自適應控制在行車超載控制器中的應用

黃沿波，戴志超，柳紅衛

（1. 廣東省安全生產科學技術研究所，廣州 510060；2. 廣東省技術師范學院，廣州 510665）

0 引言

行車又稱橋式起重機，俗稱天車。廣泛用于冶金、裝卸、電站安全檢查、車間倉庫等，在物料輸送上起著舉足輕重的作用。它是一種蘊藏危險因素較多，事故發生率較大的典型機械設備。例如，曾對42次起重死亡和重傷事故統計，由橋式起重機所造成的事故占全部事故的90%，其中超載作業是造成起重機事故的主要原因之一。國家標準局在GB6067-85《起重機械安全規程》、GB3811-83《起重機設計規范》及國家技術監督局GB12602-90《起重機械超載保護裝置安全技術規范》中都對行車使用作了明確規定：額定起重量大于20噸的橋式起重機應裝載荷限制器（又稱超載安全控制器）；動力驅動、額定起重量位于3～20噸的橋式起重機宜裝載荷限制器。隨著《特種設備安全監察條例》和《起重機械超載保護裝置安全技術規范》的執行,超載限制器在起重機械中的應用已變得十分必要。超載限制器在保護起重機械鋼結構的同時,也保證了起重機的安全運行,避免了機毀人亡的事故發生,為企業的正常發展提供了有力保障。

目前，超載限制器仍然缺乏足夠的可靠性和精度，造成易損壞、偽超載報警等異常現象，一些單位為了正常的生產秩序不得不將其拆除，有的單位干脆就不安裝。

載荷限制器的主要經歷了機械式、電子模擬式、數字式和智能式幾個階段。作者分析了國內外超載限制器的技術發展狀況，應用自適應控制技術對行車超載控制器進行設計。重點解決超載限制器的可靠性和精度相關的困擾問題。

1 自適應控制技術用于行車載荷安全控制器的總體設計方案

目前國內外使用的行車超載限制器，能夠通過硬件濾波電路及軟件濾波濾除起重機運行時的過程擾動φ(t)，以及載荷傳感器的測量噪聲及信號干擾f(t)；載荷傳感器由于安裝位置造成的偏載現象、傳感器本身的蠕變、溫漂以及劇烈動載沖擊下的靈敏度不穩定等因素造成超載限制器的零位漂移η(t)，這種緩變誤差可以通過選擇高性能的傳感器和對傳感器電橋應變片自動校正獲得部分補償，再通過模擬和數字濾波濾除。

本文所設計的具有自適應控制功能的行車載荷安全控制器結構框圖見圖1。它能夠解決動載影響，改變濾波器的結構，起到動載數字濾波和自動校零的功能，它采用高性能的MCS-8098單片機，完成自適應運算和檢測功能，由于MCS-8098內有A/D轉換器，節約了硬件,電路結構簡單，可靠性高。

2 行車自適應控制系統建立

自適應控制是隨著計算機的發展和普及而發展起來的一種新型自動控制技術，它通過不斷地測量系統的輸入、狀態、輸出或性能參數，逐漸了解和掌握對象，然后根據所得的信息按一定的設計方法，作出決策去更新控制器的結構和參數以適應環境的變化，達到所要求的控制性能指標。其控制作用是基于一定的數學模型和一定的性能指標綜合出來的，采用的是“預測—辨識—控制”的方法，通過辨識(包括對系統的結構、參數、性能指標等的辨識)而獲得自適應能力[1]。

根據力學定律,行車運行時起升系統載荷傳感器的測量輸出值y(t)也就是進入自適應控制系統的輸入信號，即[2,3]：

這是一個行車運行時的理想化數學模型。式中:Ks—載荷傳感器變換系數；W—實際提升載荷；v(t)—提升速度；m—系統折算到載荷傳感器受力點上的等效質量；c—阻力系數；φ(t)—行車運行時的過程擾動(振動、沖擊等)；f(t)—載荷傳感器的測量噪聲及信號傳輸干擾；η(t)—載荷傳感器的偏載、蠕變、溫漂等引起的緩變干擾。這些干擾因素的輸入方式如圖1所示。

圖1 行車超載安全限制器總體設計框圖

如圖2所示的單片機實現的自適應行車超載控制系統的原理圖。它在目前廣泛使用的超載限制器結構基礎上增加了一個以參考模型的估計與辯識為基礎的自適應測量環節。系統的參考模型、自適應控制器等都是一些算法，將它們存儲在微處理器的只讀存儲器內。行車運行時的理想化數學模型作為自適應測量環節的參考模型。空載時，在參考輸入W0=0下，參考模型輸出ys(k)，它與行車實際空載運行時的輸出y(k)比較后的差值y(k)-ys(k)作為系統的零位誤差，由參數估計器實時修改系統零位，從而實現零位的自動跟蹤和校正。在非空載狀態下，由于行車實際載荷量W未知，自適應測量環節以其輸出值Y(k)近似作為參考模型的參考輸入：W0=Y(k)，參數估計器實時估計模型參數，進行動載荷計算，從而實現測量過程中的動載濾波。

