（机械电子工程专业论文）起重机自动纠偏系统控制.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 起重机是现代化大生产中许多工矿企业生产线上必不可少的生产设备。但大部分桥式 起重机都奄不同程度的大车跑偏或嘴轨现象。啃轨是指起重机的大车或小车在运行过程中 困车轮跑偏而使轮缘与轨道的铡面接触，在运行过程孛产生摩擦，加速轮缘的磨损，导致 轮缘磨薄超标甚至整个车轮报废，使车轮过早损坏的现象。这极大的威胁着起重机的安全 运行，同时也会增加运行维护费用。因此，探究啃轨现象发生的原因并加以预防和消除具 有十分重要的意义。 本文研究发现起重机啃轨一般是由于车架或轨道误差，造成起重机车轮不能沿着轨道 的中心行走，逐渐走偏而发生啃轨。在实际治理啃轨现象的工作中，一般是以提高车架和 车轮的安装精度，校正和消除起重枫_ 和轨道的缺陷为主要方法。长期以来入们为解决啃轨 问题傲了 燹多努力和尝试，但效果不是很理想。 本课题提出治理啃轨的新方案是纠正车架相对于轨道的偏斜，力图保证车轮沿着轨道 中心线行走。提出起重机运行过程中采用变频纠偏系统。变频纠偏是解决起重机啃轨的可 能突破露。变频纠偏将传统酋被动纠偏变为主动纠偏，可以浼是起重机纠偏方法一次全薪 尝试。 在控制系统上，笔者选择工业控制中常用的p i d 控制器。在p m 控制器的三个参数整定 中，笔者盘创了逐步黄金分割法。这种方法不需要精确数学模型，不需要传递函数，不需 要专家经验，方法简单，计算量不大，同时不失结采的准确性。 该控制系统的特点在于：纠偏理论新颖、设备简单、价格低廉、运行可靠、操作简单。 本系统中所使用的8 9 c 5 2 芯片，可以烧写1 0 0 0 次左右，也为以后的软件升级提供了保证。 这种弱电和强电靛有效结合，在_ 工业控制方面是一次有益探索和成功尝试。 关键词：起重视，偏斜，啃轨，p i d 算法，逐步黄金分割，频率控制 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c r a n ei st h en e c e s s a r ye q u i p m e n ti nm o s ti n d u s t r i a la n dm i n i n ge n t e r p r i s e si nt h e m o d e mw o r l d b u tm o s tb r i d g ec r a n e so f t e nr u no f ft h er a i lt r a c k o f f - t r a c k i n go fc r a n e m i g h tr e s u l ti nw e a ro fc r a n er a i lw h e e l s 。a st h ew h e e ls l i d ea g a i n s tt h et r a c k ，t h ec o n t a c t i sa n y t h i n gb u ts m o o t h f r i c t i o na p p e a r sw h e nt h ew h e e la n dt h et r a c kr u ba g a i n s te a c h o t h e r f r i c t i o nm a ym a k et h ew h e e l sw e a ro u tq u i c k l y ，b e c o m et h i n n e ra n dt h i n n e r ，a n d s h a t t e rf i n a l l y t h i sm a ym a k ei td a n g e r o u st or u nt h ec r a n e 。a n dm o r em o n e yw i l lb e s p e n to nt h em a i n t e n a n c e 。s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt oa n a l y z et h er e a s o n so fo f f - t r a c k i n g a n dt op r e v e n ta n de l i m i n a t eo f f - t r a c k i n g t h ee r r o ro ft h ef r a m ea n dt h et r a c kw h i c hm a k et h ec r a n en o ti np a r a l l e lw i t ht h e r a i lt r a c ki st h ec a u s eo fo f f - t r a c k i n g 。