射性固体废物暂时贮存规定暂存在核电厂的固体 废物贮存库内，然后运往国家规定的废物处置场，作永久处理。 在暂存工艺设计中，固化物库与固化厂房相邻。当废料桶从固化生产线送出后到达 该生产线辊道末端时，固化废料桶处于暂存区，待桶内水泥初凝后，操作人员在操作室 远程遥控吊车，将固化废料桶按规定堆放方式吊到百米远的固化厂房中进行暂存。 目前，核电吊车操作的方法有两种，一种是操作人员在库房内直接用手动按钮操作 吊车，完成取桶、上升、行走、放桶等动作。由于核废料不可避免的放射性，操作人员 存在与核废料的接触。为了减少操作人员的辐射时间，吊车的速度很快，惯性较大，造 成手动操作过程的误差较大，对库房的利用率下降。第二种方法是在库房外利用自动控 制技术远程对吊车进行操作。这种方法避免了操作人员受到的核辐射，同时通过视频监 控系统对吊车的运行状况进行监控，大大改善了吊车运行系统的安全性【l o n 。 本文吊车控制系统结合上述两种操作方法的特点，通过现场总线操作人员可在操作 室内任意选用手动操作或自动运行遥控操作吊车。设备手动操作时，操作人员通过观察 监视屏幕，借助大车、小车、桥架轨道和全景的摄像系统作远距离操作，根据生产工艺 要求，进行固体废料桶的堆放。吊车自动运行时，操作人员在操作室利用摄像监视系统， 通过吊车控制系统自动进行废料桶的堆放操作，并自动记录当前的存储信息。存储信息 支持操作人员的查询和打印。该吊车各机构均采用矢量变频调速系统，在电气控制装置 2 长安大学硕士学位论文 中设置有多重行程限位，重量保护，高度显示，旁路连锁等各种安全装置，确保吊车动 作安全、可靠。 1 3 论文课题的项目背景 论文课题来源于核电站扩建工程中的废料桶核素测量厂房吊车项目，测量厂房内设 置一台8 吨的电动双梁式吊车，安装在厂房+ 7 8m 高处的轨道上，可沿轨道往返运动。 吊车备有专用抓具，主要用于起吊和运输装载含有放射性的固体废料的圆桶等。核电站 的核废料根据其辐射等级分别装在不同规格的圆桶内，桶内的核废料初始状态为液态， 需要使用遥控吊车将其放入存储仓库内待其冷却为固态后进行保存。废料固化桶放置在 厂房贮存区内固定栅格单元中进行贮存。起重机起升机构含吊钩和伸缩机械臂，日常的 主要操作是用伸缩机械臂起吊固化废料桶，以完成固化废料桶的坐标定位码放和吊出。 操作人员在控制室内使用控制台对吊车进行远距离操作，也可就地使用无线遥控器对吊 车进行操作。控制台设在厂房控制室，控制台上安装有触摸屏，操作人员通过控制台上 的操作杆、按钮、触摸屏等操作吊车运行。通过监视屏监视大车、小车的运行状态、抓 具抓取和释放的状态、废料桶的码放等。人机界面的触摸屏采用面板式工控机p c 5 7 7 ， 安装在控制台内，完成对所有废料桶的记录存档和管理，并可根据桶号进行信息查询。 操作界面能够形象显示吊车x 、y 、z 方向的坐标位置及目标区域的当前状态，包括目 标位置、物品堆放画面、每个区域的堆放数量，在吊车故障时能够突出显示故障位置和 故障信息。操作台距离吊车最远距离约1 5 0m ，控制系统通过现场总线驱动吊车电机自 动运行，吊车的定位误差不能超过5m m 。 本文重点讨论核电吊车的自动运行，控制系统通过变频器驱动电机运行控制吊车的 精确定位，借助安装在操作柜上的按钮和h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 控制吊车的自 动运行。文章旨在提供一种面向精度要求的可行的解决方案。从现场测量的结果来看， 精度可控制在2m r f l 以内，不存在累积误差，可以满足大多数空间精确定位的需求，具 有广泛的适用性。 1 4 论文研究的主要内容 本文主要研究面向项目需求的一种可行的解决方案，侧重于控制系统的设计和实 现，对于硬件安装、电缆走线、安全保护及故障报警不做过多说明。