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        基于位置檢測的橋式起重機模糊滑模糾偏控制

        2019-09-10 07:22:44毛景魁倪艷榮陳智娟
        河南科技 2019年34期
        關(guān)鍵詞:橋式起重機

        毛景魁 倪艷榮 陳智娟

        摘 要:起重機在實際運行過程中會出現(xiàn)跑偏和“啃軌”的現(xiàn)象,從而影響起重機的使用和壽命。針對此現(xiàn)象,采用傳感器檢測車輪的位置信息,使用模糊控制和滑??刂葡嘟Y(jié)合的控制策略,有效提升起重機的性能,提高實際生產(chǎn)效率,延長起重機壽命。

        關(guān)鍵詞:橋式起重機;位置檢測;模糊滑模控制

        中圖分類號:TH215;TP273 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1003-5168(2019)34-0063-03

        Deviation Correction of Bridge Crane Based on Position

        Detection with Fuzzy Sliding Mode Control

        MAO Jingkui NI Yanrong CHEN Zhijuan

        (Henan Institute of Technology,Xinxiang Henan 453003)

        Abstract: In the actual operation of the crane, there will be deviation and "rail gnawing", which will affect the service life of the crane. In view of this phenomenon, the sensor was used to detect the wheel position information, and the control strategy of fuzzy and sliding mode control was used to effectively improve the performance of the crane, improve the actual production efficiency, and extend the life of the crane.

        Keywords: bridge crane;position detection;fuzzy sliding mode control

        1 研究背景

        在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場,橋式起重機的運行環(huán)境較惡劣,工作任務(wù)較繁重,而各結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性和可靠性較差[1]。同時,橋式起重機具有跨度大、水平剛度低、零件多、安裝過程復(fù)雜的特點,而且傳動機構(gòu)的安裝精度難以得到有效保證,特別是在使用過程中運行頻繁的起重機,其傳動機構(gòu)的積累誤差更大,再加上實際工作時會遇到各種復(fù)雜情況,橋式起重機在運行時難免會有不同程度的跑偏或“啃軌”現(xiàn)象,橋式起重機的車輪輪緣和軌道會產(chǎn)生接觸,相互擠壓摩擦,從而降低實際的作業(yè)效率,甚至發(fā)生安全事故[2-4]。在橋式起重機運行過程中,實施實時糾偏控制,可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,保障人員和設(shè)備安全,降低維修費用,提高實際生產(chǎn)效率[5]。

        近年來,起重機運行過程中的“啃軌”問題引起了相關(guān)領(lǐng)域的高度重視,由此,出現(xiàn)了大量研究成果。傳統(tǒng)的糾偏控制方法主要為提高鋼架強度,提高安裝精度,如加裝水平輪,輪緣與軌道之間的滑動摩擦被水平輪的滾動摩擦取代,在相同側(cè)向力的情況下,運行機構(gòu)的摩擦阻力大大降低。

        采用機械的方法對起重機進行糾偏處理,雖然能減小運行中的摩擦力,提高起重機的運行效果,但并不能避免起重機行走時出現(xiàn)偏差。

        在起重機運行過程中,實時檢測起重機的偏移狀態(tài),并實施糾偏控制[6],可以防止起重機運行中發(fā)生偏移,提高起重機運行的安全性。

        2 運行“啃軌”及偏移檢測

        起重機驅(qū)動輪的動力不一致,使起重機的驅(qū)動輪和從動輪發(fā)生右傾斜,與軌道的摩擦力增加,從而發(fā)生“啃軌”現(xiàn)象,如圖1所示。同理,向左傾斜時也會發(fā)生左傾“啃軌”現(xiàn)象。

        傾斜的角度越大,驅(qū)動輪或從動輪與軌道的壓力就越大,造成接觸處的摩擦力增加,引起接觸面發(fā)熱、磨損,甚至無法正常工作。

        通過上述分析可知,起重機產(chǎn)生偏移是發(fā)生“啃軌”的前兆。為此,將傳感器檢測到的結(jié)果送給控制器,根據(jù)不同的原因,使用模糊滑??刂扑惴?,實施糾偏控制。

        3 基于模糊滑??刂频目刂屏可?/p>

        對于因驅(qū)動不一致而發(fā)生起重機偏移造成的起重機工作不正?;驘o法工作的情形,通過調(diào)節(jié)相應(yīng)驅(qū)動輪的驅(qū)動力,即驅(qū)動電機的速度,糾正起重機的偏移,使起重機始終與軌道“對正”,保證起重機沿軌道順暢運行。

        令檢測矩陣[H]為起重機上傳感器的輸出,則[H]為:

        [H=H1H2H3H4]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (1)