r e d u c i n gt h ee r r o ri st h eo f t e nu s e dm e t h o do f r e d u c i n go f f - t r a c k i n g f o ral o n gt i m ei no r d e rt os e t t l i n gt h eg n a wr a i lp r o b l e mag r e a t m a n ye n d e a v o r sa n da t t e m p t sh a v i n gb e e nd o n eb yp e o p l e ，b u tt h ee f f e c ti sl i m i t e d t h ew r i t e rt h i n ko u tac o m p l e t e l yn e ww a yt os e t t l i n gt h eg n a wr a i lp r o b l e m t h e w a yc a nk e e pt h ew h e e lr u n n i n ga l o n gt h er a i lc e n t r a ll i n e 。f r o mt h en e wp o i n to fv i e w p u t t i n gf o r w a r du s i n gf r e q u e n c yc o n t r o lt oc o r r e c te r r o r so fc r a n e s f r e q u n c yc o n t r o li sa p o s s i b l ew a yt od e a lw i t hg r a w i n go fc r a n e s f r e q u e n c yc o n t r o lc h a n g e st h et r a d i t i o n a l p a s s i v ec o r r e c t i n ge r r o r si n t oa c t i v e 。， c o r r e c t i n ge r r o r s i tc a nb es a i dt ob eac o m p l e t e l yn e wt r yo fc o r r e c t i n ge r r o r so nc r a n e i nt h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ew r i t e rc h o o s et h ep i dc o n t r o l l e rw h i c hi su s e di n i n d u s t r i a lc a n t r o l c o m m o n l y ic r e a t e d ag r a d u a l g o l d e ns e c t i o nt o s e t t i n g p i d c o n t r o l l e r t h r e ep a t a m e t e r s t h i sm e t h o dd o e sn o tr e q u i r ep r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e l ， d on o tn e e dt ot r a n s f e rf u n c t i o n s ，d o e sn o tr e q u i r ee x p e r t i s e ，i ss i m p l e ，n o tc o m p u t a t i o n ， a n dy e tt h ea c c u r a c yo ft h er e s u l t s t h et r a i to ft h ec o n t r o ls y s t e mi st h a tt h e t h e o r yo fc o r r e c t i n gi sn o v e l ；t h e ，e q u i p m e n t sa r en o tc o m p l i c a t e d ；t h ep r i c ei sc h e a p ；t h es y s t e mr u n ss t a b l y ；i t sv e r ye a s y t oo p e r a t e 8 9 c 5 2c h i pi su s e do nt h i ss y s t e m t h i sc h i pc a nb eu s e do v e r1 0 0 0t i m e so n p r o g r a m m i n g i t sv e r ye a s yt ou p d a t ei nt h ef u t u r e w e a kc u r r e n ti su s e dt oc o n t r o ls t r o n g e l e c t r i c i t yo ni n d u s t r i a lc o n t r 0 1 i ti sag o o da n das u c c e s s f u le x p l o r a t i o ni nt h ef i e l do f t h ec r a n eo p e r a t i n go r g a n i z a t i o n k e y w o r d s ：c r a n e ，o f f - t r a c k i n g ，g n a wr a i l ，p i dc o n t r o l l e r ，g r a d u a l g o l d e ns e c t i o n ， f r e q u n c yc o n t r 0 1 蔑汉科技大学 磷究生学位论文刨凝性零鲷 本人郑重芦碉：所呈交的学位论文是本人在誓师指导下，独立进行研 究掰裴蒋赞戒慕狳了文串毫经遘锈萼| 鬻的蠹寨或蓠各 睾醑究共篱究盛的 薹律舞，本论文零篷含任舞其健个久裘繁体艺经发表或撰写过簿箨器残慕。 