针对项目特点，吊 车控制系统采用闭环控制方式，通过编码器对电机进行有测速机的速度控制，在电机速 3 第一章绪论 度稳定的基础上实现两个大车电机的同步运行，结合数据库系统判断路径干扰并自动计 算运行路径，经过用户确认后，控制系统启动自动运行。其中逻辑控制、工艺流程通过 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 实现，电机矢量驱动通过西门子矢量变频器 s i m o v e r tm a s t e r d r i v e s 实现，通信部分采用p r o f i b u s d p 现场总线。论文结构大 体如下： 第一章介绍桥式起重机的当前发展状况及电气传动技术的发展概况，对论文课题的 项目背景进行简单介绍，并对论文的结构进行大体安排。 第二章根据项目特点讨论论文的研究课题，并针对项目需求给出课题的解决方案， 对论文研究的核心问题及关键技术进行分析，重点讨论变频器的矢量控制模型、大车同 步控制策略、吊车自动运行问题。 第三章在完成电机驱动的基础上实现大车两电机的同步。介绍了s t e p7 中一种模 块化的v c ( v e c t o rc o n t r 0 1 ) 驱动程序，根据现场实际概况讨论电机同步的软件设计流程， 重点分析大车两电机的速度同步控制，并给出同步控制程序。 第四章讨论吊车系统的自动定位。首先分别设计大车、小车、提升自动定位程序； 然后综合分析吊车的自动运行，画出自动运行的控制流程图，借助数据库系统以步序的 形式分段实现自动运行；最后给出自动运行的程序实现。 第五章根据核电吊车的工艺流程，进行了系统方案的设计，对器件产品的选型进行 了简要介绍。并依据方案设计进行了系统实现。 第六章结合项目调试中遇到的实际问题，重点分析螺距补偿和路径显示。螺距补偿 根据精度测量的结果对电机误差进行有针对性地补偿以提高定位精度，论文将在本章中 给出螺距补偿算法；路径显示针对软件特性，在画面中插入线段，通过脚本文件动态排 列线段完成路径显示。 4 长安大学硕士学位论文 第二章技术分析 通过第一章的介绍我们可以发现，传统的桥式起重机存在控制工艺缺陷，已经不能 够满足高水平的控制要求。此外，核电吊车由于其应用的特殊性对控制系统提出了更高 的要求，现场手动按钮式的操作无论从安全性还是精确性都无法达到满意的效果。针对 目前的技术困境，论文将在本章中详细分析核电吊车的机械架构和应用特性，并提出相 应的解决方案。 为了保证方案实施的可行性，本章将对系统设计的核心问题和关键技术进行理论分 析，重点讨论大车同步的控制策略和吊车自动运行的步序流程，并分别设计它们的程序 流程图，具体的程序实现我们将在后续章节中进行讨论。 2 1 论文研究课题 本课题研究的核电吊车是电动双梁桥式起重机，该核电吊车由起重小车、桥架金属 结构、桥架运行机构以及电气控制设备等四个部分组成。在电气控制系统中，其供电通 过电缆滑车将电源输送到中心电器上，起重机机为低压供电系统，电气控制部分集中在 操作室和电气房内，安全保护装置装在在适当的位置上。操作人员可在操作室内对吊车 进行远程控制。 ， i一 气酪 、。i釉i 【j ，湔犏 一亭 ； l 多 - 、 励 i = 一仆眭 阡辩僦 0 i 一m i 陆蔓 一 |l。乃怂4 世悄田f口 一 l i |多 b 止 n n l l l i 一 j l艇b | l i l l 00 i 1 j | ! l 】【i i i l i，】。剁珏l 鼍 i 翻i i 一， l 【l i l：i l l l l l 11i h 丌i i d i l 一 i雌 i，l i i l。i i l hr 一 ， 孑 八 避 l 洲l妇一 r f ， 彩 - 。叭扩 攀曲k 。 卜皿u t e 一 佃。 。 臀s2 1 i ， 甲 ；，u i d 吐j 孤i 图2 1 核电吊车机械结构示意图 核电吊车的机械结构如图2 1 所示。