（机械设计及理论专业论文）超大型构件的结构刚度对于液压同步整体提升系统影响的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o l u l l ii i ii i i l ui i i ii i i i i i i l l l y 18 115 0 2 保密2 年 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fp h i l o s o p h y t h er e s e a r c ho ft h ei n f l u e n c eb yl a r g e s c a l es t r u c t ur e ss t i 仟n e s st ot h e h y d r a u l i ci n t e g r a ll i f t i n gs y s t e m s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ： m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y c a n d i d a t e ：f uc h e n s u p e r v i s o r ：p r o f y o n g m i n g bi a n m a r c h ，2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：下蠹f 争 湘g 年弓只 宫日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：陴嘻 p s 年j 卧害e t 摘要 摘要 随着我国现代化建设的加快，各大城市纷纷兴建各种大跨度空间结构建筑， 例如机库、体育馆、剧院等，而这类大型结构的安装也越来越多的采用了液压同 步整体提升技术，它通常采用柔性钢绞线承重、液压提升器集群、计算机控制同 步的方式，已经在多项标志性建筑中成功应用。大型结构的整体提升工程是一个 综合了机械、电子、液压和控制理论的复杂大系统，如何对其进行有效控制，以 保证工程的安全性、可靠性和经济性，就成了一个迫在眉睫的课题。 对于大系统控制，就需要用到大系统控制理论。大系统具有两个基本特征： 递阶结构和分散控制。递阶结构实质上是把大系统在结构上分为不同的层次，下 层子系统需要上层系统的协调器进行协调。对液压整体提升系统而言，从提升结 构到液压泵站是下层系统，主控柜是上层协调器，而主控柜中的整体提升策略则 是协调提升结构耦合的协调策略；分散控制实质上是在空间上把跨度较大的综合 性系统分为相对独立的子系统，对于液压整体提升系统而言，每个吊点处的机电 设备就构成了一个相对独立的子系统。两者综合起来可以得到一个分散控制的多 层的大系统，而解决这个系统的关键在于找到和处理关键耦合量。 在整体提升工程中，提升结构各吊点间的相对刚度就是这个关键量，必须对 它进行分析。通过建立一个简单的四吊点力学模型，线性推导耦合量的作用方式 和作用效果，可以得到吊点间相对刚度的大小与结构力的正比关系。再结合液压 整体提升的实际情况，得出在相对刚度较大的时候采用载荷同步控制策略，在相 对刚度较小的时候采用位置同步控制策略这样一个理论性结论。利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件对其结构化建模并仿真，以验证理论。最后再以实际的国 家数字图书馆钢结构屋顶的提升工程为例，证明了这种处理结构刚度与控制策略 之间关系的方法是完全可行的。 关键词：液压整体提升大系统理论递阶结构分散控制相对刚度 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p i n go fm o d e r n i z a t i o n , l o t so fw i d es p a na n dl a r g es p a c e c o n t r a c t u r e s ，s u c ha sa i r p o r t s ，s t a d i u m sa n dt h e a t r e s ，h a v eb e e nb u i l ti nb i gc i t i e s i n t h ea s s e m b l i n gp r o c e s so ft h e s ec o n s t r u c t i o n s ，h y d r a u l i cs y n c h r o n i z i n gi n t e g r a ll i f t i n g t e c h n o l o g yh a sb e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y