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【经典硕博论文】武汉科技大学硕士论文-起重机自动纠偏系统设计

发布时间:2019-06-25 08:06 来源:未知 编辑:admin

  武汉科技大学 硕士学位论文 起重机自动纠偏系统控制 姓名:何光 申请学位级别:硕士 专业:机械电子工程 指导教师:谢剑刚 20080510

  摘要 起重机是现代化大生产中许多工矿企业生产线上必不可少的生产设备。但大部分桥式 起重机都奄不同程度的大车跑偏或嘴轨现象。啃轨是指起重机的大车或小车在运行过程中 困车轮跑偏而使轮缘与轨道的铡面接触,在运行过程孛产生摩擦,加速轮缘的磨损,导致 轮缘磨薄超标甚至整个车轮报废,使车轮过早损坏的现象。这极大的威胁着起重机的安全

  运行,同时也会增加运行维护费用。因此,探究啃轨现象发生的原因并加以预防和消除具 有十分重要的意义。 本文研究发现起重机啃轨一般是由于车架或轨道误差,造成起重机车轮不能沿着轨道 的中心行走,逐渐走偏而发生啃轨。在实际治理啃轨现象的工作中,一般是以提高车架和 车轮的安装精度,校正和消除起重枫_和轨道的缺陷为主要方法。长期以来入们为解决啃轨 问题傲了{燹多努力和尝试,但效果不是很理想。 本课题提出治理啃轨的新方案是纠正车架相对于轨道的偏斜,力图保证车轮沿着轨道 中心线行走。提出起重机运行过程中采用变频纠偏系统。变频纠偏是解决起重机啃轨的可 能突破露。变频纠偏将传统酋被动纠偏变为主动纠偏,可以浼是起重机纠偏方法一次全薪 尝试。

  在控制系统上,笔者选择工业控制中常用的PID控制器。在Pm控制器的三个参数整定

  中,笔者盘创了逐步黄金分割法。这种方法不需要精确数学模型,不需要传递函数,不需 要专家经验,方法简单,计算量不大,同时不失结采的准确性。

  该控制系统的特点在于:纠偏理论新颖、设备简单、价格低廉、运行可靠、操作简单。

  本系统中所使用的89C52芯片,可以烧写1000次左右,也为以后的软件升级提供了保证。 这种弱电和强电靛有效结合,在_工业控制方面是一次有益探索和成功尝试。

  Crane is the necessary equipment in most industrial and mining enterprises in the modem world.But mos.t bridge might result in wear of

  rail wheels。As the wheel slide against the track,the contact

  is anything but smooth.Friction appears when the wheel and the track rub against each

  other.Friction may make the wheels wear out quickly,become thinner and thinner,and shatter finally.This may make it dangerous to spent

  and to prevent and eliminate off-tracking.

  of the frame and the track which make the

  many endeavors and attempts having been done by people,but the effect is limited. The writer think way

  completely new way to settling the gnaw rail problem.The

  keep the wheel running along the rail central line。From the new point of view

  putting forward using frequency control possible way

  with grawing of cranes.Frequency control changes the traditional

  correcting errors.It In the industrial

  control system,the writer cantrol commonly.I

  choose the PID controller which is used

  method does not require precise mathematical model,

  require expertise,is simple,not computation,

  and yet the accuracy of the results.

  not complicated;the price is cheap;the system

  programming.It’S very easy to update in the electricity

  Keywords:Crane,Off-tracking,Gnaw Rail,PID Frequncy Contr01.

  究掰裴蒋赞戒慕.狳了文串毫经遘锈萼|鬻的蠹寨或蓠各{睾醑究共篱究盛的 薹律舞,本论文零篷含任舞其健个久裘繁体艺经发表或撰写过簿箨器残慕。

  奉谂文舞研竞残幕罄武汉菸技太学赞褰,英磅蹩疼謇苇搏滚其它孽攮 鳃名义发袭。奉入完全了篓武汉季睾技大学寒关保辇。傻惩学位论文蛉撬定, 瞬意学授保馨并向有关部门送交论文的复印件和电子版本,允许论文被查 谭和僭阕,同意学校将本论文昀全部或部分内容编入肖兼数据库避行梭索.

  在现代化大生产中,桥式起重枫已成为许多芏矿企业必不可少的生产设餐。而在桥式 起重祝的使焉中,{蠢于其跨度大、水平剐度低,传动视构的制造安装藕度难以傈证,特别 是运行频繁的起重机,其传动机构的积累误差更大【n,导致大部分桥式起煎机都有不同程 度的大车跑偏或啃轨现象。这极大的威胁着起照机的安全运行,同时也会增加运行维护赞 耀驻l。因此,探究晴轨现象发生酌原因并加以颈靛帮消除具有十分重要懿意义。 大车或小车在运行过程中由予器种原因,造成超重机大车轮或小车轮楱对子轨道歪斜 运行,车轮轮缘与轨道侧面摩擦,造成磨损,形成啃轨现象【3J。在正常设计情况下,起髓 机麴大车苇轮轮缘应与轨道保持一定的闻隙,~般规定(GB3811.83)车轮踏蘧比轨道顶 蚕宽30-40ram。小车车轮轮缘篦鞔道顶瑟宽20.30ram。晴孰一般是随着车轮的歪瓣及车轮 的横向滑动产生的。轻微的啃轨会使车轮的轮缘与轨道侧面出现明显的磨损痕迹,严重的 啃轨则会Elj于运行中的车轮与轨道侧面的强烈挤压作用使车轮轮缘内侧及轨道侧面发生 铁篱剥落甚至轮缘整体破裂现象。 1.1.1啃轨造成的不良后果: (羔)缩短车轮的使潮寿命: ~般不啃孰熬轻、孛级工作缀剿豹超重视车轮可以用量Q

  年左右,重级冶金超鬟机车轮可以用5年左右。假是晴轨严重的起重极其车轮一般只能用

  1.2年,有的甚至几个月就要更换。这样增加了维修费用,同时影响了生产计划【引。

  (2)轨道磨损快:轨道侧蕊受到摩擦,使侧面发生铁屑剥落,同时使轨道产生台阶, 减小了车轮与辕道的接触蘧。发生嘴轨时,车轮戆受力可分解到蘸个方离,一个是使车轮

  前进的力,一个是使车轮横向移动的力。后者使轨道受到横向的剪力,使轨道变形,螺栓 松动,蠢剿轨道不能使用时大面积更换。

  ≤3)增大行驶阻力:晴鞔严重鹩起重枧,手橇敖在1、2档主起重规无法开寝。严重

  晴鞔酶超重机其运行阻力是正常情况的1.5.3.5倍。严重晴轨增大了电视察机械传动机构殴 载荷,可能发生电机烧坏或传动轴扭断等事故。 (4)主梁变形断裂:啃轨产生的横向剪力馒起重机主粱水平方向受力,严重时使主

  啃轨发生在轨道连接处时,如果连接处间隙较大,车轮爬到轨道顶 大车轨道是帮厂房结构密切联系的。赣筑严整对,大车孰道受

  由起重机啃轨带来的危害将赢接影响安全生产,同时给企业带来严熏的经济损失。及

  1.1.2啃轨现象的判断 桥式起重机大车在工作中是否发生啃轨,可以从以下几点判断【6】: (1)轨道侧面有一条明亮的痕迹,严重时痕迹上有毛刺; (2)车轮轮缘内侧有亮斑; (3)起重机行驶时,短距离内轮缘与轨道间隙有明显的改变; (4)起重机在运行中,特别是启动与制动时车体走偏、扭摆; (5)啃轨特别严重时会发出嘶嘶声或较响亮的“吭吭”声; (6)轨道顶面有亮斑。 起重机啃轨可分为三级: 轻度啃轨控制器手柄放‘l’挡时起重机不起动,‘2’挡时才起动,停车后惯性运行(不制 动)距离短,轮缘有磨损,但没有掉屑、卷边现象,车轮使用寿命2.3年。 中度啃轨控制器手柄放‘1’挡时起重机不起动,‘2’挡时起动缓慢,停车有时无惯性运 行或运行距离很短,轮缘磨损快并有卷边,车轮使用寿命O.5.1年。 严重啃轨控制器手柄放‘2’挡时起重机不起动,反向运行10m以内,车体歪斜就达到最 大值并开始啃轨,严重时车轮爬上轨道顶面,车轮使用寿命少于半年。 1.2起重机啃轨原因 起重机运行机构啃轨现象的发生是多种因素综合作用所造成的。起重机的制造质量和 轨道的安装质量、桥架变形、桥架刚度、车轮的水平度、垂直度、轮距的误差等都可能造 成运行机构的啃轨。常见的啃轨原因分析如下。 1.2.1设备加工制造误差引起的啃轨 (1)主动车轮直径加工超差 加工主动车轮轮径差过大,且安装在不同端梁,轮径大者较小者要超前。一般水平偏 斜量大于15mm时,轮缘与轨道发生摩擦,产生啃轨现象。 主动轮D1>D,,转数n相等,则两车轮的线速度v不等。在不打滑情况下,一侧相对 另一测的超前量