运行机构的作用是使吊车运行部分作来回运动， 5 第二章技术分析 以达到在水平面内运移货物的目的。大车桥架由两根箱型截面的主梁和端梁构成，大车 端梁上安装有大车运行机构电机、驱动车轮等，用两台电机同步驱动；小车在安装于两 根大车主梁上的轨道上运行，可沿垂直于大车轨道的方向行走，用一台电机驱动。小车 架上安装有起升机构，起升机构用来实现废料桶的升降，它由驱动装置、钢丝绳卷绕系 统和取物装置三部分组成。此外，根据工作需要还可以装设各种辅助装置，如高度限位 器，超载限位器等。起升机构安装在小车上，通过一台卷扬机控制吊钩的升降，用一台 电机驱动，吊钩与起升机构间除了纲绳连接之外还使用伸缩套筒连接，以防止吊钩的晃 动。抓具安装在吊钩上，为机械自动抓具，利用吊钩的上下移动实现抓具的自动抓放。 由于应用需求及现场工况的特殊性，该项目的特点在于： 1 ) 安全：安全的重点在于对机械故障的及时处理以及电机故障的报警和复位。机 械故障如溜钩、断绳、叠绕等现象如果在吊车的运行过程中发生后得不到及时的处理， 将有可能造成重大的生产事故。此外，吊车系统的运行状态如主回路断路器、限位开关、 行程开关、末级检测、负载信息、变频器的状态等信号也需要实时显示、处理，尤其是 对于变频器的报警复位。 2 ) 远程：由于应用环境的危害性，操作人员无法在近距离内对吊车进行控制。根 据现场的安装情况进行判断，操作台与吊车的最远直线距离可达1 5 0 米左右。吊车的控 制电缆及动力电缆均通过滑车与操作柜相连。 3 ) 精确：根据项目要求，吊车运行的定位精度 _ 2n l n l ，重复定位误差 5 0 放大器的放大系数；u b 为正反双向限幅器的限幅值，等 于变频器的最大输入变量v i n l n 敬；t o 为积分时间常数，等于变频器设定的加减速时间； k 2 为比例放大器的放大系数，k 2 = p m 戤肘b ，其中p m 戤为变频器输入的最大设定频率。 将上述变频器的等效模型整理后，可得到简化后的传递函数： g 。：，_ ( 2 1 1 ) 。 2 ；s + l 其中，t v 为平均控制滞后时间，等于o 6 t ，f 为变频器的加减速时间。 通过上述分析，本节完成了对变频器异步电机系统的数学模型，系统数学模型是 对系统本质的描述。实际上，异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，变 频器也是一个复杂的系统。但是，为了系统仿真的需要，本节对它们做了工程上的等效 处理，建立了变频调速的简化模型。 1 1 第二章技术分析 2 3 大车同步控制 同步传动通常指的是以各类电动机为动力的传动装置与系统，它通常分为两种形 式：无轴同步传动系统和共轴同步传动系统。具体定义如下： 共轴传动在机械传动过程中动力来源于同一电动机驱动的机械长轴，通过齿轮等传 动机构把运动和功率传递到这些机组，除此之外这些机组之间没有直接的传动关系。它 的优点是同步性好，机组得到的运动和功率比较平衡。但是，共轴传动也存在一些弊端： 结构复杂，在传动过程中会积累大量误差，无法避免的就是在传动过程中大大地影响了 机械的控制精度，无法满足现代电气传动的要求，在某些应用领域正逐步被无轴传动方 式所代替。 无轴传动是指在电气传动关系中，没有主电动机及传动主轴的构件，也就是说可以 用多个电动机分别向各主要机组传递动力的方式，它是传动方式的一大革新。其优点是 可以简化传动装置，省去了传动机构，结构简单，运转平稳，适合于高速运转，而且操 作方便，节省时间。但是无轴传动技术对电源的品质要求较高，不仅与电压电流有关， 还与谐波等许多因素有关。 要实现无轴传动的同步，需要对系统进行控制。在实际中，由于系统本身的复杂性， 使得影响系统同步的因素很多。从机械方面考虑，机械系统加到各电动机的负载不同， 这会引起电机不同步。从电机方面看，电源的波动，由于环境湿度和温度的变化引起的 电动机参数的变化等等，都将可能引起系统中电机运转的不同步。