t h i sa s s e m b l i n gt e c h n o l o g yi s k n o w na s “s u p p o r t e db yf l e x i b l es t e e lc a b l e so rr i g i dc y l i n d e r s ，l i f t e db yh y d r a u l i c j a c kg r o u p s ，a n ds y n c h r o n i z e db yc o m p u t e r s t h i st e c h n o l o g yi sac o m p l e xl a r g e s y s t e mc o n t a i n e d 谢t l lm e c h a n i c ，e l e c t r i c ，h y d r a u l i ca n dc o n t r o lt h e o r y t oc o n t r o li t p r e c i s e l ya n d e n s u r et h es a f e t y , r e l i a b i l i t ya n de c o n o m yi sav i t a ls u b j e c t l a r g es c a l es y s t e mt h e o r yh a sb e e nu s e di nt h i sp a p e r h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ea n d d e c e n t r a l i z e dc o n t r o li st h eb a s ec h a r a c t e ro fl a r g es c a l es y s t e m ，h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e m e a n sal a r g es c a l es y s t e mc a nb ed e s c r i b e da sd i f f e r e n tl e v e l s ，a n dl o w e rl e v e ls h o u l d b ec o o r d i n a t e db yt h ec o o r d i n a t o ri nu p p e rl e v e l i nl i f t i n gs y s t e m ，c o n t r a c t u r ea n d h y d r a u l i cd e v i c e sa r eb e l o n gt ol o w e rl e v e la n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yi nm a i nc o n t r o l d e v i c e si st h eu p p e rl e v e l d e c e n t r a l i z e dc o n t r o lm e a n si ns p a c ea l a r g es c a l es y s t e m c a l lb ed i v i d e di n t os e v e r a lc o n n e c t e ds u b s y s t e m s i nl i f t i n gs y s t e m ，t h ed e v i c e sa t e a c hs u s p e n s i o np o i n ti sas u b s y s t e m s ot h el i f t i n gs y s t e mc a nb er e s e a r c h e d 弱a m u l t i - l e v e ls y s t e ma n dc a nb ec o n t r o l l e dd e c e n t r a l i z e d ，a n dt h ec o u p l i n gp a r a m e t e ri s t h ek e yp o i n t i nl i f t i n gs y s t e m ，t h ek e yc o u p l i n gp a r a m e t e ri st h er e l a t i v es t i f f n e s sa m o n g s u s p e n s i o np o i n t s as i m p l e4 - p o i l l tm o d e li s b u i l ta n dd e d u c e dl i n e a r l y a