  例:当起重机的最大超前量入=140ram时,车轮直径D;600ram,运行距离为22.5m 时就有△D=3.73mm(n值通过运行距离除以车轮周长得到)。既当两车轮的直径差为 3.73mm时,起重机在轨道上运行22.5m(轨道与车轮的侧隙为40mm)就将发生啃轨现象。 (2)桥架制造加工超差

  桥架车轮轴孔平行度加工超差,对角线超差或结构中残余内应力释放,使车轮运行中 心线与较遂中心线之闻产生一个夹莛程,导致车轮运行轨迹偏离轨道中心线产生承平谝移,

  车轮圈位酃车轮水平中心线与轨道项西帆§线重舍。一般羼位差大于轮缘与轨遒侧面

  晴孰原因网1.2.1(2)。 (3)车轮垂童偏斜超差 车轮垂直偏斜超差是指车轮不垂直于轨道顶面,车轮踏面与轨道顶面接触不均匀,通 常接触面积小,比压大。因此翠轮滚动面的磨损也不均匀。车轮垂童偏斜超差引起的啃轨 主要是主动轮垂盛偏斜超差(一般认为e墨黪,4∞时车轮垂直偏差在正常范围内,e为垂直 偏差量;D为车轮置径。),被动轮垂直镳斜超差不会引起嚷轨。但考虑到车轮的均匀受力, 被动轮垂直超差与不允许过多。如图1.2所示;

  (4)锥形踏面车轮装配有误 有的起重机运行车轮踏面是1:10(圆锥半径:圆锥高)的锥度锥形车轮,其安装有

  1.2.3车轮驱动不同引起的啃轨 (1)电气参数、性能不同 由于分别驱动的两套传动机构不同步,使车体走斜而啃轨。这种啃轨的特征是:起重 机在启动、制动时,车体扭摆并且啃轨。 (2)机械运行阻力不对称 由于运行阻力的作用,受阻力大的车轮比受阻力小的车轮滞后,致使桥架发生偏斜, 产生水平位移,引起啃轨。 1.2.4轨道原因引起的啃轨 (1)轨道的直线度超差 轨道跨距和轨道水平直线性超差,在起重机跨距不变的前提下,由于轮缘与轨道侧面 间隙减少,造成运行啃轨。这种啃轨一般发生在轨道的固定位置。 (2)轨道水平高度超差

  由于轨道垫层失效以及厂房基础介质不均匀沉降和地基变形等引起的轨道在同一截

  面内高度超差造成啃轨。当高度差较大时,啃轨发生在较低的那根轨道的内侧、较高的那 根轨道的外侧。

  (3)轨道跨度超差 两根轨道直线度、平行度、对称或反对称超差,使轨距大于或小于跨度引起啃轨。 1.2.5桥架水平刚性不够引起的啃轨 桥架水平刚性对于轮缘和轨道间的间隙、车轮的水平偏斜,以及对分别驱动的自动调 整作用对于啃轨都有一定的影响【7l。尤其当桥架的水平刚性不够时可引起啃轨。

  起重机酌操作正确与否直接影响嘻轨。癌动,刹车等应严格按照控制规章规定的步骤 及间隔进行操作,不宜启动过快、刹车过猛。 13啃轨的解决方法 上述的大部分啃轨原因都是由起重机囱身因素或轨道因索造成的,其中车轮偏差所引 起的啃轨较为普遍。在实际治理啃轨现象的工作中,一般也是以校J下和消除起重机和轨道 的缺陷为主要方法。除了提高车檠耩车轮的安装精度以外,传统的处理方法还进行了一些

  (1)采用水平轮代替轮缘导向18l 采用水平轮后,可完全免除轮缘对轨道侧边产生的滑动摩擦,取褥代之的是水平轮与 轨道阉的滚魂摩擦。此种方法捷驱动装置翻车轮上鳃载蓊减少粥%,毽水平车轮在超重枫

  啃轨车轮运行中所产生的水平侧向力是相当大的,此力不仅包含小车制动时的水平力,而

  且也包含大车车轮啃轨轮缘所产生的侧向力,此力可引起厂房房柱产生裂纹,甚至结构破 坏。另外,轨道侧面并不平整,水平轮的轴向凰定方法不容易徽刘很好昀效果瞧楚水平轮

  纠撼嗡轨不能大蘧积推广的瓢因之一。 (2)采用锥形踏面的车轮 如图1.3所汞,当车轮A超前于车轮8时,刚车轮A将运行小蛊径区域,车轮B运 行大煎径。在穗阕的转速下,车轮A运行麴路程少,车轮嚣运行的路程多。这样运行一段 时间以后,车轮B会赶上车轮A,达到两主动轮平齐运行的目的,可避免啃轨。 (3)桥架水平刚性加固 将端粱酶宽度增加,在主梁内井腹板上横离焊接大型槽钢等方法加固桥架水平剐性。 起重机水平嚣l性增大使车架的结构更热稳定不容易发生变形(操持车轮与传动轴线)调整车轮跨度、对角线和同位差 当车轮跨度、?对危线和同诬差偏差不大时,经过调整车轮的水平偏斜、垂直偏斜就会 得到攘应豹改变。若晴鞔仍消除不了时,剡需裁,开定建板,移动车轮德置。两个楚型轴承

  箱有暇块定位键板必须全部割开,调整试车定毕之后辩烬牢。 (5)选取合理的跨度和轮距的比值 超重枫运行中龛许有一定豹謇蠡编斜,邸竞许车轮轮缘与轨道之阉膏一定的横向移动 距离。丽这个距离与跨度和轮距的比值之闻的关系是,魄值越大,允诲的鑫壹偏斜越小, 越易发生啃轨。所以起重机的四车轮呈正方形排列更有利于安全运行,~般取其比值为5—7。 (6)采用润滑减少阻力 雳专震装置淘轮缘与轨道侧面涂澜淆裁瑷藏少运行阻力及减少车轮与轨道之闻瓣蘑 损。常用的润滑剂包括石墨、二硫化铝、润滑油等。这样做容易污染轨道及地蘧。 对于啃轨的应对措施,准确诊断引起啃轨的原因是关键,然后进行有针对性的修复,

  如调整车轮水平、垂直偏差,调整起重机的跨度差、对角差,轨道的跨度差、直线度、水 平高度,驱动系统同步度等;而在设计上采用先进的设计理念和方法,在设备安装阶段保 证安装精度,则是从根本上防止啃轨现象产生的重要环节。

  国l为#l-都有很多学者和技术人员对啃轨现象作了很多研究,并在治理过程中提出很多 骧因说臻鸯什么发生晴鞔现象。其中,起重枫的操作模式、轨道的安装精度及车轮的安装 精度被认隽是孳|起晴轨酶主要原困,毽是安装豹精度是不可能长翳探证的,有对即使麸租 电方面及轨道上找不出明显问题,而起重机还是偏向~侧运行,导致运行机构出现啃轨现 象。 随着电工电子技术酶发震,有人在起重槐酶电气控赘《方蘑进行了一些治理啃鞔的研