对本文辨研究做出重簧贾扶鳃令人和集体，遗已褒文枣以暖礁方式橼明。 申请学位论文与资科若霄不实之处，本人承担一切榴关责任 瓷爻律孝鏊露：! 蒌塾嚣辩：缝生i 基i 鐾 研究生学位论文版权使用授权声明 奉谂文舞研竞残幕罄武汉菸技太学赞褰，英磅蹩疼謇苇搏滚其它孽攮 鳃名义发袭。奉入完全了篓武汉季睾技大学寒关保辇。傻惩学位论文蛉撬定， 瞬意学授保馨并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 谭和僭阕，同意学校将本论文昀全部或部分内容编入肖兼数据库避行梭索 谂交俘誊签墨：鱼型。 指导教姆签名：。：棼亟l _ 婴l 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 本课题研究目的及意义 第一章绪论 在现代化大生产中，桥式起重枫已成为许多芏矿企业必不可少的生产设餐。而在桥式 起重祝的使焉中， 蠢于其跨度大、水平剐度低，传动视构的制造安装藕度难以傈证，特别 是运行频繁的起重机，其传动机构的积累误差更大【n ，导致大部分桥式起煎机都有不同程 度的大车跑偏或啃轨现象。这极大的威胁着起照机的安全运行，同时也会增加运行维护赞 耀驻l 。因此，探究晴轨现象发生酌原因并加以颈靛帮消除具有十分重要懿意义。 大车或小车在运行过程中由予器种原因，造成超重机大车轮或小车轮楱对子轨道歪斜 运行，车轮轮缘与轨道侧面摩擦，造成磨损，形成啃轨现象【3 j 。在正常设计情况下，起髓 机麴大车苇轮轮缘应与轨道保持一定的闻隙，般规定( g b 3 8 1 1 8 3 ) 车轮踏蘧比轨道顶 蚕宽3 0 - 4 0 r a m 。小车车轮轮缘篦鞔道顶瑟宽2 0 3 0 r a m 。晴孰一般是随着车轮的歪瓣及车轮 的横向滑动产生的。轻微的啃轨会使车轮的轮缘与轨道侧面出现明显的磨损痕迹，严重的 啃轨则会e l j 于运行中的车轮与轨道侧面的强烈挤压作用使车轮轮缘内侧及轨道侧面发生 铁篱剥落甚至轮缘整体破裂现象。 1 1 1 啃轨造成的不良后果： ( 羔) 缩短车轮的使潮寿命：般不啃孰熬轻、孛级工作缀剿豹超重视车轮可以用量q 年左右，重级冶金超鬟机车轮可以用5 年左右。假是晴轨严重的起重极其车轮一般只能用 1 2 年，有的甚至几个月就要更换。这样增加了维修费用，同时影响了生产计划【引。 ( 2 ) 轨道磨损快：轨道侧蕊受到摩擦，使侧面发生铁屑剥落，同时使轨道产生台阶， 减小了车轮与辕道的接触蘧。发生嘴轨时，车轮戆受力可分解到蘸个方离，一个是使车轮 前进的力，一个是使车轮横向移动的力。后者使轨道受到横向的剪力，使轨道变形，螺栓 松动，蠢剿轨道不能使用时大面积更换。 3 ) 增大行驶阻力：晴鞔严重鹩起重枧，手橇敖在1 、2 档主起重规无法开寝。严重 晴鞔酶超重机其运行阻力是正常情况的1 5 3 5 倍。严重晴轨增大了电视察机械传动机构殴 载荷，可能发生电机烧坏或传动轴扭断等事故。 ( 4 ) 主梁变形断裂：啃轨产生的横向剪力馒起重机主粱水平方向受力，严重时使主 梁产生裂纹、变形。 ( 5 ) 车轮脱轨：啃轨发生在轨道连接处时，如果连接处间隙较大，车轮爬到轨道顶 面上，从而造成脱轨的危险及伴随其他事故。 d ，转数n 相等，则两车轮的线速度v 不等。在不打滑情况下，一侧相对 另一测的超前量 入一儿石( b 一i ，) = 刀刃d ( 1 - 1 ) 式中：以主动车轮转数 d 两主动车轮直径差，单位：m m 例：当起重机的最大超前量入= 1 4 0 r a m 时，车轮直径d ；6 0 0 r a m ，运行距离为2 2 5 m 时就有d = 3 7 3 m m ( n 值通过运行距离除以车轮周长得到) 。既当两车轮的直径差为 3 7 3 m m 时，起重机在轨道上运行2 2 5 m ( 轨道与车轮的侧隙为4 0 m m ) 就将发生啃轨现象。 ( 2 ) 桥架制造加工超差 武汉科技大学硕士学俄论文第3 页 桥架车轮轴孔平行度加工超差，对角线超差或结构中残余内应力释放，使车轮运行中 心线与较遂中心线之闻产生一个夹莛程，导致车轮运行轨迹偏离轨道中心线产生承平谝移， 一般水平偏移大于1 5 r a m 时啃轨发生。如嚣1 - 1 所示： 偏移量e = d s i n 伐 式中：d 为车轮鱼径。 颦1 - 1 车轮痰平偏斜 ( 1 2 ) l 。2 立设备安装、调试雩 莛的啃轨 ( 1 ) 车轮同位差超差 车轮圈位酃车轮水平中心线与轨道项西帆线重舍。一般羼位差大于轮缘与轨遒侧面 的闻隙1 5 m m 时，轮缘与轨道侧面直接摩擦产生晴轨。 ( 2 ) 车轮水平偏斜超差 晴孰原因网1 2 1 ( 2 ) 。 ( 3 ) 车轮垂童偏斜超差 车轮垂直偏斜超差是指车轮不垂直于轨道顶面，车轮踏面与轨道顶面接触不均匀，通 常接触面积小，比压大。因此翠轮滚动面的磨损也不均匀。车轮垂童偏斜超差引起的啃轨 主要是主动轮垂盛偏斜超差( 一般认为e 墨黪，4 时车轮垂直偏差在正常范围内，e 为垂直 偏差量；d 为车轮置径。) ，被动轮垂直镳斜超差不会引起嚷轨。但考虑到车轮的均匀受力， 被动轮垂直超差与不允许过多。