电子防摆装置在起重机上的应用

电子防摆装置在起重机上的应用

1门台升降系统的减向系统1.1电源频率对电机负载的影响频器是异步电机频率频率控制装置，包括电压频率、电压频率和交换器等，其控制方法有很大不同。本文选用电压型变频器,并选择V/F控制方式。根据电机学原理,异步电机的同步转速由电源频率和电机极数决定,故改变电机基频一下频率时候,电机同步转速随之改变。当然,电机负载运行时存在转差率,转差率的大小和负载大小有关。V/F控制方式是在控制电机电源频率变化的同时控制变频器的输出电压,使得U/f为恒定值。V/F控制方式常用在通用变频器上,主要用于节能以及对调速范围不高的场合。由异步电机转速公式可知,当极对数p不变时,电机转速n和定子电源频率f1成正比,因此连续改变供电电源频率就可以连续平滑地调节电机转速,实现变频调速。1.2恒转速控制情况1)负载具有恒转矩特性,如本文所述起重机的位能性负载所需电机提供的恒定转矩与电机转速无关的特性。对于恒转矩负载,无论电机转速增加或减小,电机依旧输出恒定转矩。而负载的转矩转速特性随负载本身的变化而改变,类似这种转矩不随转速变化的调速方式称为恒转矩调速。2)在速度变化过程中,电机具有输出恒定转矩的能力,如在电机启动和制动过程有加速和减速现象。为了缩短这些过程的过渡时间,在电机机械强度和电机升温等条件允许范围内使电机产生足够大的加速或制动转矩,最终使电机输出恒定最大转矩。本文涉及的起重机运动控制系统中,重物在竖直方向起吊和降落过程中的恒转矩控制即上述第一种情况;在小车水平方向运行的起动、制动过程的恒转矩控制为第2种情况。2pid控制器基本模型门式起重机的模型参数为:小车质量M=5kg,吊重质量m=10kg,小车水平位移x=0～1.25m,x为小车水平速度,吊重摆角θ=-10°～10°,θ为吊重摆角速度,钢丝绳长度l=2m,F为小车水平驱动力,F1为钢丝绳起升力,小车与轨道摩擦因数μ=0.2。起重机物理模型如图1所示。对于定绳长的起重机减摆系统数学模型{(Μ+m)⋅⋅x+ml⋅⋅θcosθ-ml˙θ2sinθ+u˙x=Fl⋅⋅θ+⋅⋅xcosθ+gsinθ=0⎧⎩⎨(M+m)x⋅⋅+mlθ⋅⋅cosθ−mlθ˙2sinθ+ux˙=Flθ⋅⋅+x⋅⋅cosθ+gsinθ=0(1)在实际点附近θ角趋近于0,所以这里的sinθ=θ,cosθ=1。上式可进一步简化为{(Μ+m)⋅⋅x+ml⋅⋅θ+u˙x=Fl⋅⋅θ+⋅⋅x+gθ=0⎧⎩⎨(M+m)x⋅⋅+mlθ⋅⋅+ux˙=Flθ⋅⋅+x⋅⋅+gθ=0(2)t=0为初始时刻,此时,x(0)=0,θ(0)=0,电机驱动力F为常数23N;t=tf为终止时刻,即小车到达目标点,停止运行,此时x(tf)为固定值,θ(tf)在开环状态下,终点时刻以后会有延时阻尼摆动,电机驱动力F为0,停止驱动。基于以上实际情况对减摆控制器进行开环和闭环状态仿真。由于本次试验选择的是恒转矩变频调速,电机始终恒转矩输出,则小车驱动力恒定,同时,小车速度由定子电源频率fx调节。小车速度˙xx˙与定子电源频率时间的关系推导如下:异步电机转速近似为:n0=60fx/np,并且在异步电机变频调速中转速n0和电源频率fx始终有这样的数学关系。