因此，要使系统中多 个电动机能够按照要求的同步性能指标运行，就必须采取适当的同步控制策略，以克服 系统中的干扰因素和不确定性因素。利用交流变频调速技术实现无轴传动已成为目前公 认的主要控制方法。 大多数采取的独立电机同步驱动系统中各电机的速度大小、负荷大小都是相对独立 的，不会产生耦合，各个闭环回路中控制器的控制规律和控制参数也按照常规单闭环速 度控制系统设计考虑。但是，作为多电机同步控制系统，不会仅是多个单闭环控制回路 的简单组合。控制系统应对不同电机的反馈转速进行同步检测，并针对存在的速度差确 定同步补偿量进行补偿控制。实际系统中，同步补偿器可首先根据多台驱动电机的工艺 允许转速差确定同步工作带，当不同电机的转速差落在工作带内，认为系统正常同步， 否则进行同步补偿调整，在系统严重不同步时还应控制电机停车并发出系统报警，保证 电机的运行安全。 1 2 长安大学硕士学位论文 论文课题所研究的核电吊车跨度约2 7m ，在大车两端各安装有一个7 5k w 变频器 驱动的电机。因此，大车两电机的同步属于无轴传动，即在没有机械主轴的情况下，实 现大车两电机的位置和速度的双同步。 位置同步与速度同步的的关系可归纳为，位置是速度的积分，同步控制所关心的位 置差也是速度差的积分： ，：，一d o ：塑 ( 2 1 2 ) ，= ，= 一 l 么j 么夕 破也 根据两电机的速度可以发现： 讹) = 掣 v 2 ( t ) = _ d s 2 厂( t ) a v ( t ) = 喇一v 2 ( f ) = d s l ( 丁t ) - d s 2 ( t ) ( 2 1 3 ) 式中v 。( t ) 、v ：( t ) 一t 时刻大车1 # 电机、大车2 # 电机的速度； s 。( t ) 、s ：( t ) 一t 时刻大车1 # 电机、大车2 # 电机的位置； 由式( 2 1 2 ) 可以看出，系统稳态运行的情况下，当速度完全同步时，位置也是同 步的，即速度同步与位置同步是一致的。但是在动态过程中却不尽然，一旦大车两电机 出现不同的负载扰动或其他不稳定因素，系统在位置或速度上就必然出现不同步。假设 同步系统出现了位置差，比较可行的办法是通过调整速度以减少位置差值，但是这势必 引起两电机速度的差异，导致电机速度不同步；同样，调整速度差时也会引起位置的不 同步。由此可见，无轴传动中速度同步和位置同步在稳态时存在协调关系，但是动态过 程中的调节作用却是相互制约的，所以大车两电机的同步需要采取适当的控制策略。 大车同步偏差由两部分组成，一部分是固有偏差，另一部分是动态偏差1 2 6 。固有偏 差包括系统齿轮轮径、变速箱减速比、齿条螺距等工艺上的误差，以及摩擦阻力所造成 的误差，这些误差必然带来两台大车位置上的误差。而动态误差则是由于电源品质的波 动、噪声信号的干扰带来的两台电机的实际速度与设定速度之间的偏差，这些偏差也将 最终影响大车的位置，除此之外大车1 撑与大车2 撑的初始位置也有可能存在偏差。 固有偏差由于工艺的原因不可避免，我们能够做的只是尽量减少这种误差带来的影 响。调节编码器齿数是一种减小固有误差的比较有效的方法。多次行走较长位移，测量 电机绝对值编码器的相对位移，计算二者的修正因子。用计算所得的修正因子与原编码 器齿数相乘得到新的编码器齿数，以此来减小固有偏差带来的影响。 对于动态偏差，论文采用基于参考模型的主从控制p i d 位移偏差补偿控制原理对其 1 3 第二章技术分析 进行补偿。p i d 控制系统具有简单的控制结构，在实际应用中易于整定，在工业过程控 制中有着广泛的应用，其传递函数为 g ( s ) = 巧( 1 + 去+ s ) = k p + r , s + 髟s ( 2 1 4 ) 其中，k 、k 。、l ( d 为p i d 控制器的3 个调节因子。 基于参考模型的p i d 补偿器主从式控制结构的变频调速系统，其原理是差速负反馈 原理。