sa c o n c l u s i o n , t h er e l a t i o nb e t w e e nr e l a t i v es t i f f n e s sa n dc o n s t r u c t i o nf o r c ec a nb e r e s e a r c h e d r e l a t e dt ot h ea c t u a lc o n d i t i o ni nl i f t i n gs y s t e m ，a sa s t r a t e g y , at h e o r e t i c a l c o n c l u s i o nc a nb eg a i n e d ，t h a tl o a ds y n c h r o n i z i n gw h e nt h er e l a t i v es t i f f n e s si s s i g n i f i c a n t , a n dp o s i t i o ns y n c h r o n i z i n gw h e nt h er e l a t i v es t i f f n e s si sn o ts i g n i f i c a n t a c c o r d i n gt ot h e4 一p o i n tm o d e l ，s i m u l a t e dt h er e s u l tu s em a t l a b s i m u l i n kt ov e r i f y t h et h e o r e t i c a lc o n c l u s i o n a tl a s t , as u c c e s s f u la p p l i c a t i o n , t h a tt h ei n t e g r a ll i f t i n g p r o j e c to ft h en a t i o n a ld i 西t a ll i b r a r y s 10 0 0 0 一t o ns t e e lc o n s t r u c t i o nr o o f , i su s e dt o v e r i f yt h i ss t r a t e g yi sa b s o l u t e l yf e a s i b l e k 吖w o r d s ：h y d r a u l i cs y n c h r o n i z i n gl i f t i n gt e c h n o l o g y , l a r g es c a l es y s t e m t h e o r y , h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e ，d e c e n t r a l i z e dc o n t r o l ，r e l a t i v es t i f f n e s s 目录 目录 第1 章引言1 1 1 工程背景1 1 2 液压整体提升技术概述3 1 3 问题的提出5 第2 章理论分析与提升系统数学模型8 2 1 大系统理论8 2 1 1 大系统理论概述8 2 1 2 递阶结构9 2 1 3 分散控制1 1 2 1 4 综合控制方法1 2 2 2 大系统理论在液压同步整体提升上的具体运用1 3 2 3 力学模型1 4 2 4 控制策略理论1 7 第3 章模型建立与m a t l a b 仿真1 9 3 1 开环传递函数模型建立1 9 3 2 结构模型建立2 1 3 3 控制策略和p i d 控制方法。2 3 3 3 1p i d 控制算法2 3 3 3 2 优化的吊点p i d 控制2 6 3 4 控制策略2 9 3 5 仿真参数确定3 0 3 6 位置同步策略仿真3 3 3 7 载荷同步策略仿真3 6 3 8 双目标同步策略仿真4 0 第4 章实际工程运用4 4 4 1 国图提升工程的控制系统平台4 4 4 1 1p c i 0 4 主控柜4 5 4 1 2 分散控制器m c u 4 5 i l l 目录 4 1 3c a n 现场总线4 7 4 1 4 实时操作系统4 9 4 2 控制策略5 0 第5 章结论与展望5 2 致谢5 5 参考文献5 6 附录a 国图整体提升工程概况5 8 个人简历6 2 i v 第1 章引言 1 1 工程背景 第1 章引言 国家图书馆二期，暨国家数字图书馆工程( 以下简称国图) 是华东建筑设计 研究院与德国k s p 建筑设计事务所合作设计的一个国家级工程项目。其工程位于 北京市海淀区中关村南大街3 3 号，总建筑面积7 9 8 9 9 一。该工程是国家“十五 规划的重点文化工程，建成后将成为世界上最大的中文文献信息收藏基地，同时 也将成为我国最大的外文文献收藏基地。 