如图1 2 所示； 蓬1 2 车轮垂直镳斜 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 锥形踏面车轮装配有误 有的起重机运行车轮踏面是1 ：1 0 ( 圆锥半径：圆锥高) 的锥度锥形车轮，其安装有 方向性( 大头朝内) 。正确的安装方向如图1 3 所示： r 1 2 3 车轮驱动不同引起的啃轨 ， 一 f刁 l _ j - l t 。 l 、- 、 鼍 j j ab 图1 3 锥形轮安装的正确方向 ( 1 ) 电气参数、性能不同 由于分别驱动的两套传动机构不同步，使车体走斜而啃轨。这种啃轨的特征是：起重 机在启动、制动时，车体扭摆并且啃轨。 ( 2 ) 机械运行阻力不对称 由于运行阻力的作用，受阻力大的车轮比受阻力小的车轮滞后，致使桥架发生偏斜， 产生水平位移，引起啃轨。 1 2 4 轨道原因引起的啃轨 ( 1 ) 轨道的直线度超差 轨道跨距和轨道水平直线性超差，在起重机跨距不变的前提下，由于轮缘与轨道侧面 间隙减少，造成运行啃轨。这种啃轨一般发生在轨道的固定位置。 ( 2 ) 轨道水平高度超差 由于轨道垫层失效以及厂房基础介质不均匀沉降和地基变形等引起的轨道在同一截 面内高度超差造成啃轨。当高度差较大时，啃轨发生在较低的那根轨道的内侧、较高的那 根轨道的外侧。 ( 3 ) 轨道跨度超差 两根轨道直线度、平行度、对称或反对称超差，使轨距大于或小于跨度引起啃轨。 1 2 5 桥架水平刚性不够引起的啃轨 桥架水平刚性对于轮缘和轨道间的间隙、车轮的水平偏斜，以及对分别驱动的自动调 整作用对于啃轨都有一定的影响【7 l 。尤其当桥架的水平刚性不够时可引起啃轨。 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 1 2 6 不含理操作引起的啃轨 起重机酌操作正确与否直接影响嘻轨。癌动，刹车等应严格按照控制规章规定的步骤 及间隔进行操作，不宜启动过快、刹车过猛。 1 3 啃轨的解决方法 上述的大部分啃轨原因都是由起重机囱身因素或轨道因索造成的，其中车轮偏差所引 起的啃轨较为普遍。在实际治理啃轨现象的工作中，一般也是以校j 下和消除起重机和轨道 的缺陷为主要方法。除了提高车檠耩车轮的安装精度以外，传统的处理方法还进行了一些 其他的尝试，铡翅： ( 1 ) 采用水平轮代替轮缘导向1 8 l 采用水平轮后，可完全免除轮缘对轨道侧边产生的滑动摩擦，取褥代之的是水平轮与 轨道阉的滚魂摩擦。此种方法捷驱动装置翻车轮上鳃载蓊减少粥，毽水平车轮在超重枫 啃轨车轮运行中所产生的水平侧向力是相当大的，此力不仅包含小车制动时的水平力，而 且也包含大车车轮啃轨轮缘所产生的侧向力，此力可引起厂房房柱产生裂纹，甚至结构破 坏。另外，轨道侧面并不平整，水平轮的轴向凰定方法不容易徽刘很好昀效果瞧楚水平轮 纠撼嗡轨不能大蘧积推广的瓢因之一。 。 ( 2 ) 采用锥形踏面的车轮 如图1 3 所汞，当车轮a 超前于车轮8 时，刚车轮a 将运行小蛊径区域，车轮b 运 行大煎径。在穗阕的转速下，车轮a 运行麴路程少，车轮嚣运行的路程多。这样运行一段 时间以后，车轮b 会赶上车轮a ，达到两主动轮平齐运行的目的，可避免啃轨。 ( 3 ) 桥架水平刚性加固 将端粱酶宽度增加，在主梁内井腹板上横离焊接大型槽钢等方法加固桥架水平剐性。 起重机水平嚣l 性增大使车架的结构更热稳定不容易发生变形( 操持车轮与传动轴线垂童) 。 ( 4 ) 调整车轮跨度、对角线和同位差 当车轮跨度、对危线和同诬差偏差不大时，经过调整车轮的水平偏斜、垂直偏斜就会 得到攘应豹改变。若晴鞔仍消除不了时，剡需裁，开定建板，移动车轮德置。两个楚型轴承 箱有暇块定位键板必须全部割开，调整试车定毕之后辩烬牢。 ( 5 ) 选取合理的跨度和轮距的比值 超重枫运行中龛许有一定豹謇蠡编斜，邸竞许车轮轮缘与轨道之阉膏一定的横向移动 距离。丽这个距离与跨度和轮距的比值之闻的关系是，魄值越大，允诲的鑫壹偏斜越小， 越易发生啃轨。所以起重机的四车轮呈正方形排列更有利于安全运行，般取其比值为5 7 。 ( 6 ) 采用润滑减少阻力 雳专震装置淘轮缘与轨道侧面涂澜淆裁瑷藏少运行阻力及减少车轮与轨道之闻瓣蘑 损。常用的润滑剂包括石墨、二硫化铝、润滑油等。这样做容易污染轨道及地蘧。 对于啃轨的应对措施，准确诊断引起啃轨的原因是关键，然后进行有针对性的修复， 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 如调整车轮水平、垂直偏差，调整起重机的跨度差、对角差，轨道的跨度差、直线度、水 平高度，驱动系统同步度等；而在设计上采用先进的设计理念和方法，在设备安装阶段保 证安装精度，则是从根本上防止啃轨现象产生的重要环节。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 第二章国内外关予晴轨阀题的研究进展 国l 为# l - 都有很多学者和技术人员对啃轨现象作了很多研究，并在治理过程中提出很多 骧因说臻鸯什么发生晴鞔现象。其中，起重枫的操作模式、轨道的安装精度及车轮的安装 精度被认隽是孳| 起晴轨酶主要原困，毽是安装豹精度是不可能长翳探证的，有对即使麸租 电方面及轨道上找不出明显问题，而起重机还是偏向侧运行，导致运行机构出现啃轨现 象。 随着电工电子技术酶发震，有人在起重槐酶电气控赘方蘑进行了一些治理啃鞔的研 究。 圭旋转变压器2 。主粱3 ，密封籍碡增速齿轮对 5 限位开关6 测量轩7 。