差速负反馈是将大车两个电机之间的速度差信号，通过线性放大、积分、微分、 一阶惯性组合后进行反馈调节，送到变频调速控制系统中每个电机变频器的输入端，通 过微调两个电机的频率从而迅速微调电机转速，实现两个电机速度同步的目的。这种差 速反馈的原理是“以差消差 ，只要两个电机的速度不同，差速负反馈就起作用，直到 电机运行同步。要保证大车两电机位移同步，根据式( 2 1 2 ) 可知，在速度后面加一个 积分便可以得到位移。 基于参考模型的主从控制p i d 位移偏差补偿控制器算法的结构图如图2 5 所示。其 中，g m ( s ) 为变频器异步电机的参考模型，c l 为输入给定p i 调节器，c 2 、c 2 l 为差速补 偿控制器。根据p i d 控制规则，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用减少偏差，但 不能消除稳态误差。微分环节用于消除静态误差，提高系统的无差度，积分作用的强弱 取决于积分时间常数t i ，t i 越大积分作用越弱。微分环节能够反映偏差的趋势，并能在 偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个早期修正信号，减小了调节时间。微分环节 的引入，改善了系统的动态特性，但微分环节对于高频干扰特别敏感。为了克服这个缺 点，通常情况下，都在微分项之前加入惯性环节l ( t f s + 1 ) ，成为不完全微分。不完全微 分的连续p i d 的传递函数为： p i d ( d = 即+ 去+ 嚣) ( 2 1 5 ) 根据图2 6 所示，我们可以得到如下关系式： e ，( s ) = 朋( s ) 一( s ) ( 2 1 6 ) 肘( j ) = g 历( j ) r ( s ) ，= 篙笋 1 4 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 长安大学硕士学位论文 c 2 ：生些坠攀 ( 2 1 9 ) ”7 乃2 s ( t s + 1 ) 根据图2 5 可知，e f ( s ) 对输入r ( s ) 和负载扰动t l ( s ) 的传递函数的特征方程为： 脚1 + 赫啪) + 备啪) = o ( 2 2 。) 由式( 2 2 0 ) 可知，只要设计c 2 ( s ) 使得d ( s ) = 0 有稳定的根，则e f ( t ) 有稳定的输出。 令t n = t ，r ( s ) 为阶跃输入，t l ( s ) 为阶跃扰动，则有： 删：鱼，瓦( s ) ：鱼 = 蛳哆( s ) = a ! m 9 0gi,(s广)-1ickr 显然，当觋g 。( s ) = 1 a 时( a 为对象特性参数) ，e y ( t ) 的稳态值为零，与负载扰 动无关。因此我们可以得出结论：当加有p i d 补偿时，能够消除扰动，电机转速输出与 扰动无关瞰】。 图2 5 基于参考模型p i d 位移补偿的结构图 1 5 第二章技术分析 位移偏差补偿控制器在速度同步的基础上多加了一个位移补偿器s y n ，为一个p i 调节器，用以消除位移偏差。通过对比两个电机的位移偏差差，将位移偏差反馈到从动 电机部分，达到两个电机的位置同步，在整个控制过程中采取的都是独立的子系统，没 有共轴的情况，更利于速度的调节以及抗干扰。通过积分环节在速度同步协调运动的基 础上完成对位置同步。 曩一嘲l 盈龋。鳓黧鞠暖疆一曩_ o。“黼 o _ _ 一“一。隧。 一 一豳一1 盈i8 圈“ * 目 !； ! ； ；l 目 l 氍臻疆 i 鞠l目 一- 催董_ i ： i ： + ： 。 1 一 ：- 。 ， 臻i目l ； ； ； ；： 一i ： ： i ： ： ： ： ： l ； i 鳓l舅l 罐 j j j j ； ：。：。