图1 1 北京国家数字图书馆的效果图 国图结构分为两个部分：1 、基座和地下室，由7 5 m 7 5 m 的钢筋混凝土柱 网组成：地下二层三层的框架梁、悬臂梁、柱采用型钢混凝土结构，四层屋 面采用巨型钢桁架结构体系，巨型桁架共有八榀，编号为h j 一1 、h j 一2 各有两榀， h j - 3 有四榀，支撑桁架编号为h j - 4 、h j 一5 ，加上数以千计的主次梁组成主体结 构的4 - 一5 层；2 、悬浮状的钢结构屋架，由两层高的巨型桁架和横向构件形成立 体的桁架体系，并由六个混凝土核心筒撑起( 图1 2 ) 。 巨型钢桁架结构坐落在混凝土结构的六个核心筒上，东西方向长1 0 5 8 7 8 m ， 南北方向宽11 5 0 6 4 m ，钢结构总重约1 2 0 0 0 t 。 第1 章引言 图1 2 国图钢结构屋架三维图 国图的巨型钢结构屋架采用“地面拼装，整体提升 的施工方案。该方案利 用结构体系中的6 个钢筋混凝土核心筒作为提升支撑及操作平台，屋架在地面支 撑桩上拼装成型，然后利用液压同步整体提升技术进行整体提升。整个提升工程 在同济大学与上海同新机电控制技术有限公司的共同努力下于2 0 0 6 年1 0 月顺利 完工，屋架提升总重量重达1 0 3 8 8 吨，创下同类整体提升的世界之最( 提升工程 概况见附录) 。 本工程中，主体钢结构地面就位拼装，形成稳定的结构体系后利用六个工程 本身的核心筒及四组辅助用门式钢格构架作为整体提升的承重体系。然后将钢结 构整体提升至设计标高以上8 0 0 m m ，待核心简钢骨柱施工完毕后，钢结构整体落 座。 表1 1 整体提升施工流程 人工挖孔桩施工，混凝土施工至+ l1 0 0 标高 i 布置混凝土拼装平台，钢屋架结构地面拼装 i 土方开挖，地下结构施工，核心筒部分优先 i 0 0 0 以上核心筒混凝土部分施t 至设计标高 1 钢结构提升至高于设计标高8 0 0 m m 处 1 安装顶部提升平台，提升设备调试 l 钢屋架结构回落就位，其他土建结构继续施工 i 空中散拼y 型支撑 i 钢骨柱施工至设计标高 2 第l 章引言 i 人工挖孔桂戈工混凝土柱麓工至+ 1 l o 嶙高处。布i 拼蓑平台 、璺 ，、罡r 萋委 i 、妻沙|耋7 j mc )。( i 、电in l fb 席li ilnp i h ：i1 一，ln inl or h h i h _ 一7 j f ，：一、： ：、日； s 棱心筲蠢工至设计标南，安装顶部提升铜平台提升设鲁调试 i 奎。、蠹j i萋 0萋 6 限 1i妻 l 飞i | | l 囊 b 席 li 。 6 h ，日j r ll| _ rh j _ ：j7 ，。，。 ：，、一i 、州 6 晨集结构提升至高干设计标高8 0 0 1 m 赴待钢量桂生工至设计标高 后空中散拼y 型支撑晨集结构回蓐兢位拆除中部临时支撑桩 4 鼍下结枸 工( 棱心部分优先) 7 刺余土建结构麓工刺余屋榘结构构件空中t 拼 图1 3 国图巨型钢结构屋架施工方粟 国图的整体提升工程有许多难点： l 、提升重量巨大。达到了1 0 3 8 8 吨； 2 、提升结构的面积也很大，达到了l l o m xl l o m ，面积约1 2 1 0 0 m 2 ； 3 、提升同步要求高，在提升过程中，各吊点之间的同步控制要求在l o m m 以内；同时，同一核心筒上各吊点的载荷要与理论计算基本一致： 4 、整体下放距离长，根据施工工艺，在结构就位前，需要将结构整体下放 8 0 0 m m 。整体提升是主动加载过程，整体下放是被动加载过程，一旦下 放同步控制不好，将造成某点的负载超载而引起结构破坏；因此整体下 放比整体提升难度大，危险性更高。 参与此项工程的同济大学和上海同新机电控制技术有限公司克服了这些困 难。在整体提升过程中用到了很多先进技术，最大限度了保证了提升工程的可靠 性和安全性。 1 2 液压整体提升技术概述 国图提升工程的钢结构体型巨大，单个杆件重量大，空中组拼难度较大，从 施工组织设计开始即考虑集群千斤顶液压整体提升技术( 以下简称整体提升技 第1 章引言 术) 。相比其它结构安装技术，计算机控制整体提升技术具有以下优点： 1 、提升的结构重量重，可达数万吨； 2 、提升结构的尺寸、面积和体积大； 3 、提升高度高，可达数百米； 4 、计算机控制，自动化程度高； 5 、安全、可靠，施工风险低； 6 、施工周期短，施工费用低。 集群千斤项液压整体提升技术多采用钢绞线悬挂承重、计算机同步控制、液 压千斤顶集群整体提升施工工艺，钢屋顶的整体提升是以集群的液压千斤顶为动 力设备，以钢绞线悬挂承重的。 整体提升系统由钢绞线及提升油缸集群组成的承重部件、液压泵站组成的驱 动部件、传感器及计算机组成的控制部件以及远程监控系统组成( 见附录) 。 