  圭.旋转变压器2。主粱3,密封籍碡.增速齿轮对 5.限位开关6.测量轩7。柔性腿球铰

  如图2.1所承是德国KRUPP公司设计制造的580t/102m造船门帆所采用的爨动纠偏装 置翻。其传动装置装在门撬黍性腿上端懿球铰了旁,用29m长酶方钢佟溺量抒6,在主粱 2内装有2个限位开关5和~个密封箱3,密封箱内装有旋转变压器1和一对无间隙传动 的增速齿轮4。当刚性腿与柔性腿不同步时,测量杆推动密封箱内的齿轮带动旋转变压器 旋转,旋转变莲器发出的电箍信号作为一种特殊的速度反馈信号来调节大车运行电动规戆 转速,使fj祝在运行时富动地褥N_妻Lt偏控铡。当测量杆测得酶偏斜量超过215mm时,发 出警告;.超过315mm极限位鼹时,限位开关即起作用,此时系统停止供电,需人工控制 纠偏(按一下纠偏按钮,大车就自动回到菠常状态)。f-j枧运行机枣≈采用壹流传动调速系 统,该系统是剽髑控制发电枫励磁,当瘩现偏差对送入存位置差麴外环系统,实现童动蹑 踪同步。太原重机厂与清华大学也联合设计了类似的纠偏装置应用在起重量200t、跨度

  这耱方法智能性不毫,影响工作效率,溺时改造原设备比较寐烦。 近年来,囱于PLC在工业中豹广泛应用,很多纠偏系统开始溺PLC控制举轮转速来 解决纠偏问题。山东济南钢铁集团邢丽荣等通过PLC控制实现了对魄机转速的控制,从而 改变车轮的转速避行纠偏工作。

  此技术通过控制电机转子的电阻大小来实现电机转速的自动控制,控制原理见图2-2 所示。智能控制器PLC输出开关量信号,在接收到啃轨发生信号后,即输出信号控制接触 器KM4、KM6先后闭合,将转子回路的微调电阻不平衡短接切除,提高晴轨侧驱动电机的 转子输出转速,从而消除啃轨现象。该方案简单实用,投资较少,适合装备水平落后的企 业进行设备改造。但是存在短接切除电阻必然造成的传动冲击现象f10l。

  调整电机定予电压的控制方案:控制原理见图2.3所示。定子回路由双向可控硅供电, 控制极信号来自指令控制器和PLC输出的嘴轨纠偏模拟信号经运算羼,根据啃轨发生状态 由PLC进行逻辑判断,决定降低此侧或另一侧的电机转速,通过调整双向可控硅导通角实 现实时控制定子电压来调整任一侧大车电机的转速,最终实现车轮行程的同步控制。这种 方案可有效杜绝上一方案的传动冲击。但是由于这2种方法都要对电机进行改动,其改造 强度较大。

  湘潭钢铁公司陈强等研究人员研究开发了一种适应于桥式起熏机分别驱动的自动纠 偏系统(专利号ZL94226396)/1¨。该系统是在起重机四角上各安装1个啃轨信号检测器,当

  任一角发生车轮轮缘与轨道侧面的间隙小于5mm现象时,相应检测元件发出信号给纠偏

  其运行原理是:车轮在轨道上行走,当车轮中心线与轨道中心线发生一定偏移时,啃 轨信号自动检测系统获得啃轨信号,经过滤波后输出给纠偏逻辑控制系统。同时运行机构 工作状态检测系统随时对运行的正反转、速度档位等信号进行检测,并输出给纠偏逻辑控 制系统。纠偏逻辑控制系统对啃轨信号检测和运行机构工作状态检测两大部分输入的信息 进行逻辑分析,确定纠偏调整信号,并输出给运行控制系统,使左、右侧电机输出力矩发 生差异。左右侧电机输出力矩产生差异即产生调整力,使起重机运行状况自动纠正。 鉴于以上偏装置比较复杂,对于一般的起重机改造起来比较困难,对起重机原来的结 构改变比较大,改造费用也很大。笔者提出变频调速纠偏系统实现对起重机的实时纠偏。

  针对啃轨问题,笔者的主要工作是: (1)提出变频纠偏系统; (2)设计硬件电路,包括采样电路中的滤波电路和倍频电路; (3)控制系统的选择与设计; (4)通过逐步黄金分割法来实现PID控制器的参数优化。 笔者提出的变频纠偏系统,针对被动纠偏的不利,采用主动调整的办法来治理起重机 啃轨。本系统的设计上采用工业控制中常用的PID控制。但是PID控制器的三个参数优化问 题一直困扰着人们。有的方法虽然原理简单但是要求现场经验丰富,而另一些方法又过于 复杂,且很难被推广到实践中去。笔者在三个参数的调节中独创了逐步黄金分割法。这种 参数整定的方法的最大特点是不需要设备的数学模型,不需要传递函数,不需要专家数据 库。尤其适用起重机这种结构复杂,运行时间长,很难建立有效的数学模型的情况。同时 本算法的思路简洁,收敛特性高。

  随着变频技术的不断成熟与广泛应用【挖t硼,起重枫的大车运行机构己越来越多的选用

  变频调速的方案。使用变频调速技术可以使大车运行机构具霄较完美的机械特性,良好的

  笔者提出变频纠偏思想应用予起重机纠偏,并设计出变频纠偏实验装置,如图3.1所 示:

  图中: 1、3.主动车轮;2、5.电机:4、8.变频器; 懿单片机系统:7.车架;9、10、11、12.编码嚣。

  该系统采用鱼动检测、自动调整的主动式预防纠偏,是解决起重枫啃轨的~种新方法。

  在起重机车架【7】上安装有四个位移传感器【9】、【101、【111、【12】,位移传感器与计算机

  【6】连接,由位移传感器测量出起重机车架相对于轨道的偏斜角度(将图中编码器【9】、【121

  得到的偏差楣抽之和减去编码器[101、}薹l】得到的偏差相加之和后得到的结果作为起重枫偏

  差送入计算机。采用这种方法可以减小车轮之间的相互干扰。)再通过计算机按比例换算

  成控制电压,此控制电压以差动方式或单动方式分别加在两套变频器【4】、【81上,变频器将

  纠镝电压根据起重机鳃运行速度两改变,纠镳电压的保持瘸裁与信号采样阕隔时闻褶

  等。变频器在此控制电压的作用下,一套升高输出频率,另一套则降低输出频率,以便使 受变频器控制的电动车轮一边增加行驶速度,另~边则降低行驶速度域者一套保持输出频

  率不变,另一套话出调整。从两达到纠正车檠熬骟斜,减少轮缘磨损熬蓦鹣。在本系统设

  计上采髑后一静方案,主要是因为革片枫凌编程及控制时闽分配上幂容易徽到两个频率同

  3.2技术关键 该系统的最雕难的地方主要是信号采集及PID参数熊整定闻题。 电于本系统工作的环境复杂,因此能不能得到有效信号是一个关键问题。本系统所选 用的信鼍采集工具是旋转编码器。在采集信号以震,有两个任务是毖须散的。一个是滤波,

  一个是提高信号豹分辨率。滤波是为了滤除无效信号的干扰,使本系统得到的数据更加可

  靠。另外由旋转编码器测得的脉冲信号分辨率比较小,不利于薏期的计算,因此必须对信

  对于系统韵控制方面,本系统选用的是传统韵PID.控制【1s氆i。PID控制以其应用广泛、 稳定、高效、简单在工业中广泛应用。但蹩PID控制中最麻烦麓剐戆是沈铹、积分、微分 等参数的整定。传统的手工整定需要专f1的技术人员进行现场试验,蕊且整定时间{畏长, 并不适合本系统。现在有很多入采用模糊鬻能控到来实现参数酶鸯整定。这些方法需要建

  立经验库,对予不是长期工依在现场的入爨来说,建立这种经验库不是一件容易的事。同 时这些方法的程序设计爿#常麻烦,,系统计算量较大。还有的技术人员采用计算机模拟来计