圖2 單片機自適應控制系統框圖

圖2中，Y(k)是在y(k)中濾除了系統的動載以及進行零位校正后的超載限制器測量輸出值，本質上是自適應測量環節的一個最優估計。Y(k)與實際載荷W總存在一定的誤差，其精度決定于參考模型的結構及其模型參數的實時辯識精度。與現有超載限制器相比較,由于增加了自適應動載濾波和校零環節，極大提高了新型超載限制器的工作穩定性和測量準確度。

3 自適應控制系統數據處理

式(1)中，擾動信號φ(t)和f(t)，通過常規的軟硬件濾波可以有效加以濾除。載荷傳感器通過補償和硬件濾波，載荷傳感器的偏載、蠕變、溫漂、靈敏度不穩定等作用造成的緩變干擾η(t)的影響基本消除。所剩干擾只有 ，令放大電路的放大倍數為Ka，由式(1)通過歐拉方法離散化后，得到以差分方程表示的理想化測量參考模型：

式中，T=m/c——系統在一定載荷W時的時間常數。

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式(2)中，Ks、Ka是已知的；而模型參數m、c以及T=m/c在不同載荷值W=Wi時，其數值是不同的，對應有m=mi、c=ci、T=Ti，因此需實時辯識。為了減少實時計算工作量，可預先進行離線計算。將行車載荷量從零到額定載荷平均等分N份，得參考載荷集合W0={W1，W2，…，WN}。運行參考模型(式(2))，在每個參考載荷值W0=Wi(i=1,2,…,N)時工作一個起重周期，等步長采樣v(k)和ys(k)，由最小二乘估計(LSE)求解：

由最小二乘原理得：

式得相應m、c、T的估計值的集合為：

其中i=1,2,…,N,各參數均以表格方式儲存在存儲器中，于是實時參數估計僅為查表工作。參數m、c、T離線計算時的[i，i+1]區間劃分愈細，則實時參數估計時，查表得到的參數估計值愈精確。

實際行車超載限制器一般并不裝有行車提升速度傳感器，參考模型所需的速度值v(k)是依靠一個速度給定階躍信號Vs獲取。在一定載荷Wi時，當速度給定信號Vs從V1變化到V2時，根據一階系統過渡過程，其速度響應：

設步長L=Δt=tk-tk-1，將式(5)離散化，可導其實時遞推關系：

式中ΔV=V2-V1；γi,o為W0=Wi時的速度響應指數衰減因子，其數值與系統的時間常數Ti及采樣步長L有關，可預先離線計算，獲得衰減因子集合γ={γ1,0,γ2,0,…,γN,0}，并以表格方式儲存，實時計算工作量大為減輕。

則認為行車目前處于空載狀態。式中εr為由實測確定的空載門限值。于是Z'與前一次設定的零位補償值Z比較，若滿足：則以Z'取代Z，作為超載限制器自適應測量環節的新的零位補償值，從而實現了自動校零。式中εz為校零閾值。

令Kc為標度系數，則經自適應動載濾波及自動校零后的自適應控制部分的輸出值：

4 自適應控制系統實時運算

根據式(2)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、可構造出新型超載限制器的自適應動控制的實時運算框圖，如圖3所示。

圖3 自適應控制實時運算框圖

5 討論和總結

為實現上述設計思想，將采用MCS-8098單片機語言編寫程序，相應的框圖如圖4所示。

本文設計的自適應動態測量系統用于行車超載控制的研制，能夠克服以往行車超載限制器的固有缺陷，使檢測精度和運行穩定性大幅度提高。得出如下結論：

1）要準確構造行車理想化載荷測量模型；模型參數m、c、T以及速度衰減因子γ離線計算時的[i,i+1]區間劃分愈細，則實時參數估計時查表得到的參數值愈精確。但區間劃分也不能過細，否則會增加在線查表時間。

圖4 單片機自適應控制的程序框圖

2）由于實際載荷W是未知的，參考模型在線計算時的參考輸入是以W0=Y(k)近似代替，而Y(k)僅是自適應測量環節的一個最優估計，并非等于實際載荷值W。因此自適應動載濾波及校零環節自身還存在一定的誤差。

3）自適應測量環節所需的速度值v(k)也并非實際檢測的行車提升速度，而是通過激勵信號Vs計算獲得，因此也存在一定誤差。

6 創新點

課題通過對橋式起重機的力學模型進行分析，采用自適應控制技術，進行動載濾波，實現超載控制器的自適應控制，并提出了自適應實時控制算法。

[1] 謝新民,丁鋒.自適應控制系統[M].北京:清華大學出版社,2002.

[2] 褚建新,顧偉.具有自適應動載濾波與校零功能的起重機超載限制器原理分析[J].儀器儀表學報,1998,10,19(5):449-454.

[3] 褚建新,顧偉.一種新型多功能超載限制器[J].自動化儀表,2000,1,21(1):22-24.