柔性腿球铰 图2 - 1 德国产自动纠偏装里传动夥式示意图 如图2 1 所承是德国k r u p p 公司设计制造的5 8 0 t 1 0 2 m 造船门帆所采用的爨动纠偏装 置翻。其传动装置装在门撬黍性腿上端懿球铰了旁，用2 9 m 长酶方钢佟溺量抒6 ，在主粱 2 内装有2 个限位开关5 和个密封箱3 ，密封箱内装有旋转变压器1 和一对无间隙传动 的增速齿轮4 。当刚性腿与柔性腿不同步时，测量杆推动密封箱内的齿轮带动旋转变压器 旋转，旋转变莲器发出的电箍信号作为一种特殊的速度反馈信号来调节大车运行电动规戆 转速，使f j 祝在运行时富动地褥n _ 妻l t 偏控铡。当测量杆测得酶偏斜量超过2 1 5 m m 时，发 出警告；超过3 1 5 m m 极限位鼹时，限位开关即起作用，此时系统停止供电，需人工控制 纠偏( 按一下纠偏按钮，大车就自动回到菠常状态) 。f - j 枧运行机枣采用壹流传动调速系 统，该系统是剽髑控制发电枫励磁，当瘩现偏差对送入存位置差麴外环系统，实现童动蹑 踪同步。太原重机厂与清华大学也联合设计了类似的纠偏装置应用在起重量2 0 0 t 、跨度 6 6 5 m 的造船门机上。 这耱方法智能性不毫，影响工作效率，溺时改造原设备比较寐烦。 近年来，囱于p l c 在工业中豹广泛应用，很多纠偏系统开始溺p l c 控制举轮转速来 解决纠偏问题。山东济南钢铁集团邢丽荣等通过p l c 控制实现了对魄机转速的控制，从而 改变车轮的转速避行纠偏工作。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 此技术通过控制电机转子的电阻大小来实现电机转速的自动控制，控制原理见图2 - 2 所示。智能控制器p l c 输出开关量信号，在接收到啃轨发生信号后，即输出信号控制接触 器k m 4 、k m 6 先后闭合，将转子回路的微调电阻不平衡短接切除，提高晴轨侧驱动电机的 转子输出转速，从而消除啃轨现象。该方案简单实用，投资较少，适合装备水平落后的企 业进行设备改造。但是存在短接切除电阻必然造成的传动冲击现象f 1 0 l 。 图2 2 转子豳路电阻大小调节系统， 调整电机定予电压的控制方案：控制原理见图2 3 所示。定子回路由双向可控硅供电， 控制极信号来自指令控制器和p l c 输出的嘴轨纠偏模拟信号经运算羼，根据啃轨发生状态 由p l c 进行逻辑判断，决定降低此侧或另一侧的电机转速，通过调整双向可控硅导通角实 现实时控制定子电压来调整任一侧大车电机的转速，最终实现车轮行程的同步控制。这种 方案可有效杜绝上一方案的传动冲击。但是由于这2 种方法都要对电机进行改动，其改造 强度较大。 。 控 号 瑟2 3 寇子电压控制系统 湘潭钢铁公司陈强等研究人员研究开发了一种适应于桥式起熏机分别驱动的自动纠 偏系统( 专利号z l 9 4 2 2 6 3 9 6 ) 1 。该系统是在起重机四角上各安装1 个啃轨信号检测器，当 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 任一角发生车轮轮缘与轨道侧面的间隙小于5 m m 现象时，相应检测元件发出信号给纠偏 逻辑控制器。 其运行原理是：车轮在轨道上行走，当车轮中心线与轨道中心线发生一定偏移时，啃 轨信号自动检测系统获得啃轨信号，经过滤波后输出给纠偏逻辑控制系统。同时运行机构 工作状态检测系统随时对运行的正反转、速度档位等信号进行检测，并输出给纠偏逻辑控 制系统。纠偏逻辑控制系统对啃轨信号检测和运行机构工作状态检测两大部分输入的信息 进行逻辑分析，确定纠偏调整信号，并输出给运行控制系统，使左、右侧电机输出力矩发 生差异。左右侧电机输出力矩产生差异即产生调整力，使起重机运行状况自动纠正。 鉴于以上偏装置比较复杂，对于一般的起重机改造起来比较困难，对起重机原来的结 构改变比较大，改造费用也很大。笔者提出变频调速纠偏系统实现对起重机的实时纠偏。 在控制系统中笔者的任务是实现p i d 控制器三个参数的整定。 针对啃轨问题，笔者的主要工作是： ( 1 ) 提出变频纠偏系统； ( 2 ) 设计硬件电路，包括采样电路中的滤波电路和倍频电路； ( 3 ) 控制系统的选择与设计； ( 4 ) 通过逐步黄金分割法来实现p i d 控制器的参数优化。 笔者提出的变频纠偏系统，针对被动纠偏的不利，采用主动调整的办法来治理起重机 啃轨。本系统的设计上采用工业控制中常用的p i d 控制。但是p i d 控制器的三个参数优化问 题一直困扰着人们。有的方法虽然原理简单但是要求现场经验丰富，而另一些方法又过于 复杂，且很难被推广到实践中去。笔者在三个参数的调节中独创了逐步黄金分割法。这种 参数整定的方法的最大特点是不需要设备的数学模型，不需要传递函数，不需要专家数据 库。尤其适用起重机这种结构复杂，运行时间长，很难建立有效的数学模型的情况。同时 本算法的思路简洁，收敛特性高。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 3 1 变频纠偏原理 第三章交频纠偏系统 随着变频技术的不断成熟与广泛应用【挖t 硼，起重枫的大车运行机构己越来越多的选用 变频调速的方案。使用变频调速技术可以使大车运行机构具霄较完美的机械特性，良好的 启、制动性能。 笔者提出变频纠偏思想应用予起重机纠偏，并设计出变频纠偏实验装置，如图3 1 所 示： 图3 - 1 交频鲤镶装置示意鋈 图中：1 、3 主动车轮；2 、5 电机：4 、8 变频器； 懿单片机系统：7 车架；9 、1 0 、1 1 、1 2 编码嚣。 