钢绞线和提升油缸作为承重部件用于承受提升构件的重量，应根据提升重量 来选择和配置提升油缸的型号和数量。在本工程中采用了专门设计的通过严格质 量测试的3 5 0 吨和2 0 0 吨提升油缸( 附图a 5 ) 。 液压泵站作为提升驱动力的提供，其性能及可靠性对于整个系统的稳定有重 要意义。在工程中采用载荷同步的方法来调节泵站的供给，提高整个系统的同步 调节性能。液压泵站在选择时要满足提升油缸驱动数量的要求；满足提升速度的 要求；满足提升过程中同步调节性能的要求；满足控制模式的要求。在本工程中， 共使用了1 8 台流量为8 0 l m i n 的双泵、双比例阀和双路液压泵站，两路既能够 独立使用，也能够合并使用，提升速度可达3 - - 5 米小时( 附图a 6 ) 。 控制系统作为整个提升过程控制的关键因素，必须满足控制能力、控制精度、 和可靠性的要求。控制系统是由控制核心，传感器和控制策略等诸多因素组成。 在本工程中采用了先进的分布式控制系统，其核心是一台高可靠性的工业计算 机，采用实时操作系统，最大程度上减少了因为延时造成的控制波动。在各个节 点上有高可靠性的单片机子系统，用于执行分散控制和数据采集等功能。它们之 间的通讯采用c a n 现场总线技术，具有高波特率和高扩展性，性能良好。各种传 感器用于检测与提升相关的各种信号，如被提升结构件的水平度，提升的绝对和 相对高度，液压系统压力等。这些参数将会通过c a n 现场总线传输给计算机控制 系统，控制系统再根据预先设计好的控制策略来对执行机构和提升过程，以期得 到可靠而精确的提升过程。 4 第1 章引言 吊点高度信号 系统油压信号! 一一一 油缸和锚具的位置信号 “ 计算机控制系统 ) (油压传感器) -( 液压泵站系统( 电液比例控制) ) c j 薹叵 ( 二匦口 c 二蔓二 _ 、j r _ 弋 ( 提升高度传感器) ( 被提升结构 ) 、- _ 、- 1 3 问题的提出 在布置提升吊点的时候，应遵循两个原则： l 、所有提升油缸的合力点在节点中心； 2 、提升吊点的布置应该是整个结构刚度最大的地方。 根据本次提升钢结构的具体情况，整体提升系统共设置有2 8 个吊点，吊点 位置的分布如图1 5 所示，它们都集中在6 个核心筒周围。数字代表6 个混凝土 核心筒；字母代表了该核心筒周围的吊点位置。比如核心筒l 上的a 1 、b l 、c l 和d 1 就是核心筒1 周围的4 个吊点；h j 一1 、h j 一2 、h j 一3 、h j 一3 、h j 一2 和h j l 等表示钢结构屋架的桁架。 第1 章引言 6 3 一 门 图1 5 国图提升吊点平面布置图 在本次提升工程中，吊点数量多，空间分布散而远，在提升过程中各吊点位 移不可避免的存在不一致的情况即存在相对位移。而吊点间相对位移势必会对吊 点处载荷产生相应的变化，造成整个载荷在各吊点间重新分配，对被提升钢结构 屋架有着重要影响。由于提升结构相互耦合，吊点自身位移以及其它吊点位移都 会引起该吊点载荷的变化。而如何将各吊点载荷和吊点位移变化控制在允许范围 内，保证整个提升工程的安全，是要预先考虑并做出决策的。 所谓吊点载荷和吊点位移变化的控制，其实就是一个控制策略上的问题，很 显然，这是同一种控制策略下的两个控制目标，即载荷控制和位置控制。 载荷控制的目的很明确，就是要保证在提升过程中吊点位置的应力不会过大 而产生破坏，所以载荷控制的实际目的是控制在吊点处钢绞线上的拉力在一个可 以接受的范围内。进一步说，如前所述，提升力是通过液压系统实现的，因此这 个拉力实际上是以泵站上出油口测压点油压的形式来表现出来的。因此载荷的控 制实际上就是对液压系统压力的控制，可以由油压传感器来体现。在实际的国图 提升工程中，采用了德国进口的油压传感器作为测压工具，其精度在千分之五( 附 图h 8 ) 。计算机收集计算载荷分布情况，并采用先进的p i d 算法对载荷进行精确 控制。 位移控制的目标也很明确，就是要保证在提升过程之中钢结构各个吊点的位 6 第1 章引言 移差控制在一个可以接受的范围内而不会产生破坏。这是因为在提升过程之中， 随着吊点的提升位移不同，钢结构会发生变形，这个变形是瞬态而不可测的，因 此它会在钢结构内部产生不可测应力。为了保证这种应力不会大到破坏结构，在 提升过程中应该尽量满足提升速度一致，也就是说要保证位移的同步；同时为了 满足安装精度等方面的要求，也必须保证位置同步。提升位置的测量可以由位移 传感器来体现。 在实际的国图提升工程中，由于整体提升技术并非是个连续的过程，因此需 要两种不同的传感器来检测提升位移。在各个油缸上装有高精度的油缸行程传感 器，测量误差在0 2 5 r a m 之内，用于测量油缸在一个行程中各个吊点的位移( 附 图a 7 ) 。同时还设置了长距离传感器，测量行程达到2 0 m ，用于测量钢结构提升 空间的位置( 附图a 9 ) 。