  算这些参数。这种方法的魏提是系统能建立有效的数学模型,固辩麓写盘传递函数。本系 统不具有这种特点,在本系统中圜起重机结构复杂,车轮的阻力、偏斜方向随时发生变化, 无法溺精确的数学模型来实现。基于以上艨因,笔者提出了一种薪蛉参数罄整定算法—— 逐步黄金分割法。。结合传统的人工调节的方法,逐次实现比例系数、积分系数、微分系数

  本系统采羯国内常鲻熊5王系列单片瓿痒巍微处理控劐器(89C52)。单片概控割系统

  是由徽处理芯片和外函电路缰成。外匿电路系统包括:采样电路(包含滤波电路)、信号

  处理电路、外部存储扩展电路、键擞、输出电路(包括D/A转换)、调试电路等。单片机 硬件电路框图可表示如下图4.1所示:

  4.2采样电路 采样电路酶匿酶是对传感器出来的蒜号进行处理,以便蒋到良爵售号,为惹瑟的王作

  本控制系统的变赣为车轮轮缘与轨道之间的间隙。控制嚣标是使这种间隙保持不变。

  由于起重机在运行时振动和冲击比较大,现场工作环境恶劣,直接用位移传感器检测车轮 轮缘与轨道之闻豹闻隙比较困难。光电旋转编鹦器是利用光褫衍射纂理实现位移。数字变

  换,医其结构简荸、计量精度高、可靠性高、寿命长等优点,在精密定位、速度、长度、 加速度、‘’振动检测等方面得到广泛的应用。 光电旋转旋转编码器按编码方式分为二类:增量式编码器与绝对式编码器。 增

  量式编码器转轴旋转时,有相应的脉冲输塞,其计数超点在意设定,可实现多圈无限累加 和测量。编码器轴转~圈会输出圆定的脉冲数,脉冲数由编码器光栅的线度相位差的人B两路信号进行倍频提高编码器的分辨率。

  绝对式编码器有与位置相对应的代码输出,通常为二进制码或BCD码,可以从输出 的代码读出所处的位置,从代码数大小的变化可以判别正反方向。绝对零位代码还可以用 于停电位置记忆。绝对式编码器的测量范围一般为0.360度。 考虑系统的性能要求和成本,本系统选用的是欧姆龙公司的E682.CWZ6C型光电旋 转编码器。该型编码器是增量式的,编码器轴每旋转一圈输出1000个脉冲。

  增量式旋转编码器应用于焦度定位或测量时,通常有人B,Z三相输出。旋转编码器的

  输出脉冲波形如图4.2所示。A相和B相输出占空比为50%的方波。编码器每转一周,A 相和B相输出固定数目的1000个脉冲。当编码器正向旋转时,A相比B相超前四分之一 个周期:当编码器反囱旋转时,B相比A褶超前四分之一个周期。A相和B楣输出方波的 相位差为∞。。编码器每转一周,Z相输出一个脉冲。出于编码器每转一周,A相和B榴 输出固定数目的脉冲,则A相或B相每输出一个脉冲,表示编码器旋转了一个固定的角度。 当Z相输出一个脉冲时,表示编码器旋转了一周。对脉冲进行计数就可以得到编码器转过 的角度,通过转换后可以得到位移,因此旋转编码器可以测量角位移及位移方向。 由予旋转编码器只能检测角度信号,因此本系统在旋转编码器轴上加上一个摆杆装置 将位移转换为偏角,从而可以用旋转编码器通过测取偏角来间接检测车轮轮缘与轨道之间

  摆杆长度为l=80mm,一端固定在旋转编码器轴上,另一端安装上可以在轨道侧面滚 动的小滚轮。旋转编码器固定在起重机大车架上,摆杆上的滚轮靠弹簧压紧在轨道侧面上, 使其与轨道侧面可靠的接触。当车轮轮缘与轨道侧面间隙发生变化时,摆杆就会有相应的 摆动,将车轮轮缘与轨道侧面闻隙的位移转换成蕉位移。其转换关系为:

  △卜旋转编码器轴的转角增量(弧度) Ap车轮轮缘与轨道侧谣间隙的增量(ram)

  根据式(4.1)计算,本系统的分辨率为0.5ram。 4.2.2信号采集电路 起重机运行时,由于振动和轨道本身的光滑度的原因,旋转编码器轴有时会处于一种 抖动状态,此时旋转编器的波形蓬如图冬4上方脉冲信号所示:

  这种在极短的时间内产生的抖动频率较高,笔者设计了RC滤波电路i22l去掉高频分量。 在设计滤波电路时最主要熙是确定车轮发生偏斜的频率范隧与抖动的频率范阑。起重机是 大型的运输设备其运行速度不快,编码器的旋转角度不会变化很剧烈。根据笔者多次参与 实践的经验,编码器在1s内产生的脉冲不会超过100个。这样100Hz就可以定为此RC滤

  波电路的极限频率。而编码器的抖动的频率比100Hz大10倍以上,可以达到1000Hz,由

  尹一圭}銎l褥,0.00016<RC<0.0016。为了方便选取器件,这里取R=IK,C=l强P。滤波

  后的波形图如黼碡4下方脉冲信号所示。 本设计采用光电偶合电路来采集信号,然后再让信号经过一次菲门。非}l有延时作用,

  光电耦合器是以光为媒介传输电信号的~种龟.光.电转换器件。把发光源和受光器组 装在同一密闭的壳体内,彼此间用透暖绝缘体隔离。发光源的雩|脚为输入端,受光器的引 脚为输出端,在光电耦合器输入端翅电信号馒发光源发光,光豹强度取决于激励电流鳇大 小,此光照射到封装在一起的受光器上詹,因光电效应丽产生了光电流,由受光器输出端 引漱,这样就实现了电.光.电的转换。常用光电偶合器如图禾5所示:

  本设计选震煞光电偶合器芯片是TLP521.毒,内有毒个光毫偶合器;葛#门卷片鸯74LS04。

  光电偶合器对编码器轴的抖动信号也有~定的抑制作用。信号采集电路如图4_6所示:

  l : 3 4 5 6 7 3^5Y 3Y 4A 2A辱y :?二舂 薹^气落e lY 6^

  (图中标记相同的端口,表示两端豳之间用导线连接起来,本图为了方便查看都采用此方 ’法。)

  4.3信号处理电路 从旋转编码器得到的信号分两相,分别为A相和B相,由这两相可以得到两个信息: 编码器的旋转方向和旋转角度(脉冲个数)。因信号要经CPU处理,故该信号必须是89C52 可以处理的信号,因此要对这两相信号做一定的处理来得到所需的两个信号(方向和角

  4.3.1方向信号的获得 放旋转编码器的原理可以知道,要得到旋转编羁器的旋转方向,只需要对比A相信号 和B相信号:若A相信号比B相信号提前l/4T,受|J表示编码器的方向是从轴侧看顺时针 旋转,在硬件电路中用‘1’来表示这种情况:若A相信号比B相信号延迟1/4T,则表示编 码器的方向从轴侧看为逆时针旋转,在硬件电路中用‘O’来表示这种情况。为了得到O、l 信号,本设计选用上舞沿D触发器实现。上升沿矜触发器的工作原理是:在时钟上升沿到 来以前信号要输入到D触发器,当时钟上升沿来到时输出信号,输出信号保持时钟上升沿 到来之前的输入信号。下一个时钟上升沿时再重复输入信号。由于旋转编码器输出两相信 号的特殊性(始终有90。的相位差)因此只要把两相信号分别连接到D触发器的不同端墨 即可实现转动方向的判定。具体的连接方法是将A相信号连接到D触发器的输入端,将B 相信号连接到D触发器的时钟端,这样就可以得到方向信号。D触发器的输入输出波形如

  本设计选用的D触发器是74弱强,内含2个上拜沿D触发器,如图碡.8所示:

