基于模糊PID参数自整定的...面起重机带超起伸缩控制研究_田炯明.pdf

6工程机械与维修TECHNOLOGY&MAINTENANCE技术维修1 超起装置概述超起装置是在伸缩臂根部与伸缩臂头部之间设置臂架式超起桅杆、超起拉索、超起拉板和伸缩臂形成双三角稳固形式，从而减小起重机伸缩臂的挠度，增加其整体稳定性。Y 型超起是最常用的超起机构，其结构形式见图 1。超起装置主要应用于大吨位（400t 以上级）全地面起重机。起重机的超起工况能达到起重机设计最大载荷的 105%以上。超起卷扬安装在超起撑杆的头部，在起重机主臂伸长和缩回时，超起卷扬按一定的速度放出和卷入钢丝绳2。吊臂伸缩时，超起卷扬放绳或者收绳不能过快或过慢，超起拉索应保持一定的张紧拉力。该拉力值随吊臂长度发生变化，长臂时拉力为较大值，短臂时拉力为较小值。现有主臂带超起伸缩过程中，采用手动控制复合动作，人为控制伸缩速度和超起卷扬放绳，确保正确伸缩同时需要维持一定超起拉力值。塔臂带超起伸缩过程中，主塔臂夹角变化需要不同的超起卷扬拉力值。主塔臂夹角较大时，拉力为较大值；主塔臂夹角较小时，拉力为较小值。可见，带超起伸缩复合操作中存在三个问题：伸缩至不同臂长、或者主塔臂夹角变化时，具有不同的超起目标拉力值。复合动作操作不当，会导致超起卷扬乱绳、松绳、陷绳、过紧崩断，引发安全事故3。手动复合操作劳动强度大，工作效率低。本文提出全地面起重机带超起伸缩时超起拉力的控制方法，针对不同臂长、不同主塔臂夹角对应不同超起目标拉力值的工况要求，采用模糊 PID 参数自整定策略，对伸缩过程中的超起拉力值进行自适应控制，实现复合动作控制。2 模糊PID参数自整定技术起重机伸缩、超起卷扬随动过程中，超起拉力值是变化量，随臂节长度增加逐渐增大。拉力值增加意味着负载增大。倘若一套 PID 参数适应于低负载闭环控制，那么不一定同样适应于高负载闭环控制。因此，负载拉力变化时，要求 PID 参数具有自适应性。在伸缩、主塔臂夹角控制过程中，负载量与钢丝绳倍率相关，倍率大则负载大。因此，低倍率负载下的 PID 参数，并不一定适合高倍率负载的闭环控制。上述问题对 PID 参数自适应调整提出了要求。PID 参数自适应整定方法有多种，其中模糊自适应整定 PID 参数以专家知识为控制基础，以模糊数学为理论基基于模糊PID参数自整定的全地面起重机带超起伸缩控制研究田炯明 郭纪梅 赵焜煜摘要：全地面起重机主臂带超起伸缩时，超起拉索应保持一定的张紧拉力，不同臂长、不同主塔臂夹角均对应不同超起拉力值。为了解决带超起伸缩过程中负载拉力变化问题，采用模糊 PID 参数自整定策略，对伸缩过程中的超起拉力值进行自适应控制，实现复合动作控制需求。该方法能使超起拉力值追随目标拉力值变化，并始终维持在目标拉力值附近，控制更加稳定、可靠。关键词：PID 参数；自整定；全地面起重机；带超起；伸缩控制（中联重科股份有限公司，湖南长沙 410131）图1 起重机Y形超起结构起升回转主臂伸缩主臂变幅塔臂变幅超起卷扬2TECHNOLOGY&MAINTENANCE技术维修CM&M 2023.017础，具有控制稳定性、抗干扰性和易实施性等优点，是一种经典的参数自适应 PID 控制方法。2.1 自整定模糊控制器及整定流程将操作人员（专家）长期实践积累的经验知识用控制规则模型化，然后运用推理便可对 PID 参数实现最佳调整。自适应模糊 PID 控制器以偏差e和偏差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对 PID 参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改，便构成了自适应模糊 PID 控制器。由于在起重机控制中，一般忽略偏差的动态响应性能，可以忽略微分作用，其控制器结构如图 2。整定流程如图 3 所示。2.2 确定超起目标拉力值按设计要求确定不同臂长、塔臂长、以及主塔臂夹角下的目标拉力值，见表 1。从表 1 可以看出，不同主臂长、塔臂长、以及主塔臂夹角均要求不同的目标拉力值。2.3 定义输入、输出量模糊分布输入：e为拉力偏差，论域为-0.6,+0.6，ec为拉力偏差的变化量，论域为-0.9,0.9，取三角形隶属函数，定义模糊子集 NB,NS,ZO,PS,PB。e和ec的隶属度函数如图 4所示。