该系统采用鱼动检测、自动调整的主动式预防纠偏，是解决起重枫啃轨的种新方法。 该系统由位移传感器、计算机、变频器、电动机组成。 在起重机车架【7 】上安装有四个位移传感器【9 】、【1 0 1 、【1 1 1 、【1 2 】，位移传感器与计算机 【6 】连接，由位移传感器测量出起重机车架相对于轨道的偏斜角度( 将图中编码器【9 】、【1 2 1 得到的偏差楣抽之和减去编码器 1 0 1 、 薹l 】得到的偏差相加之和后得到的结果作为起重枫偏 差送入计算机。采用这种方法可以减小车轮之间的相互干扰。) 再通过计算机按比例换算 成控制电压，此控制电压以差动方式或单动方式分别加在两套变频器【4 】、【8 1 上，变频器将 武汉科技大学硕士学位论文 第11 页 控制电动机1 2 】、f 5 】，调整主动车轮f 王】、f 3 】的行速。 纠镝电压根据起重机鳃运行速度两改变，纠镳电压的保持瘸裁与信号采样阕隔时闻褶 等。变频器在此控制电压的作用下，一套升高输出频率，另一套则降低输出频率，以便使 受变频器控制的电动车轮一边增加行驶速度，另边则降低行驶速度域者一套保持输出频 率不变，另一套话出调整。从两达到纠正车檠熬骟斜，减少轮缘磨损熬蓦鹣。在本系统设 计上采髑后一静方案，主要是因为革片枫凌编程及控制时闽分配上幂容易徽到两个频率同 时改变。 3 2 技术关键 该系统的最雕难的地方主要是信号采集及p i d 参数熊整定闻题。 电于本系统工作的环境复杂，因此能不能得到有效信号是一个关键问题。本系统所选 用的信鼍采集工具是旋转编码器。在采集信号以震，有两个任务是毖须散的。一个是滤波， 一个是提高信号豹分辨率。滤波是为了滤除无效信号的干扰，使本系统得到的数据更加可 靠。另外由旋转编码器测得的脉冲信号分辨率比较小，不利于薏期的计算，因此必须对信 号遴行倍频。 对于系统韵控制方面，本系统选用的是传统韵p i d 控制【1 s 氆i 。p i d 控制以其应用广泛、 稳定、高效、简单在工业中广泛应用。但蹩p i d 控制中最麻烦麓剐戆是沈铹、积分、微分 等参数的整定。传统的手工整定需要专f 1 的技术人员进行现场试验，蕊且整定时间 畏长， 并不适合本系统。现在有很多入采用模糊鬻能控到来实现参数酶鸯整定。这些方法需要建 立经验库，对予不是长期工依在现场的入爨来说，建立这种经验库不是一件容易的事。同 时这些方法的程序设计爿# 常麻烦，系统计算量较大。还有的技术人员采用计算机模拟来计 算这些参数。这种方法的魏提是系统能建立有效的数学模型，固辩麓写盘传递函数。本系 统不具有这种特点，在本系统中圜起重机结构复杂，车轮的阻力、偏斜方向随时发生变化， 无法溺精确的数学模型来实现。基于以上艨因，笔者提出了一种薪蛉参数罄整定算法 逐步黄金分割法。结合传统的人工调节的方法，逐次实现比例系数、积分系数、微分系数 快速整定。 第重2 页武汉科技大学硕士学使论文 4 1 硬件电路结构 第四章控制系统硬件设计 本系统采羯国内常鲻熊5 王系列单片瓿痒巍微处理控劐器( 8 9 c 5 2 ) 。单片概控割系统 是由徽处理芯片和外函电路缰成。外匿电路系统包括：采样电路( 包含滤波电路) 、信号 处理电路、外部存储扩展电路、键擞、输出电路( 包括d a 转换) 、调试电路等。单片机 硬件电路框图可表示如下图4 1 所示： 4 2 采样电路 溪事l 硬佟奄路框圈 采样电路酶匿酶是对传感器出来的蒜号进行处理，以便蒋到良爵售号，为惹瑟的王作 做准备。 4 2 。1 旋转编码器的王作募理 本控制系统的变赣为车轮轮缘与轨道之间的间隙。控制嚣标是使这种间隙保持不变。 由于起重机在运行时振动和冲击比较大，现场工作环境恶劣，直接用位移传感器检测车轮 轮缘与轨道之闻豹闻隙比较困难。光电旋转编鹦器是利用光褫衍射纂理实现位移。数字变 换，医其结构简荸、计量精度高、可靠性高、寿命长等优点，在精密定位、速度、长度、 加速度、振动检测等方面得到广泛的应用。 光电旋转旋转编码器按编码方式分为二类：增量式编码器与绝对式编码器。增 量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输塞，其计数超点在意设定，可实现多圈无限累加 和测量。编码器轴转圈会输出圆定的脉冲数，脉冲数由编码器光栅的线数决定。笔者利 用9 0 度相位差的人b 两路信号进行倍频提高编码器的分辨率。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 绝对式编码器有与位置相对应的代码输出，通常为二进制码或b c d 码，可以从输出 的代码读出所处的位置，从代码数大小的变化可以判别正反方向。绝对零位代码还可以用 于停电位置记忆。绝对式编码器的测量范围一般为0 3 6 0 度。 考虑系统的性能要求和成本，本系统选用的是欧姆龙公司的e 6 8 2 c w z 6 c 型光电旋 转编码器。该型编码器是增量式的，编码器轴每旋转一圈输出1 0 0 0 个脉冲。 旋转矗鼬：敞绷剥再匀朗| f l 睾冬 l a 栩 8 槲 溉转，j 阳：从知j 劁乔幻i , j 托转 | a 榭 b 椭m 厂 厂 厂 a * h 比b 稍迟t 圈4 2 旋转编码器输出波形图 增量式旋转编码器应用于焦度定位或测量时，通常有人b ，z 三相输出。旋转编码器的 输出脉冲波形如图4 2 所示。