  上图孛的Pl。6、P王。7接89C52靛相癍端日。单片机读出该端麓的电平箍号即可知道编 码器的旋转方阍以及推导出攀架酶编斜方窝。 4.3。2倍频电路 从旋转编码器的输出特性可知:A、B任何一相信号,都可以表示旋转编码器发出的 脉冲(即旋转熊度)。但是这里得到的信号达不到本系统所需要的分辨率,故必须对此信 号傲倍频处理。笔者在此处设计?专门的倍频电路:让两相信号通过一次异或门实现提高 原信号的频率。得到的新信号的频率为原信号频率的两倍。异或门的作用是当两路输入信 号相同时输出为‘0’,相异时输出为‘1’。于是可以得到如下输入输出波形图,如图4—9所示:

  本设计所选的冥或f1葱片为MCl40740,具体酶魄路连接图如图碡一王O所示:

  2A OUTA l瑟 2器 GND GKD 2D lD 0UTC 2G 1e OUTB 0UT玲

  4.4输出电路 输出电路所要完成的任务是将89C52计算妊的结果,通过数模转换芯片将数字信号转 换成变频器TDl000.4T0015G可以接受的模拟信号。 由于本设计所选用的计算芯片是89C52,89C52的程序存储器是8K,?并且它能处理的

  数据都是二进制的数,这些特点决定了在89C52在进行数据计算时是不能进行浮点运算的。 因此在编制程序时应考虑如何处理这些数据。本设计采用12位来表示输出电压俊,即用

  0-4095来表示电压值(由所选D/A芯片决定)。所用变频器接受的电压范围为0.10V,因 此必须对D/A以后的数字进行缩小或放大,从而可以实现0-4095与0.10V两组数据的匹

  配。面决定数据关系的器件有两个:一个是所选D/A芯片(飘£56羔8),一个是所选变频

  D/A芯片(TLC5618)介绍 TLC5618是带有缓冲基准输入的双路12位数模转换器,通过CMOS兼容的三线串行

  后12位产生模拟输出。输感电压为基准电压的两倍,且单调变化。数字输入端带有史密 特触发器,具有较高的噪声抑制能力。TLC5618在5V电源下工作,功耗极低(慢速方式 3mV,快速方式8mV),并具有上点复位功能。可用于移动电话、测试仪表、囱动测试控

  从以上介绍可以看出,该芯片用于D/A转换的是12位,即0.4095。这12位将与两倍 的基准电压匹配。本设计所选用的基准电压产生芯片为MCl403,其基准电压为2.5V。这 样就可以得出两者的匹配关系:0000,0(D(D000对应0V,1111,11111111对应5V。。’

  TDl000.4T0015G变频器是一款高品质、多功能、低噪音变频器。它的输入电压为三

  相380V,变频器类型为恒转矩类,适配电机功率为1.5KW。 TDl000.4T0015G的配线包括两部分:主圆路、控制回路。 (1)主回路 主回路输入输出端予排序及功能如图4-11所示:

  .[二j王_=!I二三__丁__F——r_『芦吾—_f—;i了田边缝碗子c尊t翳预粼,

  …一[壹二二二[五|:亘:[蔓l壶旦]盏]亘I至堂鲤[蔓黧_二.鱼一二c丢司

  蝎子记号 淄子功麓说锅 爹."}:芟输气镒f1.5 珐{j羚潞《.}.疑?稃l}=≥ i皂{:盼1bl(?t{i?悖Il‘) 筝j尊麓瀚。砖端,l 彰JJt^毙谪.{5瑶j.2

  斗;妥锄{‘:i;己iji靖.冉‘l潞 蟛激电;lf锈l}跬:0镀人 镬独t毡《嗷}改‘-L“演..、 Jt?:j壤1;’心静:l二:=lc÷痢:?: j!;‘:避-7‘,l二:毫:二小 乞t确:焉li。等!t j、in?0,j:

  主回路是变频器的重要组成部分,是窟动变频器以及变频器带动电视的基础,但是它 的配线并不复杂,本设计所关心的是控制回路。对于变频器的控制回路,结合到D/A的输

  出,用到的控制端口为电机正反转信号及电压控制信号。电机正反转信号将在键盘中写到, 这里只分析电压控制信号。从上图可以看出,此款变频器的控制电压为10V,即为当控制 电压为10V时带动电机全速旋转。结合D/A芯片的输出,可以得出在D/A输出与变频器

  4.5程序存储器扩展 本设计由于要设计的算法比较多,89C52内部自带的RAM为256位,不能满足需要, 必须进行程序存储器的扩展。为了便于以后程序的修改,选择28F512芯片,它为64K电 可擦除芯片。 28F512芯片的主要引脚及功能,如下表4.2所示:

  蓬中74LS373为8位地址锁存器。它的作焉是使P0口复用。 4.6串口通信

  在调试程痔的过程中,不可以避免的要用到PC,这样就必须实现纠偏系统与PC之闻

  的通信问题a PC上提供了串行通讯的接口RS:232,因此要实现纠偏电路与串豳RS232之

  间的电路,还必须增加串口通信电路。这个电路为后面的程序调试提供通道。具体串口通 信泡路如图4。15所示:

  4.7键盘 本设计的键盘包括六个键:启动、停止、电机正转、电机反转、电机加速/减速、加速

  启动和停止分别接单片机的P3.2、P3.3口。这两个口都具有外部中断功能,这样可以 及时响应外部发是的信号指令。电机正转、反转分别接单片机的Pl。4、.Pl。5墨,同时这两 个信号还要与变频器的控制板上控制电机正反转的两个端子连接起来。与P1.4、P1.5连接 是为了得到电机的转动方向。电机的转动方向与旋转编码器的转动方向将决定在纠偏系统 中是对电机是进行加速处理,还是减速处理。与变频器连接是为了控制起重机的大车是前 进还是后退。电机加速/减速键接P1.3露,当程序扫描P1.3口时如果是高电平即为电机加 速;如果是低电平即为电机减速。加速/减速的数量线口,接这个口的目的是因为

  P1.O口的第二功能为定时/计数器。在信号进入P1.O以前,还应加二个频率发生器

  (疆C1799)。它的作用是产生脉冲。当按下加速多少/减速多少键时,通过按键的时间来

  决定速度变化量,时间越长,变化量越大。在按键时间很长的情况下,不可能实现电机的 转速从一个比较小的值突然变到最大。因此把按键时间进行划分。也可以理解为对变频器 控制电机转速的控制电压进行划分。本设计将IOV电压划分成五份。按键时阍超过王s就 将控制电压增加(减少)2V。这样就可以使电机的加速减速循序渐进,如果划分的份数越 多,速度的变化就越平稳。具体键盘电路如图4-16所示:

  控制系统的软件设计包括信号采集(采集的时间间隔)、判断加速减速、PID调节。其 中PID调节中包括三个参数的整定。 5.1采样周期的选择 在数字控制系统中,采样周期T是一个重要的参数。它的选取直接影响到数据采集、 信号的复原、计算的速度和精度以及控制系统的稳定性和可靠性。从信号的傈真度来考虑, 采用周期T不宜太长。从控制性能要求方面考虑,采样周期应尽可能的小。采样周期越小 就越接近连续控制。采样周期太小也会受至IJCPU运算速度的限制。采样周期的选取要综合

  (1)采样周期应远小于对象扰动信号的周期,就是要保证系统的抗干扰性能要求。 (2)采样周期应比对象的时间常数小得多,否则采样信号无法反映瞬变过程。 (3)根据实际系统的响应速度来选取采样周期。由于执行机构本身有个响应过程,这要 求采样时闻必须大于执行机构的响应时闻,以保证系统能对给定信号作出响应。 (4)性能价格比。从控制性能来考虑,采样周期越短,对计算机系统要求就越高,系统 就越复杂,导致成本增加。 ◇)计算机所承担的工作量。如果控制的回路数多、计算量大、则采样周期要加长;反 之,可以缩短。

  就本设计而亩,其输入变量为车轮与轨道的间隙和这种间隙的变化率,这两个变量是 通过两次采样间隔得到的,因此,为了获得较精细的控制规律,应使误差变化值比较明显, 从这一点来看,采样周麓不能过小。僵从~次响应过程中控制作焉的次数来看,一般不能 低予五次,否则控制就不会精细。因此,采样时间受到间隙变化最大值与一次响应过程中 作用次数两方面的制约。 综合考虑以上因素和系统的动态响应时闻并经多次实验效果对比,本系统选定采样周