1 溺 溺爱 曩 鞠豳l 豳隧l i；i；ii；i；雪 疆嘲 缓鞠黼隧麓豳圈糊豳豳豳翻豳麓瀚籀缀磁豳豳豳瞄辫豳隧豳搦翻缓鞠嘲豳豳豳嘲豳ol8 一 图2 6 基于参考模型补偿后的位移偏差 根据图2 6 所示的仿真结果可以看出，经过控制器补偿，两个电机的位移偏差趋近 于零。通过多次的仿真分析证明，位移偏差补偿控制器能够完成无轴传动情况下两个电 机的位置同步。本次控制系统根据位移偏差补偿控制器的原理，采用图2 7 所示的控制 方式。具体的办法是，大车1 撑按照给定的速度进行调节，不对其进行位置控制。通过编 码器读取大车两电机的位置，并计算两台大车的位置偏差，根据位置偏差实时调整大车 2 捍的速度值，使得大车2 群实时跟踪大车1 撑的位置，通过速度同步达到位置同步，最终 达到大车两电机速度和位置的双同步。 速度给定值v + 变频器l 卜一叫大车1 撑卜1 积分 速度附加值a v 速度调节 位置偏差值s 变频器2 卜- - 叫大车硝卜叫积分 图2 7 大车同步控制模型 1 6 位置值s l 丁 位置值s 2 长安大学硕士学位论文 综合同步误差分析，我们可以得出以下结论： ( 1 ) 对于固有偏差，可以通过计算修正因子，更改编码器的齿轮齿数减少由于生 产工艺误差带来的影响。绝对值编码器安装在电机轴侧的齿轮上并随电机齿轮同步转 动，电机齿轮沿齿条行走。因此修改编码器转过圈所对应的齿轮齿数直接影响编码器 的位置值。绝对值编码器的位置测量如式( 2 2 1 ) 所示。 肋2 器嗍l ( 2 2 1 ) 其中，p 0 s e i l 。o d c r 表示电机绝对值编码器的位置值，n p 妇表示编码器的脉冲数，n 锄 表示编码器齿轮齿数，l 表示齿条齿距。绝对值编码器采用2 5 位格式，前1 2 位代表匝 数，后1 3 位代表点数，8 1 9 2 为该绝对值编码器的单匝脉冲数。 ( 2 ) 对于动态偏差，系统通过计算位置偏差实时调整大车2 # 电机的速度值，从而 控制大车两电机的位置同步。同步控制程序通过f c ( f u n c t i o n ) 来实现，控制流程如图2 8 所示。 大车上电使能 输入大车1 髓度值 计算两车位置偏差 计算速度增量厶矿 调整大车翻速度值 速度设定值限制 大车确蠹度值输出 图2 8 大车同步控制流程 1 7 第二章技术分析 2 4 吊车自动运行 程序设计大体遵照生产工艺流程，自动运行模仿手动操作过程的系统动作，根据需 要走完整个流程。对于自动运行中发生的故障和暂停，为安全起见，均需要操作人员确 认。吊车在自动运行过程中每一步走完后都会自动暂停等待操作人员的确认，为简单起 见，我们对此不作分析。系统程序设计流程如图2 9 所示。 论文重点讨论电机的自动运行，对手动操作和点动运行暂不作考虑。因此操作模式 仅有自动定位和自动运行可供选择。控制电源上电使能后p l c 读取控制手柄的输入作 为相应运动机构的运行速度，编码器位置值反映吊车各运行机构的实时位置。模式选择 通过操作台上的旋钮开关来实现。 电机自动定位通过操作屏阳分别输入大车、小车、提升的目标位置，电机的控 制选择由另外一个旋钮开关进行选择。为保证同一时刻吊车仅能在一个方向上运动，控 制选择开关互锁，因此吊车运行时始终只有一种电机在运行。大车运行时由安装在桥架 两端的两个电机驱动，所以大车运行必须考虑这两个电机的同步问题。 吊车自动运行以自动定位为基础，不同点在于自动运行模式能够根据操作人员输入 的区域位置自动计算目标位置并生成运行路径，在运行路径生成以后p l c 会对操作员 输入的存储区域位置进行合法性检查，只有当日标位置有效时电机才能够启动自动运 行。 吊车的运行路径仅对存储区域的水平方向有效，它由小于等于2 0 的若干个拐点组 成，坐标位置为绝对值，格式如( x ，y ) 。由于吊车限定运行方向唯一，当两个拐点的 坐标值均存在偏移时，系统将首先运行x 方向，然后运行y 方向。