a 相和b 相输出占空比为5 0 的方波。编码器每转一周，a 相和b 相输出固定数目的1 0 0 0 个脉冲。当编码器正向旋转时，a 相比b 相超前四分之一 个周期：当编码器反囱旋转时，b 相比a 褶超前四分之一个周期。a 相和b 楣输出方波的 相位差为。编码器每转一周，z 相输出一个脉冲。出于编码器每转一周，a 相和b 榴 输出固定数目的脉冲，则a 相或b 相每输出一个脉冲，表示编码器旋转了一个固定的角度。 当z 相输出一个脉冲时，表示编码器旋转了一周。对脉冲进行计数就可以得到编码器转过 的角度，通过转换后可以得到位移，因此旋转编码器可以测量角位移及位移方向。 由予旋转编码器只能检测角度信号，因此本系统在旋转编码器轴上加上一个摆杆装置 将位移转换为偏角，从而可以用旋转编码器通过测取偏角来间接检测车轮轮缘与轨道之间 的间隙，如图4 3 所示： 第l 唾页武汉科技大学硕士学位论文 羲鼍一 净 i i i l 辜t tq i 辜慧荨毫透再i i 羹舞t l 写l l l 靠 1 i i l 并一一藏乾 r r 一曩乾 i i l l i i l l 圈4 - 3 间隙变化测曩装置 摆杆长度为l = 8 0 m m ，一端固定在旋转编码器轴上，另一端安装上可以在轨道侧面滚 动的小滚轮。旋转编码器固定在起重机大车架上，摆杆上的滚轮靠弹簧压紧在轨道侧面上， 使其与轨道侧面可靠的接触。当车轮轮缘与轨道侧面间隙发生变化时，摆杆就会有相应的 摆动，将车轮轮缘与轨道侧面闻隙的位移转换成蕉位移。其转换关系为： a a - - - a s 1 ( 4 - 1 ) 卜旋转编码器轴的转角增量( 弧度) a p 车轮轮缘与轨道侧谣间隙的增量( r a m ) 根据式( 4 1 ) 计算，本系统的分辨率为0 5 r a m 。 4 2 2 信号采集电路 起重机运行时，由于振动和轨道本身的光滑度的原因，旋转编码器轴有时会处于一种 抖动状态，此时旋转编器的波形蓬如图冬4 上方脉冲信号所示： 图4 4 旋转编码器抖动时波形图 这种在极短的时间内产生的抖动频率较高，笔者设计了r c 滤波电路i 2 2 l 去掉高频分量。 在设计滤波电路时最主要熙是确定车轮发生偏斜的频率范隧与抖动的频率范阑。起重机是 大型的运输设备其运行速度不快，编码器的旋转角度不会变化很剧烈。根据笔者多次参与 实践的经验，编码器在1 s 内产生的脉冲不会超过1 0 0 个。这样1 0 0 h z 就可以定为此r c 滤 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 波电路的极限频率。而编码器的抖动的频率比1 0 0 h z 大1 0 倍以上，可以达到1 0 0 0 h z ，由 j l 尹一圭 銎l 褥，0 0 0 0 1 6 r c 梵偏差。按偏 差的比例、积分、微分进行控制的控制器称为p i d 控制器。p i d 控制解决了自动控制理论所 要解决的基本问题，即系统的稳定性、快速性、准确性。调节p i d 的参数，可以实现在系 统稳定的前提下，兼顾系统鹩带载能力和抗扰能力，同时由于p i d 控制器中孳l 入了积分项， 系统增加了一个零积点，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。p i d 控制器的袭达式为： 咄) + 瓢心肌+ 己警】 ( 5 - 1 ) 式中，g o ) 为系统偏差，e o ) 刮r ( f ) 一c ( t ) ； k p 为比例系数； 霉为积分时间常数； 乙为微分时间常数。 式：5 1 ) 也可以写成： 川一七p + k o e m + 屯警 式中，k p 为比例系数： k i 为积分系数，t * k 口互： k d 为微分系数，k a - k p 瓦。 ( 5 2 ) 武汉科技大学硕士学位论文第2 5 页 简单说来，p i d 控制器中各校正环节的作用如下： 比例控制 比例控制是对偏差进行控制，误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控量朝 着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数k 。但单纯的比例控制存在不能 消除静差的缺点。增强比例控制作用可减小静差，提高对象响应的快速性，但k 。过大会导 致被控对象动态特性变差，甚至可能会使系统不稳定。 积分控制 积分控制实质上是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用是始终施加指 向给定值的作用力，有利于消除静态静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏差持 续的时间有关。单纯积分控制的缺点是它具有滞后特性，并使系统阶次增加，其作用太强 也会使被控量动态特性恶化。 微分控制 微分控制能敏感出误差的变化趋势，可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用， 有利于提高输出响应的快速性，减小被控量的超调和增加系统的稳定性。但微分作用很容 易放大高频噪声，降低系统的信噪比，从而使系统抑制干扰的能力下降。因此，在实际应 用中，应慎用较强的微分控制。 从上述对常规p i d 控制规律的剖析可见，比例、积分和微分三种控制作用各有特点。 