  PID控制概述 在工监过程控制的发展史上,PID控制是历史最悠久、生余力最强的控翩方法。在控

  制理论和技术飞速发展的今天,PID控制由于其简单、稳定性能好、可靠性能高等优点, 对于大多数控制系统它能提供良好的控制品质。仍广泛的应用于冶金、机械、化工等工业

  PID控制经历了从模拟PID控制到数字PID控制的演变。由于计算机技术的飞速发展, 数字PlD控制逐渐占据了主导地位。我们现在所说的PID控制多数是指数字PID控制系统, 本文所论述的PID控制理论也指的是数字PID控制理论【35。明。

  PID控制器原理 PID控制器是一种应耀十分广泛,技术成熟的控制器方法【妁舶】。这种控制具有直观、

  简易等优点,它能满足一般工业过程控制的要求。常规PID控制如图5.1所示:

  其中《1)为系统给定值,《£)力系统的实际输出,U(1)为控制量,e(1>梵偏差。按偏 差的比例、积分、微分进行控制的控制器称为PID控制器。PID控制解决了自动控制理论所 要解决的基本问题,即系统的稳定性、快速性、准确性。调节PID的参数,可以实现在系 统稳定的前提下,兼顾系统鹩带载能力和抗扰能力,同时由于PID控制器中孳l入了积分项, 系统增加了一个零积点,这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。PID控制器的袭达式为:

  式中,kp为比例系数: ki为积分系数,t*k口/互: kd为微分系数,ka-kp瓦。

  ①比例控制 比例控制是对偏差进行控制,误差一旦产生,控制器立即就有控制作用,使被控量朝 着减小误差的方向变化,控制作用的强弱取决于比例系数k。。但单纯的比例控制存在不能 消除静差的缺点。增强比例控制作用可减小静差,提高对象响应的快速性,但k。过大会导 致被控对象动态特性变差,甚至可能会使系统不稳定。 ②积分控制 积分控制实质上是对偏差累积进行控制,直至偏差为零。积分控制作用是始终施加指 向给定值的作用力,有利于消除静态静差,其效果不仅与偏差大小有关,而且还与偏差持 续的时间有关。单纯积分控制的缺点是它具有滞后特性,并使系统阶次增加,其作用太强

  ③微分控制 微分控制能敏感出误差的变化趋势,可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用, 有利于提高输出响应的快速性,减小被控量的超调和增加系统的稳定性。但微分作用很容 易放大高频噪声,降低系统的信噪比,从而使系统抑制干扰的能力下降。因此,在实际应

  从上述对常规PID控制规律的剖析可见,比例、积分和微分三种控制作用各有特点。 对于一般系统,由于能通过比例和微分作用抑制积分作用带来的滞后特性,通过比例和积 分作用保证其响应的准确性以及通过微分作用改善比例和积分作用带来的稳定性恶化问 题,故可在对比例、积分和微分三种控制作用综合处理后进行控制。但是,不难看出,三 种控制作用存在着严重的相互抵消的现象。因此,常规PID控制不能兼顾被控对象的动态 品质和静态特性。换言之,常规PID控制不能使被控对象响应即“快”又“准”且“稳”地跟踪参 考输入。 计算机控制是一种离散的采样控制,在计算机控制系统中所使用的是数字PID控制器, 而式(5-1)和式(5.2)均为模拟PID控制器的控制表达式。通过将模拟PID表达式中的积 分、微分预算用数值计算方法来逼近,便可实现数字PID控制【45-461。只要采样周期T取得足 够小,这种逼近就是可以相当精确【471。 将微分项用差分代替,积分项用矩形和式代替,数字PID控制器的控制如下式(5.3)

  5.2.3增量式PID算法 数字PID控制器的控制算法通常可以分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。 本系统使用的是增量式PID控制算法,因为在程序设计的过程中,增量式算法存储的数据 量较小,同时前一时刻的控制量还有作用,能大大简化计算过程。由式(5.4)霹{|馨,第 K-1时刻PID调节的表达式:

  .1l@一1)一kpe(k—1)+kt三8(歹)+‰k(七一1)一e@一2)】

  .u(k)一u(k-1)+k。[e(k)-e(k—1)】+墨P8)+‰蠢@)-2e(k-1)+e(k一2)】 为了使表达式更为简单,可以将上蘧的式子展开,合并同类项后可以得到: u(k);u(k-1)+a。e(k)+ale(k—1)+露2e(k-2) 其中:露。一是P+镌+克。=kp[I+T/Tl+五/?】; al一一kp一2‘一一kpl+2毛/T】; a2一毛一囊P疋,r。 △ll仕)一aoe(k)+ale(k-1)+a2e(k一2) △l‘@)为控制变化量 “(七)一U(詹-a)+Au(七) 式(5.8)即为本系统所使用的增量式PID控制器的数学模型。 当进入PID调节子程序时,首先需要根据系统给定值和采样值来计算偏差。为了防止 在系统运行初期,由于控制量u(k)过大使得系统振荡很大,需要对对代入(5.6)运算的e(k) 做一定的限幅处理。另外,在系统进入稳态后,偏差是很小的,如果偏差在一个*lld,的范 懑内波动,不断改变自己的方向,即|e(蠢)|《eo时,不要改变控麓萋,使电机平稳运行。 对于本设计,还需要讨论的一个问题是控制量的增量部分是一个矢量,有正负和大小, 因此在计算控制量以前,先要确定正负。电压变化量的燕负对应到本系统就是起重机大车 车轮的速度是加速还是减速。在前面的章节已经提到加速和减速与两个量有关:车轮的偏 转方向(即为旋转编码器的旋转方向)、车轮的前进方向(即为电机的旋转方向)。 车轮的偏斜与旋转编码起的安装位置有密切酶关系。本系统中旋转编码器的安装如图

  从上图5.2不难看出,当车轮左偏时,旋转编码器从轴测看是逆时针旋转的:当车轮右

  偏时,旋转编码器从轴测看是顺时针旋转的。 解决了车轮的偏转,接下来就要结合大车的前进方向来讨论到底是进行加速处理,还 是减速处理。

  如上图5.3所示,当车轮右偏,起重机运行方向如图时,车架顺时针偏斜,表明左侧的 车轮速度比右侧车轮速度快。在这种情况下可以采取单边调速,也可以采取双边调速。单 边调速时,可以降低左侧车轮的速度,也可以增加右侧车轮的速度。双边调速时,降低左

  侧车轮的速度的同时增加右侧车轮的速度。本系统为了简化设计步骤全部采用单边调速。

  当车轮右偏,起重机运行方向与图中方向相反时,表明左侧车轮速度慢,右侧车轮速度快。

  表中‘减’表示减速,‘加’表示加速。‘斜线上方表示右侧车轮的情况,下方表示左侧车轮

  如果用‘l’表示大车前进方向为正,‘O’表示负;‘l’表示车轮偏斜方向为右,‘O’表示向 左偏斜;减速用‘O’表示,加速用‘王’表示。可以得出右侧车轮加速、减速状态与车轮偏斜方 向和大车前进方向之间的关系是同或关系,既相同时为‘1’I,相反是为‘0’;左侧车轮加速、 减速状态与车轮偏斜方向和大车前进方向之间的关系是异或关系,既相反时为‘1’,相同是 为‘O’。这样就可以得出系统PID算法的流程图,如图5罐所示:

  u(k)一电压控制值; Au馥)-毫压变化量。 PID参数整定 PID控制是露前应用最广、最老广大技术久受掰熟悉的控铡算法之一,这不仅仅是嚣 为PID控制结构简单,易于实现,而且更重要的是因为PID适合于大多数控制对缘。在实际 的过程控制系统中,有大量的对象模型可以由带有时间延迟的一阶函数模型表示,还有许 多系统可班赉这一模型近似地表示,惹PlD适合这一类系统的控涮,世赛上超过粥%的嚣