对于提升机构抓具 存取操作的目标位置，系统将根据目标位置( 区、行、列、层) 的层数进行计算。 控制系统需要记录存放物品的入库、出库信息，存储区域的区域信息及当前的存储 状态保存在类似数据库的机构中，吊车自动运行时必须能够躲过已存储区域以避免发生 碰撞。自动运行操作完成时能够根据相应的堆、卸操作更改入库、出库信息，以备下次 调用。 吊车自动运行完成后可根据操作人员的需要运动到下一目标位置，或回到吊车初始 位置即区域装卸口位置。 1 8 长安大学硕士学位论文 图2 9自动运行的程序设计流程图 1 9 第二章技术分析 2 5 本章小结 针对项目特点及研究课题，本章进行了核心问题及关键技术的分析，并始终将安全、 远程、精确、同步、自动的项目特点作为课题研究的出发点。本章根据绪论中核电吊车 技术现状的分析进行吊车控制系统的技术分析，其中包括系统的硬件架构和系统的软件 设计。 系统硬件的设计方案着眼于安全、远程、精确。简要来讲，控制系统采用冗余结构 保证吊车的安全运行，使用中继器扩展p r o f i b u s 的通信距离，引入矢量调频技术、双编 码器系统提高吊车运行精度。变频调速模型小节对矢量变频系统进行了详细分析，简要 介绍了矢量控制的基本思想，建立了异步电机的数学模型及m t 坐标系的转子磁通模 型，应用矢量变换通过对定子电流跟踪给定值的控制实现了电机转速的控制，从而实现 了高性能的异步电机变频调速矢量控制系统。 系统软件的设计主要讨论大车的同步控制策略及吊车的自动运行流程。本章首先对 大车的同步误差进行了详细分析，然后综合分析结论及现场安装分别就固有偏差、动态 偏差给出了相应的调整措施。尤其对于大车同步的动态偏差，本章结合v c 矢量变频器 的电机驱动过程给出了大车同步控制流程图。关于吊车的自动运行，论文根据生产工艺、 操作流程简单介绍了吊车的自动定位过程，自动运行以自动定位为基础，在运行路径生 成后通过自动定位分段实现，并对入库、出库信息进行记录，论文根据自动定位、自动 运行的控制过程给出了自动运行的程序设计流程图。总之，本章完成了吊车控制系统的 整体设计，确定了大车同步控制及吊车自动运行的设计流程，我们将在第三章、第四章 分别就同步控制、自动运行重点进行程序设计。 长安大学硕士学位论文 第三章同步控制的技术实现 大车电机的同步控制是吊车运行的必要前提，在本次项目中如果同步问题得不到很 好地解决，很容易出现吊车驱动轮卡死的情况，这会增大吊车运行的阻力，从而引起定 位精度的下降，同时将在吊车的运行过程中产生刺耳的噪声，甚至对吊车自身的机械结 构造成很大的损伤。 在第二章对同步控制策略综合分析的基础上，论文将在本章中针对v c 矢量变频器 的电机驱动过程，按照大车同步控制流程图，结合s t e p7 编程详细分析同步控制的程 序设计过程。 3 1v c 矢量变频器 西门子m a s t e r d r i v e s6 e s 7 0 系列变频器是一种电压型矢量变量调速系统。它是 一种硬件可以自由配置，软件编程模块化的控制系统，可以根据不同的应用场合和不同 的控制要求，选择不同的硬件模板。变频器利用多处理器能高速完成复杂运算、开环和 闭环的控制、通讯等任务，保证生产过程参数的控制精度和静态、动态的控制最优化。 其动态响应不低于0 2 5 ，静态精度不低于0 0 1 ，可以满足控制系统的要求。矢量变 频器的原理如图3 1 所示。 厂一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 图3 1v c 矢量变频器的原理框图 在图3 1 中，电网供给的三相交流电被整流，滤波后送到直流中间回路的电容器上。 2 1 第三章同步控制的技术实现 逆变器由中间回路直流电压利用脉冲宽度调制方法( p w m ) 生成一个可变输出频率。 其输出频率由0h z 至最大6 0 0h z 。内部的2 4v 直流电压通过一个来自直流中间回路的 集成供电单元供电。