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        基于模糊PID的叉梳式立體車庫電機(jī)調(diào)速研究

        2022-06-08 01:41:34郭秀榮鄭立文杜丹豐
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2022年4期
        關(guān)鍵詞:變頻器

        郭秀榮 鄭立文 杜丹豐

        (1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040;2.東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

        0 引言

        隨著汽車保有量的增加,城市道路停車位緊缺,停車難問題已成為影響城市發(fā)展的重要因素之一,而新型的立體停車庫可以有效地解決停車難題。然而,現(xiàn)有的立體停車庫設(shè)備操作復(fù)雜、控制系統(tǒng)不穩(wěn)定,因此研究立體車庫的控制系統(tǒng)尤為重要。

        該文以叉梳式立體車庫升降機(jī)構(gòu)電機(jī)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象,探討立體車庫的電機(jī)控制方法。作為立體車庫的控制核心,電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)立體車庫的性能起關(guān)鍵作用,影響立體車庫的工作效率。傳統(tǒng)PID 控制也可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制,從而達(dá)到所需的精度,但電機(jī)的響應(yīng)速度較慢,立體車庫控制系統(tǒng)效率不高。鄭清銘等人對(duì)同步電機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行研究,分析電機(jī)模態(tài)階數(shù)以及模態(tài)頻率的仿真結(jié)果,并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。楊曉玫等人針對(duì)無刷直流電機(jī)使用了雙閉環(huán)PID 控制,該模型能夠較好地達(dá)到所需精度,但電機(jī)系統(tǒng)在傳統(tǒng)的PID 控制算法下難以達(dá)到同步運(yùn)行的精度。

        基于上述研究現(xiàn)狀,利用模糊PID 控制器對(duì)叉梳式立體車庫電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究,探討模糊PID 控制方法,以期對(duì)叉梳式立體車庫電機(jī)系統(tǒng)速度進(jìn)行同步調(diào)節(jié),提高叉梳式立體車庫存車、取車的效率。

        1 立體車庫結(jié)構(gòu)及電機(jī)控制系統(tǒng)

        1.1 叉梳式立體車庫結(jié)構(gòu)

        叉梳式立體車庫主要由升降機(jī)構(gòu)、橫移機(jī)構(gòu)、鋼架結(jié)構(gòu)以及各種檢測(cè)裝置元件等組成,叉梳式立體車庫的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示。叉梳式立體車庫的工作原理為叉梳式立體車庫中間的叉梳臂升降臺(tái)通過鋼絲繩進(jìn)行提升或者下降,叉梳臂升降臺(tái)上的汽車可以沿垂直方向上升或者下降,汽車也可由橫移電機(jī)驅(qū)動(dòng)的叉梳載車板在水平方向上移動(dòng),如果需要存取汽車,則可利用叉梳臂升降臺(tái)和叉梳式載車板梳齒之間的交叉結(jié)構(gòu)對(duì)汽車進(jìn)行存取。

        圖1 叉梳式立體車庫結(jié)構(gòu)簡圖

        1.2 電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        叉梳式立體車庫的電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。PLC 控制器作為叉梳式立體車庫的控制核心,它可以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。電機(jī)的速度控制是一種對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制的系統(tǒng),旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,并將旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)出來的脈沖信號(hào)送回PLC 控制器,然后進(jìn)行計(jì)數(shù)以及計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速差,通過變頻器調(diào)整異步電機(jī)工作電源的頻率和電壓,使異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整到一個(gè)穩(wěn)定值。

        圖2 電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        2.1 PID控制

        PID 控制器可以被應(yīng)用在各種場(chǎng)合,其也能對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,PID 控制算法的微分方程如公式(1)所示。

        式中:()為輸出信號(hào);()為反饋?zhàn)兞浚?span id="0wm0auu" class="emphasis_italic">K為比例系數(shù);K為積分系數(shù);K為微分系數(shù)。

        2.2 控制器設(shè)計(jì)思路

        由于立體車庫所存取車輛的尺寸大小不一樣,因此在存取汽車過程中,質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化,立體車庫控制系統(tǒng)需要不斷調(diào)整控制器參數(shù),以控制電機(jī)平穩(wěn)、快速地運(yùn)行,并對(duì)叉梳式立體車庫電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行同步調(diào)節(jié)。當(dāng)立體車庫運(yùn)行時(shí),通過傳感器和PLC 高速計(jì)數(shù)模塊不斷檢測(cè)計(jì)算速度的偏差量和速度差變化率的變化值,并利用設(shè)計(jì)好的模糊控制關(guān)系對(duì)計(jì)算測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理,從而對(duì)PID 控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,根據(jù)PID 控制器計(jì)算調(diào)整好的PID 參數(shù)就可以得出變頻器的調(diào)整頻率值,從而對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行同步調(diào)節(jié),模糊PID 控制原理如圖3 所示。