计算机实际的调节过程是根据整个钢结构在提升过程中 各吊点的位置情况，根据相应的控制要求进行分析，然后对液压泵站的排量进行 调节，从而调整油缸的提升速度，最终实现对吊点位移的调节。 因此，在提升过程中，既要保证载荷同步以保证吊点处不会因为应力过大而 破坏，又要实现位置同步以保证提升速度一致保证安装精度和钢结构其他部分不 会因为应力过大而破坏。液压整体提升的控制系统其控制策略就是以这两个同步 为目标的。 图1 6 双同步目标示意图 为了进一步说明控制策略，本文将在以后几章从力学理论上对此进行更深入 的分析，然后通过m a t l a b 软件中的s i m u li n k 模块仿真加以验证，最后再从国图 提升的实例上说明这种双控制策略的重要意义。 7 第2 章理论分析与提升系统数学模型 第2 章理论分析与提升系统数学模型 2 1 大系统理论 为了解决前章提出的问题，找到适合大型结构整体提升中控制策略，本章 将对此进行理论研究并建立数学模型。 升工程实际上是一个综合了力学系统、 系统。综合的看，这个系统高度复杂， 用大系统控制理论去研究和分析。 2 1 1 大系统理论概述 从提升系统的描述中可以看到，整个提 液压系统、电控系统以及控制理论的大 维数大，而且随机性比较多。因此需要 对大系统控制的研究是目前国内外控制理论研究的热点之一，这是因为小 生产和项目规划，大到人类社会和自然环境，都可以归结到大系统这个 来。然而目前并没有公认的对大系统的定义。一种观点认为：如果一个 以解耦，即可以分解为许多关联的子系统，那么这样一个系统就可以称 系统( h oa n dm i t t e r ，1 9 7 6 ) ；另一种观点认为，所谓大系统就是这样 统，它的维数非常大，以至于常规的建模、分析、控制、设计和计算方 不能通过合理的计算步骤得到合理的结果，换句话讲，如果一个系统需 以上的控制器时，这个系统就可以认为是大系统( m a h m o u d ，1 9 7 7 ) 。 从五十年代初经典控制理论建立以来，工程师们就提出了运用经典控制 现代控制理论方面几种不同的方法来分析和设计一个给定的系统，这些 括如下： 建模方法，包括微分方程、输入输出传递函数和状态空间方程； 系统品质方法，即可控性、可观测性和稳定性的验证，应用劳斯一霍尔 维茨准则( r o u t h h u r w i t zm e t h o d ) 、奈奎斯特准则( n y q u i s tt h e o r e m ) 和李亚普罗夫第二方法( l i a p u n o vs e c o n dm e t h o d ) 等方法研究系统的 稳定性； 控制方法，如串联补偿、极点配置、最优控制等等。 两种观点实际是从两个方面描述了大系统的特征。对大系统内部而言， 是许多耦合在一起的小系统组成，它们之间有着各种形式的信息交流。 系统的控制上，它又必然是无法用传统理论和单一控制器就可以完成的， 在控制理论上有所创新。在经典的控制理论上，比如建模理论，系统品 以及控制方法上都是基于一个基本的假定：“集中性 ( s a n d e l le ta 1 ， 8 第2 章理论分析与提升系统数学模型 1 9 7 8 ) ，即所有的计算都是根据系统信息( 通过系统本身的设定以及过程的传感 器信息) ，而系统本身又集中在给定的中心，通常是集中在一个地理位置上。 但对于大多数大系统而言，系统由于缺乏集中计算能力或缺乏集中信息， 因此其本身是缺乏这种集中性的。以国图提升工程为例，其需要控制的部件分 散在l l o m x l l o m 的空间上，不可能用单一的控制器和控制方法实现如此巨大工 程系统的控制。处理这样系统不仅需要像集中系统那样考虑经济费用，而且要 考虑一系列的重要问题，如通信联系的可靠性，信息的价值等等。在对大系统 的控制上一般而言有两个方向，递阶控制和分散控制。在解决国图的控制问题 中，也用到了这两种控制思路。 2 1 2 递阶结构 对于大系统控制方法的一个最直接的尝试，就是把大系统“分解 成许多 子系统，以提高计算效率和简化设计，这个过程就是解耦。丹齐格和沃尔夫 ( d a n t z i n ga n dw o l f e 。1 9 6 0 ) 首先用数学规划方法从理论上研究了“分解 这 个概念，他们研究了具有特殊结构的大线性规划问题。这样的大线性规划系统 的系数矩阵常常是非零元素较少，即系数矩阵是稀疏矩阵。研究这样问题的两 种基本方法“耦合方法 和“解耦方法 。前者是使问题的结构保持原封不动， 便于利用结构来进行有效计算，普遍的用到“紧基三角形化法”和“广义上界 法 ( h oa n dm i t t e r ，1 9 7 6 ) 。这种方法适合较为简单的稀疏线性系统，并不适 合提升系统的应用。 “ 另一种方法就是“解耦，其过程就是把原系统分解成许多含有一定参数值 的子系统，每个子系统都可以独立求解，得到一个所谓解耦参数的固定值，然 后用一个协调器适当的调整这个解耦参数的值，这样各子系统分别解决自己的 问题，原系统的解也就得到了。