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1、动臂塔式起重机水平变幅控制仿真研究,指导老师：* 汇 报 人：* 汇报时间：2012.06,水平变幅控制整体建模及仿真分析,模糊自整定PID控制器设计,变幅及起升液压系统建模与稳定性分析,水平变幅电液系统设计,概述,总结与展望,目录,1.概述,动臂塔式起重机介绍 定义：属于一种非连续性搬运机械，是一种将起重臂架设在高处的全回 转型起重机械。 应用：广泛应用于各种建筑建设、水电站大坝及火电建设施工等。,1）高层建筑建设,动臂塔式起重机应用,2）水电站大坝建设,3）火电建设,1.概述,课题来源 大连理工大学与徐州重型机械有限公司合作开发的动臂塔式起重机项目。 课题方向 动臂塔式起重机水平变幅控制系
2、统 作用： （1）提高作业效率 （2）提高可操作性 （3）安装定位更加准确 课题意义 为动臂塔机水平变幅控制提供了一种新的控制方法，为工程实际应用提供理论支持和指导方向。,1.概述,水平变幅补偿方法分类,本文研究的类型,绳索补偿 组合臂架补偿 差动减速器水平位移补偿 电控系统补偿,2.水平变幅电液系统设计,液压原理,1.变量泵 2. 制动器3. 定量马达 4.电磁换向阀 5.先导油泵 变幅系统液压原理图,变幅液压系统,系统主要参数： 系统最大流量：808L/min； 系统溢流阀设定压力：300bar； 补油溢流阀设定压力：24bar。,闭式系统，两个变量泵 驱动三个定量马达,2.水平变幅电液系
3、统设计,液压原理,1.变量泵 2.变量马达 3.制动器 4.电磁换向阀 5.先导油泵 起升系统液压原理图,起升液压系统,系统主要参数： 系统最大流量：808L/min； 系统溢流阀设定压力：350bar； 补油溢流阀设定压力：24bar。,闭式系统，两个变量泵 驱动四个变量马达,2.水平变幅电液系统设计,系统电源的构成,控制部分由控制器和力矩限制器组成，主要功能是处理来自各种传感器、手柄及发动机ECU的信息并进行运算；输入部分主要由一些传感器、视频监控信号、远程监控信号等组成，主要完成各种信息的采集及信号的输入；输出部分主要包括动力系统、传动系统及显示系统，主要的功能是用来执行各种动作和实现人
4、机的交互。,电气原理,2.水平变幅电液系统设计,控制系统通过CAN总线进行通讯，完成信息的交互。该动臂塔式起重机的电控系统采用两条CAN总线，CAN总线1主要连接系统控制器、力矩限制器、编码器、系统显示器以及GPS，该总线上的通讯协议为CANopen协议。CAN总线2上连接发动机的电子控制模块以及左右手柄，该总线上的通讯协议为J1939协议。整个控制系统通过两条CAN总线组成的网络，实现动臂塔式起重机的各种动作的控制、动力系统的状态监控、远程定位及视频监控等功能。,系统网络,电气原理,3.变幅及起升液压系统建模与稳定性分析,控制原理框图,传递函数模型建立,（1）电液比例阀的传递函数： 输入是电
5、流信号I ，输出是比例阀的阀芯位移xv，传递函数为：,Kv为比例阀的增益；s为比例阀的固有频率；s为阻尼比。,3.变幅及起升液压系统建模与稳定性分析,（2）泵变量机构-阀控液压缸传递函数： 泵的变量机构-阀控液压缸的输入为电液比例阀的阀芯位移xv ，输出为液压缸的活塞位移 l。其传递函数为：,Kq为比例阀的流量增益；A为液压缸活塞有效面积；p为液压固有频率；p为液压阻尼比。,（3）活塞-斜盘摆角传递函数： 变量泵变量机构中的 是与 一一对应的。输入是变量机构中的液压缸活塞的位移 l ，输出是变量泵的斜盘摆角xp 。其传递函数为：,K为变量泵的斜盘摆角系数。,3.变幅及起升液压系统建模与稳定性分
6、析,（4）泵控马达系统传递函数：,变幅马达的转速对变量泵变量机构摆角的传递函数为：,变幅及起升马达的转速对外负载力矩的传递函数为：,起升马达的转速对变量泵变量机构摆角的传递函数为：,3.变幅及起升液压系统建模与稳定性分析,传递函数方框图,3.变幅及起升液压系统建模与稳定性分析,系统稳定性分析,变幅系统的开环传递函数为,代入参数得,起升系统的开环传递函数,变幅系统参数,起升系统参数,3.变幅及起升液压系统建模与稳定性分析,系统稳定性分析 （1）频域分析： 通过MATLAB画出变幅系统伯德图： 求出相角裕量 幅值裕量 起升系统伯德图： 求出相角裕量 幅值裕量 （2）时域响应： 变幅系统阶跃响应 调
7、整时间 起升系统阶跃响应 调整时间,系统开环伯德图,系统时域响应图,系统为稳定系统 相角裕量和幅值裕量都过大，系统的动态响应迟钝缓慢 系统在接近8s、11s时才能达到稳定状态,系统响应速度不能满足水平变幅快速性的要求,4.模糊自整定PID控制器设计,模糊自整定PID控制原理,模糊自整定PID控制系统原理图,PID参数模糊自整定是找出PID三个参数与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。,4.模糊自整定PID控制器设计,模糊自整定PID控制器设计,（1）确定输入变
8、量和输出变量,输入输出变量编辑窗口,动臂塔机水平变幅控制系统模糊自整定PID控制器采用两输入三输出型， 输入变量：控制偏差e和偏差变化率ec 输出变量：PID控制参数Kp、Ki、Kd。 Matlab中模糊控制器输入输出变量编辑窗口如图。,4.模糊自整定PID控制器设计,模糊自整定PID控制器设计,（2）输入输出变量模糊化 定义描述输入变量和输出变量语言值的模糊子集为： 负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)。 设置输入量论域： e、ec ：-3，-2，-l，0，l，2，3 设置输出量论域： Kp：-5，-3，-1，0，1，3，5； Ki：