  环系统采用PID形式。采用不同的PID参数,控制系统的效果大不相同,系统的闭环特性很

  大程度上取决于PID控制器的性能,因此控制器参数的调节和优化决定着PID控制系统最终 能达到的控铡性能,是PID控镥《系统研究中十分重要并有实践意义的领域。 传统昀P国参数整定方法是一些手动整定方法,阶跃嫡应是整定PID参数的主要依据。 这种方法仅根据动态响应来憋定控制器参数,具有物理意义明确的优点,因而仍然广泛应 用。但是PID参数整定需要经验丰富的工程技术人员来实现,需要大量试验反复调试,即 耗时又耗力,丽最运雳该方法得至l的参数魄较粳糙,只能满足一定懿要求。随着技寒理论 的发展,出现了基于计算机的参数整定方法,如最优熬定、智能熬定等。相对于传统整定 方法,最优方法有着明显优越性,整定的结果比较精确,控制效果比较好,但是这种方法 必须建立较精确的数学模型,而且在解空阕里必须连续可导,从某种意义上说是一种局部 寻傀。智麓整定有专家智能型整定、基予模颧推理浆整定和基子遗传算法翡整定簿。专家’ 智能型整定不需臻数学模型,但完全依赖于专家的经验,而且不同专家经验不同整定出的。 参数也不同,知识库的建立比较困难;模糊推理整定具有鲁棒性强,不需要数学模型的优 点,但依赖于给定t)÷JPID参数,是一种舄部寻侥;遗传算法整定具有全局性和鲁捧性,可 以降低调试难度,有广阔的应用前景。但遗传算法本身也存在一些问题,如理论上还不完。 善、末成熟收敛、局部搜索能力差等特点。因此有人提出了改进的遗传算法,如文献幽】 采用改造遗篱编码和设置最好、最差适应度鲍方法来改进遗传算法,文献l勰1在选择时直接 将上一代的最忧结果带到下一代、在变葬时采用集中鞘打散酶方法r柬改进遗传算法。但这一 种算法对工程技术人员的要求较高,算法也较复杂,而且需要进~步的改进。智能整定还 有其它凡种方法,但都比较复杂且结果不是很令入满意。 为了使计算篱单,同时又戆得羁鞲确的结票,笔者设计了逐步黄金分割法。此算法鳇 特点是应用了入工调节的经验和计算机的高速计算能力两方面的优势。

  5.3.1试凑法整定参数范围 PID控制器参数整定方法经过几十年的发震积累了大量有焉经验,用试凑法整定参数 时,采用先比例、后积分、再微分的整定步骤。根据响应曲线的好坏反复改变各参数,以 期得到满意的控制效果。笔者设计的算法是基于工程整定经验的自整定算法,进行分步整 定。步骤和试凑法相同。 试凑法的步骤i37】:

  (1)确定比例系数。首先去掉PID的积分项和微分项,然后从d,N大调节比例系数k。,

  直到系统出现振荡:再反过来,跌此时的比例系数k。逐渐减小,壹到系统振荡消失。记录 此时的比例系数k。,设定PID的比例系数k。为当前值的60%.70%。 (2)确定积分时间常数霉。把已确定比例系数k。代入(4.4),去掉微分顼。跌大到 小调节积分时间常数Z,直到系统出现振荡;再反过来,使此时的时间常数l逐渐增大, 直到系统振荡消失。记录此时的积分时间常数霉,设定PID的比例系数霉为当前值的

  (3)确定微分时间常数E。把已确定比例系数k。,Z代入(44)。从d,N大调节微 分时闷常数‘,崖到系统出现振荡;再反过来,使此融的时间常数疋逐渐减小,直至l系统

  振荡消失。记录此时的微分时问常数瓦即为PID的设定参数。 笔者设计的算法,吸取试凑法的经验。利用试凑法的思想估计窭三个参数的大概范围 (将O作为三个参数的最小值,试凑法得到的三个值分别作为三个参数的最大值)。调整 参数的大小,当车轮的偏斜方向发生变化时记录此时的值作为黄金分割法的范围(在估计 积分时间常数时,当出现车轮的偏斜方向发生变化时,把此时的值加上0.1以后的值作为积 分时闻常数范围),通过实验测得三个参数的范匿分别为【0,121、10,0。31、【0,0.21。将 这三组参数分别代入黄金分割法计算出精确值。将计算出的比例系数x0.6作为PID控制器 的比例系数(在确定比例系数时是将积分系数和微分系数设为O,而加上积分系数和微分 系数之后比例调节是PID控制中的重要部分僵不是全部,又比铡系数对PID控制的影响是: 比例系数越大调节越快,作用越明显。因此最终比例系数的取值应为测得比例系数的 0.6【371);’将计算出的积分时间常数×1.8作为PID控制器的积分时间常数(此处积分时间常 数的确定方法同比例系数的确定方法基本一致,不同之处是:积分时闻常数越大调节作用 越小,积分时闻常数越小调节越明显,因此最终积分时闻常数的取值应为测褥煎的1.81371); 直接将计算出来的微分时间常数作为PID控制器的微分时间常数(在测微分时间常数时包 含了三种调节,因此测得的值即为最终值【371)。

  5.3.2爱标丞数的选取 尽标函数是判蹶控制效聚是否达到期望的衡量指标。当控制嚣参数达到最伐参数时, 冀拣函数达裂最小,完成对PID参数翡整定。 本文采霜增爨戎PID算法,秩系统鹩稳定性、晌成速度、超调量芹霸稳态精度等各方面 特性来考虑,老。,第,℃3个参数的佟用如5.2.1PID控制原趱。从PID控制器三参数鹋作用可以 藿爨三个参数矗接影璃控戳彀粱煞好嚣,辩骥要墩褥较好翡控裁效粟,裁盛颓瓣魄侧、积 分、微分三种控制作用进行调整,也就是根据所期望的控制效果选铎适当的露拣函数作鸯 衡燮指标,然后利用优化算法对控制器三个参数进行整定、寻优。 选择酶鐾标鼹数既裁比较确锶缝反殃系统薛控制晶质,又要能够蠖于计算,常用抟煮以 下两类: 篇一类是宜接反映系统调节品质的指标,通常取系统在阶跃函数作用下输出曲线上的 几个特征值作为鼹标函数。常用的有上升时间、超调壁、调整时间等几种类型湖l。 纂二类嚣耩霸数是溪谓豁误差嚣标螽数。瓣采黑麓鍪恭系统嫡应藕实嚣系统嗡窿之差 的菜个函数力爨标涵数.常碟的有误差平方和积分(ISE) 、平方误差矩积分(ITSE)、绝

  对误差的积分(IAE)、绝对误差矩积分(ITAE)[371。误麓目标函数其实是对第一类目标函 数的凡个特征值佟禁种数学处理,将它髑统一在一个数学积分表达式中。

  对于其青数掌控裁器翁采样控裁系统,文献潆l鬻密黼这种雾轹螽数魄较合适,奢鹩

  对其根据实际情况作了某种修正,文献143l将其修正成(5.9)式的形式,以适合伺服控制系统 的过渡过程。

  笔者选用ITAE准则作为举算法韵目标函数。因为ITAE准则对初始误差考虑较少,而。 主要限制过渡过程舞期磁现的误差,优化嚣酶系统一般具有快速、平稳、超调小的特性,

  这燕好符合本系统PID控铡熬要求。PID控制在控裁开始阶段蠹予系统熬不稳定,缡差篷较

  pID控制器参数寻优整定哥优的任务是:寻找PID控制器的七尊,r,疋三个参数恰当值,

  其值最小时,控翻系统为最优系统。在本文整定方法中蠲禄涵数(5.10)烈作为控制 器参数整定的依据,恧不需墼精确的数学模型来计算控制器参数。

  5.33黄金分割法 黄金分割法是优化方法中的经典算法,以算法简单、效果显著而著称,是许多优化算法 的基础.但它只适用于一维区间【a,b】上的凸函数.其基本思想是:依照“去坏留好”原则、对 称原则以及等比收缩原则来逐步缩小搜索范围.以具体的单参数变量优选来说,根据工程 经验选取搜索区间为【a,b】,并假设该变量区间内评价函数Q(x)存在单值极点.在fa,b1中取 试验点xl=a+O.382(b.a),x2=a+O.618(b.a),并分别求得Q(x1)和Q(x2)的值。如果 Q(x1)>Q(x2),贝JJx2为较佳点,令a=xl;如果Q(x1)<Q(x2),贝JJxl为较佳点,令b=x2,获得新