        圖3 模糊PID 控制原理圖

        2.3 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

        模糊控制是一種通過模仿生產(chǎn)人員的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的規(guī)則控制。對(duì)叉梳式立體車庫電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析,選取模糊控制器的輸入?yún)?shù)為叉梳式立體車庫電機(jī)速度差和速度差的變化率e,設(shè)定模糊控制的輸出參數(shù)為K、K以及K。設(shè)定輸入、輸出變量的論域?yàn)閇-6,6]。使用7 個(gè)模糊語言變量進(jìn)行描述,分別為負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)?。∟S)、零(Z)、正?。≒S)、正中(PM)以及正大(PB)。根據(jù)隸屬函數(shù)的特性要求,采用三角型隸屬度函數(shù),如圖4 所示。

        圖4 輸入、輸出三角隸屬度函數(shù)示意圖

        當(dāng)叉梳式立體車庫運(yùn)行時(shí),因?yàn)椴煌倪\(yùn)行工況會(huì)導(dǎo)致3 個(gè)參數(shù)KK以及K發(fā)生變化,所以需要控制PID 參數(shù)的選取范圍,建立模糊規(guī)則庫對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

        表1 模糊規(guī)則表

        以模糊規(guī)則為例,得到模糊推理曲面觀測(cè)圖如圖5 所示,圖5 的曲面基本平整,滿足模糊規(guī)則要求。

        圖5 模糊推理輸出曲面觀測(cè)圖

        3 模糊PID控制器的仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

        3.1 模糊PID控制器的仿真

        針對(duì)叉梳式立體車庫控制系統(tǒng),在MATLAB 中建立模糊PID 控制器的對(duì)比模型進(jìn)行仿真。利用試湊的方法,根據(jù)順序分別計(jì)算KK以及K,將計(jì)算得出的3 個(gè)參數(shù)代入模糊PID 控制器,并設(shè)定仿真時(shí)間為3 s,仿真得到的曲線圖如圖6 所示,在階躍信號(hào)下,模糊PID 控制具有更快的響應(yīng)速度,可以達(dá)到預(yù)期的穩(wěn)定效果。

        圖6 階躍響應(yīng)仿真對(duì)比圖

        由此可知,對(duì)PID 控制器自整定的PID 參數(shù)來說,當(dāng)控制系統(tǒng)的參數(shù)因外界因素而產(chǎn)生變化時(shí),由PID 控制器控制的系統(tǒng)會(huì)更容易出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象,而且控制系統(tǒng)的震蕩幅度比模糊PID 控制更大,因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的本身也存在參數(shù)和結(jié)構(gòu)的不確定性,所以需要使用模糊PID 控制對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),在模糊PID 控制策略下,控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好。

        3.2 模糊PID控制器性能測(cè)試

        為驗(yàn)證模糊PID 控制器的調(diào)速性能,搭建叉梳式立體車庫樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),由于實(shí)際的立體車庫成本過高,因此設(shè)計(jì)了如圖7 所示的3 層的叉梳式立體車庫樣機(jī)。叉梳式立體車庫樣機(jī)所用異步電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 440 r/min。

        圖7 叉梳式立體車庫樣機(jī)圖

        在開展叉梳式立體車庫試驗(yàn)的過程中,給變頻器和PLC控制器分別接入24 V 直流電源和220 V 交流電源,將軟件程序下載到PLC 控制器并進(jìn)行調(diào)試。模糊PID 控制系統(tǒng)中的速度測(cè)量反饋系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)編碼器和PLC 的高速計(jì)數(shù)模塊組成。以叉梳式立體車庫升降機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象,在模糊控制系統(tǒng)工作過程中,通過安裝在升降機(jī)構(gòu)電機(jī)主軸的旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得當(dāng)前速度,經(jīng)過計(jì)算可以得出速度差和速度差的變化率e,然后經(jīng)過模糊處理得到輸出值,再通過PID 控制器將其輸出到變頻器,變頻器調(diào)整頻率,以控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

        由圖8 可知,隨著變頻器頻率的升高,梳式立體車庫升降電機(jī)轉(zhuǎn)速升高,叉梳臂升降臺(tái)速度也隨之上升,此時(shí)立體車庫升降機(jī)構(gòu)給定速度由0.0 m/s 上升到0.4 m/s,而反饋速度須在模糊PID 控制器下才能快速地同步調(diào)速到對(duì)應(yīng)的速度值,最終使實(shí)際運(yùn)行速度與給定速度基本保持一致,速度反饋?zhàn)畲箝g隔時(shí)間為0.425 s,最大誤差不超過1%。試驗(yàn)調(diào)試結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的模糊PID 控制器可以對(duì)立體車庫電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行同步調(diào)速,且叉梳式立體車庫樣機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

        圖8 速度跟蹤曲線

        4 結(jié)論

        針對(duì)叉梳式立體車庫存在電機(jī)速度響應(yīng)問題,該文提出了一種利用模糊PID 控制對(duì)叉梳式立體車庫電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng),建立了基于模糊PID 控制器的對(duì)比仿真模型,還搭建了叉梳式立體車庫樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試,得出如下結(jié)論:1)根據(jù)仿真結(jié)果可知,模糊PID 控制器調(diào)節(jié)立體車庫控制系統(tǒng)的參數(shù)的速度更快,動(dòng)態(tài)響應(yīng)小,并且具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。2)樣機(jī)調(diào)試結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的模糊PID 控制器可以對(duì)叉梳式立體車庫電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行同步調(diào)速,且叉梳式立體車庫樣機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行。

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