各子系统有特定的功能，可共享资源，并受到 关联目标的约束和支配( m a h m o u d ，1 9 7 7 ) 。 第一级 第二级 i协调器l t 1 r 一 ， 舢勘缸融 厶k 圃圃 圈 二二二二二二二】圃豆二二二二二二二二 图2 1 二级递阶系统原理图 西点军校的梅赛罗维克( m e s a r o v i ce ta 1 ) 及其同事是研究解耦方法公理 9 第2 章理论分析与提升系统数学模型 化方面最活跃的小组，他们把这种方法命名为“多级或“递阶 方法。如图 2 1 所示，这就是一个简单的二级递阶系统。在第一级上，图示出原大系统的n 个子系统的局部解墨o = 1 ，2 ，3 ，) ，然后给出一组新的相互作用参数 q o = 1 ，2 ，3 ，) 。协调器的目标是协调各子系统的活动，提供整体系统的可行 解。关于递阶系统的性质，目前并没有唯一或是公认的看法，但其关键性质有： 递阶系统是由排列成金字塔式的决策单元构成的( 在多级递阶系统中尤为明 显) ；递阶系统有一个总目标，各单元的目标可与这个目标一致，也可以不一致； 在递阶系统中各级之间可以反复交换信息( 通常在垂直方向上) 等等。 梅赛罗维克在1 9 7 0 年时总结了利用多级递阶结构来分析大系统问题的五 个优点： 1 、系统分解成若干级，在一个级上采用固定设计，在另一个级上采取协调， 常常是唯一可行的有效方法； 2 、系统常常只会在分级的基础上才能进行描述： 3 、可用决策单元的能力有限，因此只有把问题表达成多级递阶的子问题； 4 、采用这种结构可以使整个系统资源得到较好的利用： 5 、可以增加系统的可靠性和灵活性。 其中第一点协调器应用实际上是解决所有大系统问题的关键。递阶结构的 协调实际上有两种方法，一是模型协调法，它实际上是在数学模型中加一个约 束，使某些内部相互作用固定下来，这些约束按照中间变量值运行达到次级性 能。这种方法适合模型较为简单和固定的大系统，而不适合提升系统模型。 另一种方法叫做目标协调法，大多数大系统的解决都依赖于此方法。在目 标协调法中，首先切断子系统之间的一切联系方法，即先孤立各个子系统，分 离它们的目标函数，得到单系统的解。但这个解并不是原系统的解，为了满足 相互作用平衡原理，从数学上讲，需要引入一个加权参数口来对子系统解进行 协调，建立多级表达式，当相互作用不平衡的时候，加权参数o f 可以补偿系统 性能( m e s a r o v i ce ta 1 ，1 9 6 9 ：s c h o e f f l e r ，1 9 7 1 ) 。 以图2 1 的二级子系统为例，设有大系统j 中，根据最优化问题求 ( s c h o e f f l e r ，1 9 7 1 ) ： m i n j ( x ，1 1 ，y ，z ，口) ( 2 1 ) 满足条件 f ( x ，材，y ，z ，口) = 0 ( 2 2 ) 其中，x 是状态向量；u 是控制向量：y 是子系统之间的相互作用向量，z 是输入变量，口是加权函数。在目标协调法中，有： j ( x ，材，y ，z ，口) = j i ( x i , 1 1 1 , y 1 ) + 以( x 2 ，u 2 , y 2 ) + 口r ( y z ) ( 2 3 ) i 0 第2 章理论分析与提升系统数学模型 口加权变量( 正或负) 存在的目的就是使任何相互作用不平衡的( y z ) 都 影响目标函数。对第二级的协调器而言，其目标就是控制协调变量口使相互作 用的子系统误差e 为0 。 m i n e = m i n ( y - z ) ( 2 4 ) 这一方法实际上是解决递阶结构大系统问题的关键。 2 1 3 分散控制 为了解决大系统在空间上的缺乏集中性的问题，还必须要采取分散控制结 构，这是因为大系统的集中控制会导致物理结构过于复杂、维数过大，这在经 济上是行不通的，也是不必要的。所谓分散控制，具体的说，就是把系统输入 分配给一组给定的局部控制器，局部控制器只检测系统的局部输出。换句话讲， 这种所谓分散控制的方法，是在试图回避数据采集，储存，计算机程序调试以 及系统元件在空间上分布的困难。 壅壅 壅 y l u i y 2 m y i m i奎墨笙l 图2 2 彩垂2 5 f 器的分散系统 上图就是一个普遍的分散控制系统，其特征是g 信息从一组传感器( 或执 行器) 传输到另一组传感器( 或执行器) 是受到一定限制的。比如，图中所示 系统只有通过输出m 和内部输入v l 才能得到控制信号，同样只有通过输出奶 和内部输入才能得到控制信号“：。这种分别根据输出信号m ( 江l ，2 ，3 ，刀) 来 分别确定控制信号( f = 1 ，2 ，3 ，刀) 的方法，就只是刀个独立的输出反馈问题， 这样就可以用到许多经典的控制理论。