  区间,重新计算新的实验点,求取新的评价函数值,比较决定取舍区间.如此反复,经过数次优

  选,就可根据控制精度要求,选取两个较近试验点的平均值作为优选点,其优选过程及新旧区 间几何关系如图5.5所示.该算法每次可将搜索区间缩小O.382倍或0.618倍,直至缩为一点, 是一个收敛速度较快的一维搜索方法。

  口o◆————————————_JL————————JL—————————————?岛

  eO为完成控制的偏差判定值。 对于本算法,三个参数的区间设定也是非常关键的。如果区间设计的过大,将有大量

  的时间用在计算上;如果区阉设计过小,可能最优值不在此区闻里丽。对于有着长麓现场 调试经验的入,可以把区间设置小一些。笔者由于缺少经验,通过实验得到三个参数的范

  围。三个参数的取值范围分别为【0,12】、【o,0.3】、【0,O.2】。 5.3.4系统主要程序 系统的PID控制程序和逐步黄金分割程序如下:

  超重机的偏差e陬】,e阻l】,e[k一2】 dkl=O,sl,dk2=O,s2,dk3=O,s3,dk4=O,s4,//dkl,dk2,dk3,dk4记录编码器变化角度,s王,

  //记录电枧正反转 //互斥量,判断本系统有3个参数是否已经存在 //黄金分割的范围值

  forO=王,j<=20,j++) { pid(e); e=abs(e); //PID控制,以便得到控制后的偏差 影偏差取绝对值

  forO=l毒<=20毒++) { 7,pid(e); e=abs(e); sum2=sum2+j攀e;∥嚣标丞数在x2点的筐

  }while(suml<jzllsum2<jzlle<3);//循环终止条件

  第38页 pid(e); e=abs(e); sum2=sum2+j?e: 】.

  for(j=1'j<=20’j++) { pid(e); e=abs(e); sum2=sum2+j幸e; ) if(sum2<jz)

  本实验的采样周期是0.15s,即每0.15s得到一个偏差变化量。将该时刻以前的所有偏差

  首先通过逐步黄金法整定比例系数。将实验得到的数据放入单片机的数据寄存器中。 用4个字节表示结果。2个字节表示结果的整数部分,另外2个字节表示结果的小数部分。

  经过8次逼近后发现比例系数为11.17时车轮不发生啃轨并有小的超调,但超调量在允

  许范围内(在单独用比例调节时都会有超调量产生,因为比例调节无法对系统的积累偏差 和瞬时偏差做出响应。本系统允许有5个脉冲超调量,即0.9。)。将11.17×O.6得到PID控制 的比例系数为6.70。 用同样的方法调节积分时间常数、微分时间常数。下表6.2为积分时间常数的每次逼近

  最后得到的3个参数分别为6.68,0.51,O.16。将这组值送至OPID控制器中,进行实验。

  经过调试,该模型运行状态良好,在自由(无控制)行驶状念下故意调斜车轮,模型 大约运行3m左右就会发生啃轨。加上纠偏控制系统后,模型在全长8m的轨道上运行时没 有明显啃轨现象发生,且车轮的中心线和轨道的中心线。从实验结果中

  啃轨是全国范围内起重机使用中的三大顽疾之一,造成起重机啃轨的原因多种多样, 面且大部分的晴轨是盘复合的原因弓|起的。本文所要处理啃轨闯题,主要是由于车轮线速

  度不同所引起的起重机嗡轨。 针对这个问题,笔者的主要工作是: (1)提出变频纠偏系统的思路; (2)设计硬件电路,包括采样电路中的滤波电路和倍频电路; (3)选择及组合控制系统的全部元件;

  本控制系统在实验室中的实验得到了较好的效果,但还须进一步接受在起重视实践生 产中的检验。首先,现场的环境比实验室的环境恶劣。现场温度高,超重机的运行时闻超 长,这些都是实验室做实验所不具备的。另外,此模型产生的啃轨原因单一,主要是轨道 的水平高度超差和车轮的偏斜。其他产生啃轨的原因在实验室比较难模拟,故得出的结论 并不一定适用所有起重机,笔者只是提出了一套新的纠偏方法。 笔者提出的变频纠偏系统针对被动纠偏的不利,采用主动调整的办法来治理起重机啃 轨。变频纠偏赢接针对除由于设备制造精度、调试安装精度以外其他原因引起的大部分啃 轨问题。变频纠偏装置是通过2套电机来控制左右两边的车轮速度,实现起重机左右两边 车轮线速度的动态统一。 本系统的设计上采用工业控制中常用的PID控制。但是PID控制器的三个参数的确定问 题一直困扰着人们。有的方法虽然原理简单但是要求现场经验丰富,而另一些方法又过于 复杂,且很难被推广到实践中去。对于起重机这样的工业设备结构复杂,运行时闻长,很 难建立有效的数学模型来模拟现场情况。笔者在三个参数的整定中独创了逐步黄金分割 法。这种参数整定的方法的最大特点是不需要设备的数学模型,不需要传递函数,不需要 专家数据库。网时本算法的思路简洁,收敛特性高。从第六章的实验数据不难看出,在设 计的参数范围比较大的情况下,一般经过5—6次反复即可逼近所需要寻优的数值。如果有 现场调试经验的情况下,可以把范围设置更小一些,经过2—3次就可接近所需要寻优的数 值。 在调试过程中,笔者解决采样滤波问题、最佳响应周期长度阀题、最小分辨率和转感 器精度匹配问题、通信干扰问题、起重机R常操作习惯与自动纠偏系统匹配等诸多问题。 在滤波问题上,现场还应该进~步考虑躁声的影响,一般现场的躁声比实验室情况大许多。. 因此信号最好能通过一下施密特滤波器。 信号的分辨率问题上对于本实验系统处理过后 的信号已可以满足要求,但是现场由于设备庞大的多,如果分辨攀不满足要求,可以通过 异或门与一个D触发器搭建一个分频器来达到要求。在抗干扰问题上,实验室的设备比较 小,屏蔽线不长,基本不存在问题。现场设备比较庞大,可以在屏蔽线两头加屏蔽环,在

  在系统控制上,本系统选择了单片机。虽然单片机可以实现很多基本功能,但是它是

  最底层的开发。开发过程复杂,调试也很烦琐。而变频器提供了一个计算机与变频器连接 的串口RS485。如果通过RS485把PC与变频器连接起来进行通讯,将把PC的高性能带入到 起重视纠偏中去。PC处理复杂问题的麓力跷单片机的能力强的多。PC的运算速度,数据存 储能力都是单片机不可能达到的,这样就可把更多的精力放在控制系统开发上,而不用把 太多的时间用在底层的硬件开发上。另外如果用上PC,控制系统的程序选择上也会更灵活, 而且可以将采集到的数据都保存下来,另外开发一个系统来实时显示偏差与时间的波形 图,这样起重机纠偏的过程将一藏亟的形式呈现在我们殛前,对后续的起重机诊断和维护 提供便利。因此下一步的工作将是将PC引入到起重机纠偏控制中来。

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  本课题自入学以来谢剑刚老师就给了我~个明确的构想,从而在两年多中我以本课题为中心展开 了多方面的学习与探索。在学习工作孛难免遇到很多学习和生活方面鲍翊题,所章有老疼和固学们的黎 勘才使本课题得以藏满完成。在此我对关心和帮助我的老师和丽学们表示感谢!绝翻是:我尊敬的导{师 谢老师、龙靖字老师、陈道礼老师、商功勋、陈君、项勇、苏陪华、李尧等。尤其是我的导师谢老师从 始至终对我的课题作出了全面而细致地关怀和指。

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