对于一般系统，由于能通过比例和微分作用抑制积分作用带来的滞后特性，通过比例和积 分作用保证其响应的准确性以及通过微分作用改善比例和积分作用带来的稳定性恶化问 题，故可在对比例、积分和微分三种控制作用综合处理后进行控制。但是，不难看出，三 种控制作用存在着严重的相互抵消的现象。因此，常规p i d 控制不能兼顾被控对象的动态 品质和静态特性。换言之，常规p i d 控制不能使被控对象响应即“快”又“准”且“稳”地跟踪参 考输入。 计算机控制是一种离散的采样控制，在计算机控制系统中所使用的是数字p i d 控制器， 而式( 5 - 1 ) 和式( 5 2 ) 均为模拟p i d 控制器的控制表达式。通过将模拟p i d 表达式中的积 分、微分预算用数值计算方法来逼近，便可实现数字p i d 控制【4 5 - 4 6 1 。只要采样周期t 取得足 够小，这种逼近就是可以相当精确【4 7 1 。 将微分项用差分代替，积分项用矩形和式代替，数字p i d 控制器的控制如下式( 5 3 ) 以的甜州幻专磊“d 哼p 叫 _ 1 ) 】 巧。 同样的，式( 5 - 3 ) 也可以写成： “( 七) = 七，e ( 七) + 七j 罗e ( ) + 屯【e ( 七) 一e ( 七一1 ) 】 ( 5 - 4 ) 衙 其中：k i k p t r , ，k d 一足。瓦t 。 第2 6 页武汉科技大学硕士学位论文 5 2 3 增量式p i d 算法 数字p i d 控制器的控制算法通常可以分为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法。 本系统使用的是增量式p i d 控制算法，因为在程序设计的过程中，增量式算法存储的数据 量较小，同时前一时刻的控制量还有作用，能大大简化计算过程。由式( 5 4 ) 霹 | 馨，第 k - 1 时刻p i d 调节的表达式： 七。1 1 l 一1 ) 一k p e ( k 1 ) + k t 三8 ( 歹) + k ( 七一1 ) 一e 一2 ) 】 ( 5 - 5 ) 将式( 5 4 ) 减( 5 5 ) ，便可德增量式p i d 控制算法的表达式： u ( k ) 一u ( k - 1 ) + k 。 e ( k ) - e ( k 1 ) 】+ 墨p 8 ) + 蠢 ) - 2 e ( k - 1 ) + e ( k 一2 ) 】 为了使表达式更为简单，可以将上蘧的式子展开，合并同类项后可以得到： u ( k ) ；u ( k - 1 ) + a 。e ( k ) + a l e ( k 1 ) + 露2 e ( k - 2 ) ( 5 - 6 ) 其中：露。一是p + 镌+ 克。= k p i + t t l + 五? 】； a l 一一k p 一2 一一k p l + 2 毛t 】； a 2 一毛一囊p 疋，r 。 l l 仕) 一a o e ( k ) + a l e ( k - 1 ) + a 2 e ( k 一2 ) l ) 为控制变化量， “( 七) 一u ( 詹- a ) + a u ( 七) ( 5 - 7 ) ( 5 8 ) 式( 5 8 ) 即为本系统所使用的增量式p i d 控制器的数学模型。 当进入p i d 调节子程序时，首先需要根据系统给定值和采样值来计算偏差。为了防止 在系统运行初期，由于控制量u ( k ) 过大使得系统振荡很大，需要对对代入( 5 6 ) 运算的e ( k ) 做一定的限幅处理。另外，在系统进入稳态后，偏差是很小的，如果偏差在一个* l l d , 的范 懑内波动，不断改变自己的方向，即| e ( 蠢) | e o 时，不要改变控麓萋，使电机平稳运行。 对于本设计，还需要讨论的一个问题是控制量的增量部分是一个矢量，有正负和大小， 因此在计算控制量以前，先要确定正负。电压变化量的燕负对应到本系统就是起重机大车 车轮的速度是加速还是减速。在前面的章节已经提到加速和减速与两个量有关：车轮的偏 转方向( 即为旋转编码器的旋转方向) 、车轮的前进方向( 即为电机的旋转方向) 。 车轮的偏斜与旋转编码起的安装位置有密切酶关系。本系统中旋转编码器的安装如图 5 2 所示： 武汉科技大学硕士学位论文第2 7 页 图5 - 2 旋转编码器安装示意图 从上图5 2 不难看出，当车轮左偏时，旋转编码器从轴测看是逆时针旋转的：当车轮右 偏时，旋转编码器从轴测看是顺时针旋转的。 解决了车轮的偏转，接下来就要结合大车的前进方向来讨论到底是进行加速处理，还 是减速处理。 匝 图5 - 3 起重机准直行不意图 如上图5 3 所示，当车轮右偏，起重机运行方向如图时，车架顺时针偏斜，表明左侧的 车轮速度比右侧车轮速度快。在这种情况下可以采取单边调速，也可以采取双边调速。单 边调速时，可以降低左侧车轮的速度，也可以增加右侧车轮的速度。双边调速时，降低左 侧车轮的速度的同时增加右侧车轮的速度。本系统为了简化设计步骤全部采用单边调速。 当车轮右偏，起重机运行方向与图中方向相反时，表明左侧车轮速度慢，右侧车轮速度快。 以上图中起重机的前进方向为正，可得如下表5 1 ： 第2 8 页武汉科技大学硕士学位论文 表5 - 1 加速、加速参照袭 一 正负 乍轮鳊割力x 寿 澎 艇l 勿 瓣 、 t i 舶 猫 减 加 、 表中减表示减速，加表示加速。斜线上方表示右侧车轮的情况，下方表示左侧车轮 的情况。 如果用l 表示大车前进方向为正，o 表示负；l 表示车轮偏斜方向为右，