装置由内部闭环电子线路控制，功能由装置软件提供。可通过操作 控制面板p m u ，舒适性操作控制面板o p l s ，端子排或通过总线系统的串行接口进行操 作控制。为此，该装置备有若干接口和用于选件板的6 个插槽。脉冲编码器和模拟测速 机可用作电机的编码器。 变频器控制系统的控制单元选择c u v c 矢量控制控制单元，闭环矢量控制适用于高 动态性能传动系统，分为无测速机的速度控制( f 控制) 、有测速机的速度控制( n 控制) 和转矩控制( t 控制) 。闭环矢量控制能做到精确的推断和调节转矩电流分量和磁通电 流分量，其调节频率为2 5k h z 。根据控制系统的要求，我们选用有测速机的速度控制 ( n 控制) ，这样能在较低转速时有较高的动态特性和高转速精度。 变频器可通过c b p 2 通讯板连接到p r o f i b u s d p 总线系统，c b p 2 通讯板又称为 p r o f i b u s 通讯板，通过9 孔s u b d 型插头连接器连接到p r o f i b u s d p 总线系统。该 r s 4 8 5 接口的所有连接是防短路、并电位隔离的。c b p 2 通讯板所支持的波特率从 9 6 k b p s 到1 2 m b p s 。其主要功能有： ( 1 ) 自动接收定义在主站的有用数据结构，与主站交换有用数据。最多可达到1 6 个过程数据字。 ( 2 ) 支持主、从站同步，以及从站之间直接数据交换的交叉通讯。 ( 3 ) 非周期通讯通道与s i m a t i cs 7 c p u 传输参数，其长度可达1 0 1 个字。 ( 4 ) 监视总线接口。 s 7 3 0 0 与v c 矢量变频器进行的数据交换( p k w 和p z d 的读写操作) ，都是经过 c b p 2 通讯板来实现的。在本次项目中，我们使用p r o f i b u s d p 协议将s 7 3 0 0 与v c 矢 量变频器的c b p 2 通讯板进行连接。 在变频器使用前，需要通过调试软件d r i v e m o n i t o r 对变频器的参数进行设置【2 4 ，2 5 1 。 为了能够将安装有调试软件d r i v e m o n i t o r 的p c 与变频器的c b p 2 进行连接，我们首先 需要对变频器在p r o f i b u s d p 中的站点地址进行设置。变频器的站点地址可通过操作面 板修改参数p 9 1 8 进行设置。本次项目中提升驱动、小车驱动、大车1 群驱动、大车2 群 驱动的站点地址依次设置为1 0 、1 1 、1 2 、1 3 。站点地址设置完成后，设置p c p g 接口 为p r o f i b u s d p 可将p c 与变频器进行连接。 长安大学硕士学位论文 3 2v c 驱动程序设计 3 2 1 项目硬件组态 在s t e p7 中创建项目后，首先需要对系统进行硬件组态。硬件组态是工程设计人 员根据应用对象和控制任务的要求，配置系统硬件的过程。组态的内容主要包括总线参 数、电缆长度、中继器个数、站点类型、各站的参数信息、组态信息等。s t e p7 对系 统的硬件组态，分为主站组态、从站组态和网络组态三个部分。 ( 1 ) 主站组态 n 啊一。- - 川一一川- _ 霸髓_ 疆黧疆鳃爨嚣鏊嚣露蒸蘩藜蒜餐l 器魏蠹；l 一= i b l _ 嚷t a t io nz d i tl n s e r t 酗y i e wq p t i o n s 曼i n d o vhelpjj创圈 jd 侈暑一- 嗣瓢 国嘞氆溺函翻勘日j 甓 蜉 。| 。 | ，。0 皇i 盈 j t c 竺l l t t l m m 一 l q - i , d ：寥! 。一i 堂幽 1 2 囝c f u3 1 5 2b i 曼r o f 。i lj s t a n d u d- _ j