因此分散控制实际上成为了解决大系统， 特别是空间跨度的较大的大系统时不可回避的方法。 目前，对于大系统的分散控制结构也没有普遍定义，但一般公认分散大系 统具有下列特征( h oa n dm i t t e r ，1 9 7 6 ) ： 1 、大系统常常由一个以上控制器或决策者进行控制，含有“分散 计算功 能； 2 、各控制器在不同的时间可能用到不同相关“信息 ； 3 、大系统的递阶结构中，在一个级上由局部控制器进行控制，而局部控制 第2 章理论分析与提升系统数学模型 器的控制作用则在另一个级别上由协调器进行协调； 4 、大系统通常可用不精确的“集结”模型表示； 5 、控制器可以成批操作，比如单目标的控制模型； 6 、大系统可以用次级控制或拟最优控制方法达到令人满意的最优化，或称 “满意一控制。 其中第三点局部控制是大系统的递阶控制与分散控制的结合点，也是解决 提升大系统问题的关键。 2 1 4 综合控制方法 实际上我们可以看到，对大系统的两种理解思路就衍生了这两种解决方法。 在实际解决大系统问题的过程中，两种方法通常都会用到，这是因为通常大系 统( 比如整体提升系统) 通常都是许多子系统耦合而成，且在空间上缺乏集中 性。 具体的说，首先是从分散控制点解耦子系统，这样一来，每个分散控制器 实际上就对应了一个子系统。然后在控制器层面上再进行一次递阶，让分散的 控制器上层有一个总协调器来协调所有控制器的工作。 第二级 第三级 囫圆匦国 y i 讪 弘 m y 仉 第一级 l 子系统1il 子系统2 i 子系统n r - - ，l 一r - _ 一r - 一 = 二二二二二 匿夔二二二二二= 二 图2 3 大系统递阶的分散控制结构 由此可见，复杂的大系统被分解成r t 个子系统，它们之间通过某种耦合关 系相互关联，并受到对应控制器的控制信号u l o = 1 ，2 ，3 ，刀) ：对于控制器而言， 它们各自对应相对简单的子系统，根据输入的子系统参数m o = 1 ，2 ，3 ，刀) 和来 自协调器的参数s ，o = l ，2 ，3 ，刀) 进行计算，得到关于对应子系统的局部解 q o = l ，2 ，3 ，刀) 并传给总协调器。总协调器根据这些信号进行计算和协调，得 到整个大系统的可行解。 1 2 第2 章理论分析与提升系统数学模型 2 - 2 大系统理论在液压同步整体提升上的具体运用 在液压同步整体提升技术中，正是用到了上述的阶梯分散的控制结构。 首先需要分割子系统。通过分析液压同步整体提升的过程可以看出，这个 复杂的提升系统是有很多输入输出参数，而这些参数在吊点处得到汇集。具体 的说，钢结构的提升力是在提升吊点处施加的，这里就涉及到提升速度、高度 等参数；同时提升油缸也是安装在吊点处，这又涉及到油压和油缸行程等重要 参数，因此把提升吊点作为子系统无疑是最适合的。仔细分析这个子系统，实 际上是一个相对简单的双闭环控制。 开环传递函数k 图2 4 吊点处的闭环控制 其中： 主控制器从控制器：这是双向的电子通讯关系，具体的说是c a n 现场 总线通讯，根据c a n 总线的特点，各个分控制器实际上也是在同一条总线上， 会导致一定程度的网络延时，因此各个分控制器之间是有耦合关系的。 分控制器液压泵站：通过导线实现电信号联接，各个泵站之间相互独立。 液压泵站专提升油缸：通过油管实现液压联接，各个油缸之间相互独立。 提升油缸吊点：通过钢绞线实现机械联接，吊点之间是又钢结构屋顶本 身耦合。 油压信号和位移信号通过电信号传到主控制器，相互独立。 由此可见，从分控制器发出的控制信号，经过液压泵站到提升油缸到吊点 这一条控制路线在每个吊点处都是独立的，不存在耦合关系。因此将其中的关 系独立出来，可以用一个简单的开环传递函数k 来代替。 根据之前的理论准备，可知解决大系统的关键在于分析耦合量，上层的协 调器通过调整协调参数来协调耦合量产生的矛盾。在液压同步提升这个大系统 中，上层的协调器显然就是控制系统，具体的说是用控制策略和控制算法来协 调。耦合量有两个，一是因为采用了基于事件触发的c a n 总线作为通讯介质， 导致在分布控制器与主控制器之间，以及分布控制器自己之间因为总线延时而 第2 章理论分析与提升系统数学模型 产生的耦合，这个耦合量在本篇论文中不做讨论，在之后的分析中也将其忽略。 另一个是在吊点处因为结构力而产生的机械耦合，这是本论文要重点讨论的， 因此可以得到以下模型： ， 圜囱 二二至匦 二二二 图2 5 控制模型图 为了验证这个理论，论文将建立一个模型并进行仿真验证，因此上图实际 上就是模型建立的基础。对于对应各子系统的开环传递函数k ( 扛l ，2 ，3 ，刀) 相 互独立，根据实际情况就可以求得。接下来要解决的问题是要找到这个耦合量， 同时找到协调耦合量的方法。 2 3 力学模型 综合第一章的描述，在钢结构提升过程中，需要注意两个量，一是吊