        式中,[H1]、[H2]為左側(cè)微偏移傳感器輸出;[H3]、[H4]為右側(cè)微偏移傳感器輸出。起重機運行時,偏移傳感器的輸出為[Ht],[H0]為正常狀態(tài)的輸出,則定義偏差:

        [S=e(t)=H(t)-H(0)]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (2)

        對偏差求取微分后,可寫為:

        [e(t)=S·=ΔSΔt=H(t)-H(t-Δt)ΔtΔt→Ts]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(3)

        對于起重機的偏移,采用的方法是同側(cè)調(diào)整;偏移為零時為正常工作狀態(tài)。把正常狀態(tài)看作調(diào)節(jié)量為0的滑模面,按照加權(quán)計算后獲取輸入控制量,計算公式如式(4)所示。

        [u(t)=αS·+βS+C]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(4)

        式中,[α]為偏移微分后的系數(shù);[β]為偏移的比例系數(shù);[C]為常數(shù);[S]為滑模面。

        設(shè)起重機右側(cè)速度與左側(cè)速度的偏差為正,則在實際運行中,[C]的符號與[S]的符號一致?;W兘Y(jié)構(gòu)的糾偏控制過程如圖2所示。從圖2可以看出,糾偏過程是一個多次震蕩、逐步收斂的過程。

        在實際控制時,由于靜摩擦力的存在而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)控制死區(qū)。常數(shù)[C]是為了消除控制死區(qū)而設(shè)置的,其大小靜止?fàn)顟B(tài)時,可逐漸施加控制,直至起重機開始運動,此時的控制量即為常數(shù)[C],可表示為:

        [C=u(t)S=0S·=0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(5)

        設(shè)置合理的控制參數(shù),可以有效地衰減抖動,使起重機快速達到穩(wěn)定狀態(tài)。綜合考慮快速性和穩(wěn)定性,取[α=10],[β]取值根據(jù)誤差[S]的范圍確定,即

        [β=50,S>100,S=020,0<S<10]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (6)

        4 基于模糊滑??刂频目刂屏枯敵?/p>

        滑模算法本身存在“抖振”的缺點,表現(xiàn)在糾偏控制上為偏移量在平衡點附近的多次振蕩。

        為減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間,對計算出的控制量進行模糊化,使用預(yù)定義的控制規(guī)則得到模糊化的控制量,再使用面積重心法去模糊化后,得到實際控制量,其過程如圖3和圖4所示。

        由于起重機一般采用2個驅(qū)動輪,需要對實際控制量經(jīng)過變換矩陣[B],得到施加到驅(qū)動電機上的控制量[M],即

        [M=M1M2=FB=F1F2F3F411]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(7)

        式中,[M1]為左側(cè)電機控制量;[M2]為右側(cè)電機控制量。[M]>0為正轉(zhuǎn),[M]<0為反轉(zhuǎn)。

        位移產(chǎn)生差別后,控制器對起重機的驅(qū)動輪進行控制,保證起重機始終對正軌道,避免出現(xiàn)較大偏差,保證起重機穩(wěn)定、安全運行。

        5 控制效果

        采用模糊滑??刂坪蟮钠鹬貦C偏差控制效果如圖5所示。

        從圖5可以看出,位移產(chǎn)生差別后,控制器對起重機的驅(qū)動輪都進行了控制,保證起重機始終對正軌道,避免出現(xiàn)較大偏差,保證起重機穩(wěn)定、安全運行。

        6 結(jié)論

        采用模糊滑??刂茖ζ鹬貦C運行過程進行糾偏,可對偏移進行快速處理。結(jié)合模糊控制,有效消除滑??刂频恼袷?,使系統(tǒng)控制更加平滑,兼顧了糾偏控制的快速和平穩(wěn)性能。

        參考文獻:

        [1]李勇剛,劉思宇,朱紅求,等.橋式起重機大車自適應(yīng)同步協(xié)調(diào)糾偏控制[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2018(8):1971-1978.

        [2]徐偉鋒,宋興海.糾偏控制技術(shù)在橋、門式起重機中的應(yīng)用[J].起重運輸機械,2014(1):73?74.

        [3]景超,霍麗娜,李曉明.大跨度門式起重機的電氣自動糾偏系統(tǒng)[J].重工與起重技術(shù),2016(2):23?24.

        [4]徐耀良,趙萬劍,王博,等.自適應(yīng)模糊控制在糾偏控制器中的應(yīng)用[J].控制工程,2013(2):313?316,323.

        [5]劉瑾,李興根.橋式起重機糾偏控制策略的研究[J].新技術(shù)新工藝,2010(10):27-29.

        [6]王進峰.起重機行走自動糾偏系統(tǒng)的研究[J].電氣技術(shù),2013(8):37-39.

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