输出：Kp和 Ki是 PID 参数Kp和Ki的变化量，Kp和 Ki的论域为-0.3,0.3，取三角形隶属函数，定义模糊子集为NB,NS,ZO,PS,PB。Kp和 Ki的隶属度函数如图 5 所示。2.4 模糊推理根据对液压系统及 PI 参数控制特性的经验，建立 Kp和 Ki模糊规则，Kp控制规则见表 2，Ki控制规则见表 3，共 25 条规则。Kp 与 Ki的控制规则可表示为图 6、图 7 的模糊控制曲面。2.5 计算结果根据输入变量e和ec，模糊控制器输出Kp和Ki的调整图2 PID参数自适应模糊控制器结构图4 e和ec的隶属度函数图5 Kp和Ki的隶属度函数a e的隶属度函数a Ki 的隶属度函数b ec的隶属度函数b Ki 的隶属度函数图3 PID参数自适应整定流程参考值入口取当前采样值e(k)=r(k)-y(k)ec(k)=e(k)-e(k-1)e(k-1)=e(k)e(k)、ec(k)模糊化模糊整定Kp、Ki计算当前Kp、KiPID控制器输出返回反馈值被控对象输出PID控制器解模糊KpeKi模糊推理模糊化表 1 超起拉力目标值 主臂臂长/m塔臂臂长/m主塔臂夹角/目标拉力/t拉力偏差/tL 39.3 4515 210.90.321 250.950.3 4515 181.00.339.3 L 66.84515 211.10.321 251.20.3 4515 181.30.366.8 L 90 4515 211.60.321 251.750.3 4515 181.90.38工程机械与维修TECHNOLOGY&MAINTENANCE技术维修量 Kp和 Ki，仿真结果见图 8。当拉力偏差为 0t、偏差变化率为 0t/s 时，输出 Kp为 0、Ki为 0；当拉力偏差为-0.3t、偏差变化率为0.1t/s时，输出Kp为0.15、Ki为0.05。3 拉力跟随试验基于模糊 PID 参数自整定的左超起拉力控制效果如图9 所示，右超起拉力控制效果如 10 所示。进行主臂带超起伸缩试验，所带塔臂长度小于 45m，主臂长度从 72.3m 伸至83.3m，伸缩速度保持110mm/s，伸缩过程中变化主塔臂夹角。当主塔臂夹角在 1521变化时，目标拉力值为 1.6t；当主塔臂夹角在 2125变化时，目标拉力值为 1.75t。试验结果显示：左、右超起拉力值均能跟随塔臂角度变化，在目标值上、下浮动，稳定后误差值小于 0.3t，满足控制要求。4 结语超起装置是在伸缩臂根部与伸缩臂头部之间设置臂架式超起桅杆、超起拉索、超起拉板和伸缩臂形成双三角稳固形式，从而减小起重机伸缩臂的挠度，增加其整体稳定性。带超起伸缩复合操作中存在三个问题：一是伸缩至不同臂长、或者主塔臂夹角变化时，具有不同的超起目标拉力值。二是复合动作操作不当，会导致超起卷扬乱绳、松绳、陷绳、过紧崩断，引发安全事故3。三是手动复合操作劳动强度大，工作效率低。为了解决带超起伸缩过程中负载拉力变化问题，本文采用模糊 PID 参数自整定策略对伸缩过程中的超起拉力值进行自适应控制，使得主臂伸缩时能实现超起放绳的复合动作，超起拉力值能追随目标拉力值变化，并始终维持在目标拉力值附近。模糊 PID 参数自整定策略具有高稳定性、可靠性的优势，能够用于其他复合工况，如超起变幅与卷扬的复合工况、其他变负载工况。参考文献1 李保菊.具有超起装置的起重机伸缩臂稳定性研究 D.大连:大连理工大学,2012.2 郑冬.全地面起重机超起卷扬排绳系统设计与仿真 D.大连:大连理工大学,2013.3 李怀福,李武.起重机超起装置控制系统设计 J.建筑机械,2017(4):4.4 刘金琨.先进 PID 控制 MATLAB 仿真 M.北京:电子工业出 版社,2004.表 2 Kp控制规则表 NBNSZ0PSPBNBPBPBPBPBPBNSPBPSPSPSPBZ0PSZ0Z0Z0NSPSNBNSNSNSNBPBNBNBNBNBNB表 3 Ki控制规则表 NBNSZ0PSPBNBPSZ0Z0Z0Z0NSPBPSPSPSZ0Z0PSPSZ0NSNSPSZ0NSNSNSNBPBZ0Z0Z0Z0NS图7 模糊控制曲面Ki 图9 左超起拉力图10 右超起拉力图8 模糊PID参数输出图6 模糊控制曲面Ki TECHNOLOGY&MAINTENANCE技术维修时间/s拉力/t拉力/t时间/s