将电机转速转换为线速度,即v=rω;ω=2pfx/np;本文中np=2,带入推导可得小车速度和电源频率的关系为˙x=prfxx˙=prfx;同理得到⋅⋅x=prfxx⋅⋅=prfx;于是数学模型变形为{(Μ+m)pr˙fx+uprfx+ml⋅⋅θ=Fl⋅⋅θ+pr˙fx+gθ=0⎧⎩⎨(M+m)prf˙x+uprfx+mlθ⋅⋅=Flθ⋅⋅+prf˙x+gθ=0(3)对上式作拉氏变换得到{(Μprs+μpr)FX(S)-mgθ(s)=F(s)-(ls2pr+gpr)θ(s)=sFX(S){(Mprs+μpr)FX(S)−mgθ(s)=F(s)−(ls2pr+gpr)θ(s)=sFX(S)(4)得到传递函数G1(s)=FX(S)F(s)=ls2+gΜprls3+(Μprg+mgθpr)sG1(s)=FX(S)F(s)=ls2+gMprls3+(Mprg+mgθpr)s(5)G2(s)=θ(s)F(s)=1mgθ-Μls2-ΜgG2(s)=θ(s)F(s)=1mgθ−Mls2−Mg(6)G1(S)、G2(S)均为四阶传递函数,用PID控制器进行调试时很难找到稳定的参数,故对其进行降维处理,根据式(4),起重机防摆系统的传递函数还可表示为图4、图5所示。得到PID控制器基本模型见图2。列出状态方程{˙X=AX+BuY=CX+Du{X˙=AX+BuY=CX+Du(7)X=[fx,˙fx,θ,˙θ]Τ;Y=[fx,θ]T;u=F可根据已知参数得到A、B、C、D矩阵的具体值。根据数学模型进行仿真,得到fx的波形图,根据图形再采集变频器的离散频率,改变了传统的控制电机驱动力的方法。特别说明,在起重机实际工作中,一般是先用吊钩固定吊重物体,然后水平方向移动到合适的位置再向竖直方向起吊。在竖直方向起吊这个过程基本不影响摆角大小,即摆动近似为0,此时可忽略钢丝绳长的影响。所以,本文采用定绳长数学模型。当然,实际工作中还有很多干扰因素,比如风力、梁的振动和变形、绳子的拉升长度等,本文在忽略微量影响因素下进行研究和仿真,并结合硬件设备进行实验验证。对起重机减摆系统的研究从简单到复杂的过程循序渐进的完成。本文从最简单的定绳长系统研究,在此基础上可以继续深入研究不定绳长的减摆系统,也可从目前的二维空间扩展到三维空间研究吊重侧摆问题,以及被忽略的外界微小影响因素也可以加入研究。3pid测量控制系统硬件设计在生产过程系统控制的发展历程中,PID校正是历史最悠久、生命力最强的基本控制方式。在20世纪40年代以前,除在最简单的情况下可以采用开关控制外,它是唯一的控制方式。此后,随着科学技术的发展特别是数字计算机的诞生和发展,涌现出许多新的控制方式。然而直到现在,PID校正由于它自身的优点仍然是最广泛应用的基本控制方式。简单说来,PID校正具有以下优点:1)原理简单,使用方便;2)适应性强,可广泛地应用于各种工业过程的控制领域;3)鲁棒性强,即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。系统硬件设计框图见图3。以西门子200PLC为主控制器,角度测量传感器和旋转编码器辅助构成闭环系统。由变频器控制电机的转速,在实现PID控制方法过程中,选择的控制量为电源频率,可通过单片机采集离散频率信号,由软件方法实现实时控制。采用PID方法设计控制器,在一定的硬件基础上进行试验。本文创新点在直接控制电源频率来达到减摆的目的,比起传统的控制电机驱动力要简单容易实现。在控制过程中,变频器的频率随着系统的运行条件自动调整,实现自动频率调整运行。4振动减速系统的模拟4.1开环下的波形输出当初始摆角为0时,可以看到图像中的摆角处于较小幅度的阻尼摆动状态,而定子电源频率变化幅度为0～240Hz,幅度较小。这种在开环状态下的波形输出说明系统在开环下需要较长时间的才能实现稳定,所需时间在200s以上。图4为开环状态下的Simulink仿真模型,图5为摆角初始值为0输入下的开环状态仿真曲线,图6为摆角初始值为0下的摆角开环状态仿真曲线。