9、-0.1，-0.06，-0.02，0，0.02，0.06，0.1； Kd：-0.5，-0.3，-0.1，0，0.1，0.3，0.5。,隶属函数：,输入输出变量隶属函数,1）输入量e和ec的隶属函数,2） Kp、 Ki、 Kd的隶属函数,4.模糊自整定PID控制器设计,模糊自整定PID控制器设计,（3）模糊控制规则表 根据模糊自整定PID控制参数整定原则并结合动臂塔式起重机实际操作经验 ，经过仿真实验得出Kp、Ki、Kd三个参数整定的模糊规则表如下表所示。,4.模糊自整定PID控制器设计,模糊控自整定PID控制器设计,（4）在线校正 根据模糊规则表在线修正PID参数，计算公式： ； ； 式中 ，
10、 ， 初始PID参数； ， ， 模糊自整定PID控制器的三个输出参数，可根据被控对象的状态进行参数自动整定。,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,关系式推导,臂头高度的变化,要实现水平变幅，臂头到吊重之间悬垂钢丝绳长度的变化量l与臂头高度的变化量l的关系应满足,假设起升倍率为n1，则起升机构放出的钢丝绳的长度,水平变幅过程中，吊重高度变化的 控制误差值,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,系统控制策略,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,变幅引起的绳长变化与变幅卷筒转速的关系,变幅卷筒的出/收绳量是通过安装在变幅卷筒上的绝对值编码器来计算得到的。首先设定缠绕在变幅卷筒上的钢丝绳总长度L1
11、对应的变幅编码器总脉冲数N01，水平变幅过程中，由变幅卷筒的转速可以计算出时间t内变幅编码器旋转的圈数，再由编码器旋转一圈发出的脉冲数（编码器的分辨率）Nm，就可以计算出时间t内，变幅卷筒的出/收绳量。,变幅卷筒的转速：,时间t内，变幅卷筒引起的绳长变化量：,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,变幅机构绳长变化量与臂架变幅角度的关系,臂架在初始位置时,臂架变幅到角度 时,由初始角度0变幅到角度 的过程中，变幅卷筒的收绳量（假定变幅倍率为n2）为,联立，解出,又有,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,起升引起的绳长变化与起升卷筒转速的关系,起升卷筒的转速：,时间t内，起升卷筒引起的绳长变化量
12、：,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,变幅及起升系统模型建立及验证,一些设计参数及模型初始设置值,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,变幅及起升系统模型建立及验证,变幅回路的系统模型,起升回路的系统模型,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,变幅及起升系统模型建立及验证,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,变幅及起升系统模型建立及验证,设计参数与仿真结果对照,系统的一些参数的设计值与仿真值的误差均在4%以内，证明 本文所建立的系统模型是比较准确的。,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,无控制算法的系统模型建立及仿真结果,吊重位置的偏差不断增大，最大偏差达到1.07m，达不到水平变幅的
13、控制要求。,需采用某种控制算法对偏差 进行运算处理后再控制起升回路。,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,加入控制算法的系统模型建立,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,仿真结果对比分析,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,仿真结果对比分析,采用模糊自整定PID控制器要比采用常规PID控制器更能提高动臂塔式起重机水平变幅的精度及减小达到稳定的时间。,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,系统在3s时添加一10KN的负载干扰信号,抗干扰能力,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,系统在3s时添加一10KN的负载干扰信号,抗干扰能力,5. 水平变幅控制整体建模及仿真分析,采用模糊自整定PID
14、控制器要比采用常规PID可以使系统的抗干扰能力更强，提高了系统的抗干扰能力。,抗干扰能力,结果对比分析,6.总结与展望,总结,分析了动臂塔式起重机的分类、结构组成及其特点。针对1600TM动臂塔 式起重机，设计了其变幅及起升系统的液压原理；设计了该动臂塔式起重机的电气控制系统并对电液控制系统的关键元件进行了选型； 运用传递函数的方法建立了变幅及起升液压系统的数学模型，并分别用频域分析法及时域分析法分析了系统的稳定性及动态响应特性； 设计了动臂塔式起重机水平变幅系统的模糊自整定PID控制器； 实现了动臂塔式起重机水平变幅系统的仿真分析，验证了模糊自整定PID对于动臂塔式起重机的水平变幅具有更好的控制效果。,展望,将模糊自整定PID应用在实际的动臂塔式起重机水平变幅系统中； 模糊自整定PID的控制效果仍需提高，模糊控制规则还需要结合实践进一步 改进； 本文建模时并没有考虑风载的影响，也没有具体考虑钢丝绳变形及臂架的变形对水平变幅的影响，而是通过模糊控制将这些影响因素综合进行补偿，后续研究中可以具体考虑这些因素对水平变幅的影响。,恳请各位老师批评指正 谢谢！,