如图7、图8所示,在摆角有0.02rad初始扰动状态下,摆角和频率变化幅度都比无输入干扰下的较大,而且稳定时间更长,可见这种开环下的控制在有外界干扰下更加不稳定。4.2pid控制器设计连续PID控制器的数学表达式为u(t)=Κpe(t)+ΚiΤ∫0e(t)dt+Κdde(t)dt在实际应用过程中,常将控制器的数学模型表示为u(t)=Κp(e(t)+1ΤiΤ∫0e(t)dt+Τdde(t)dt)可见,Ki=Kp/Ti,Kd=KpTd。控制器的传递函数Gc(s)=Κp(1+1Τis+Τds)为了避免纯微分运算,经常用一阶滞后环节讲其近似微分环节,将PID控制器表示为Gc(s)=Κp(1+1Τis+ΤdsΤd/Νs+1)其中,N趋近与无群大时则为纯微分运算,实际应用中N取一个较大的值即可很好地进行近似。在控制器设计中取N=1,由实际仿真研究可知,在一般实例中N无需取很大即可逼近实际微分效果。由数学表达式可以看出,这是典型的按偏差控制的负反馈结构。其中e是偏差,即输出量与设定值之间的差;u是控制量,作用于被控对象并引起输出量的变化量。Kp是比例增益系数,其控制效果是减小响应曲线的上升时间及静态误差,但无法做到消除静态误差。因此,单纯的P校正是有差调节,一般不会单独使用。Ki是积分增益系数,其控制效果是消除静态误差,I校正是无差调节;但它会延长过渡过程时间,增大超调量,甚至影响系统的稳定性,故一般也不会单独使用。kd是积分增益系数,其控制效果是增强系统的稳定性,减小过渡过程时间,降低超调量。Kp、Ki、Kd与系统时间域性能指标之间的关系见表1。PID控制器参数整定通常采用稳定边界法进行。使用稳定边界法整定PID参数分为以下步骤:1)将积分系数Ki和微分系数Kd设为0,比例系数Kp设为较小的值,使系统投入稳定运行,若系统无法达到稳定运行,则选择其他校正方式;2)逐渐增大比例系数Kp,直到系统出现等幅振荡,即所谓临晃振荡过程。记录此时的临界振荡增益Kp和临界振荡周期T;3)按照表2所示的经验公式和校正装置类型整定相应的PID参数,然后再进行仿真校验。按以上稳定边界方法经过反复校验,得出一组整定参数,小车位移PID控制器参数为:Kp=15,Ki=0.2,Kd=0.01。吊重摆角PID控制器参数为:Kp=10,Ki=0.2,Kd=0.01。在实际调试过程中,根据现实需要,也通过经验法得出另外一组有效参数,小车位移PID控制器参数为:Kp=1,Ki=1000,Kd=0.00075。吊重摆角PID控制器参数为:Kp=0.3,Ki=150,Kd=0.000255。其控制效果如图7、图8、图9所示,分别代表其对驱动力F、小车位移、吊重摆角的控制效果。4.3立模块的仿真减摆PID减摆系统设计如图9所示,为整个系统加2个PID控制器,一个控制小车位移,一个控制吊重摆角,在Simulink中建立模块进行仿真。如图10所示,在闭环状态下,变频器输出在50Hz以下,系统按照恒转矩控制方式运行。此时的PID控制器参数调整根据摆角观测来调节定值。同样得到频率曲线为参考曲线。如图11所示,在闭环状态下,小车位移曲线可以看到位移是呈非线性趋势的,在25s左右趋近于固定数据。如图12所示,PID控制下,摆角从初始时刻0°开始呈现曲线变化,最后25s左右向0°靠拢。5起重机pid控制器设计及仿真目前,起重机防摆问题研究很广泛,多数从理论上分析,由仿真得到结论。控制系统的控制器设计方法主要有PID控制器、LQR最优控制器、模糊防摆控制器、T-S型自适应模糊神经网络控制器等。根据小车位移传递函数和吊重摆角传递函数分别设计起重机变频器输出频率PID控制器,采用稳定边界法对PID控制器的参数进行了整定,并在Matlab-simulink中进行仿真