基于CAN總線的船用起重機(jī)自動(dòng)定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 東，唐 崢，杜思遠(yuǎn)

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南鄭州 450015)

0 引 言

船用起重機(jī)在船舶建造和使用中應(yīng)用較為廣泛，經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，我國在船用起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)制造方面取得了顯著發(fā)展。然而隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化、智能化技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，市場(chǎng)對(duì)起重機(jī)工作性能、安全可靠性、自動(dòng)化程度、設(shè)備故障監(jiān)控診斷能力與智能化水平都提出更高要求。例如要求滿足自動(dòng)定位，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)通信，建立以起重機(jī)為基礎(chǔ)的存儲(chǔ)和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等[1]。針對(duì)這種發(fā)展趨勢(shì)，本文選用CAN總線作為現(xiàn)場(chǎng)總線，利用模糊PID控制算法控制多路電液比例閥的開度，實(shí)現(xiàn)了船用起重機(jī)的自動(dòng)定位與控制。

1 概述

1.1 起重機(jī)結(jié)構(gòu)

該船用起重機(jī)主要由基座、起重臂組、液壓系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。基座用于支承和水平轉(zhuǎn)動(dòng)起重臂組，主要由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、支撐座等組成；起重臂組主要功能是在其他系統(tǒng)的配合下對(duì)重物進(jìn)行調(diào)運(yùn)，起重臂組主要由基本臂、主臂、伸縮臂、油缸、起升機(jī)構(gòu)等組成；液壓系統(tǒng)用于向基座和起重臂組提供動(dòng)力，主要由油箱、泵站電機(jī)、液壓泵、多路電液比例閥等組成。自動(dòng)控制系統(tǒng)用于控制起重臂組及液壓系統(tǒng)，完成重物的吊裝任務(wù)，自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由主控計(jì)算機(jī)、控制箱、傳感器組、報(bào)警器等組成。起重機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 起重機(jī)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of Crane

1.2 CAN總線

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）正在逐步取代集散控制系統(tǒng)（DCS），廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)[2]。目前現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中主要采用的現(xiàn)場(chǎng)總線有CAN總線、Profibus DP/PA總線、InterBus總線和Modbus總線等。CAN總線由于其高性能、高可靠性和其獨(dú)特設(shè)計(jì)，在各種自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。CAN總線具有通信方式靈活、多主方式及面向事件的信息傳輸、非破壞性總線仲裁技術(shù)、傳輸距離遠(yuǎn)、節(jié)點(diǎn)數(shù)較多等特點(diǎn)。

2 起重機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

工控機(jī)作為控制系統(tǒng)的主控制器，利用PCI-1680通信卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過CAN總線、多路電液比例閥控制起重機(jī)完成重物的自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)，并通過編碼器檢測(cè)補(bǔ)給起重機(jī)工作的實(shí)時(shí)位置信息，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了能夠準(zhǔn)確地控制起重機(jī)吊鉤，需要對(duì)其位置進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤判斷，分別對(duì)起重機(jī)的回轉(zhuǎn)角位置、主臂與基本臂之間夾角位置、伸縮臂伸縮位置及卷揚(yáng)位置等4路物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。要提高系統(tǒng)的控制精度，關(guān)鍵在于提高采樣反饋信號(hào)的精度，需要采用光電編碼器作為本系統(tǒng)的直線位移或角位移測(cè)量元件。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of control system

傳感器組由4個(gè)CAN總線接口的絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器和2個(gè)恒力開度裝置組成，分別用于測(cè)量起重機(jī)的回轉(zhuǎn)角度、俯仰角度、伸縮臂長度和卷揚(yáng)繩索長度。絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器選用Pepperl+Fuchs公司生產(chǎn)的ENA42HD-S系列重載編碼器，恒力開度裝置選用ECN40HD系列。因此，絕對(duì)值編碼器分別將回轉(zhuǎn)角位置、主臂俯仰角位置、伸縮臂伸縮位移和卷揚(yáng)位移、通過CAN總線接口輸入到主控計(jì)算機(jī)中。

多路閥選用WALVOIL公司生產(chǎn)的DPC130型電液比例多路閥，該多路閥由進(jìn)油閥體、5個(gè)工作閥片和回油閥體組成。多路閥支持CAN總線協(xié)議，主控計(jì)算機(jī)通過電纜與多路閥的電磁鐵相連，通過控制比例電磁鐵電流大小來改變閥芯的位置，從而改變通過閥口的液壓油流量，進(jìn)而控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，速度與流量呈線性關(guān)系。

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

要對(duì)吊鉤位置進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，需掌握其在直角坐標(biāo)系空間中的位置，故需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，分別定義直角坐標(biāo)系和廣義坐標(biāo)系。

直角坐標(biāo)系：以甲板面起重機(jī)旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)，甲板面為x-y平面，x軸正向指向存儲(chǔ)位置；y軸為x軸繞原點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至90°位置；z軸垂直甲板面指向上方。廣義坐標(biāo)系：α為起重機(jī)旋轉(zhuǎn)自由度，存儲(chǔ)方向?yàn)?，俯視時(shí)逆時(shí)針方向?yàn)檎沪聻橹鞅坌D(zhuǎn)自由度，水平方向?yàn)?，在垂向平面（XZ平面）觀察時(shí)，逆時(shí)針方向?yàn)檎籐f為主臂長度，L為伸縮臂長度，γ為伸縮臂完全展開時(shí)伸縮臂與主臂之間的夾角，r1和h0分別表示主臂原點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心之間的水平距離和垂直高度，rp表示繩長，原點(diǎn)在吊臂頂端定滑輪中心，指向下方為正。

廣義坐標(biāo)-直角坐標(biāo)變換：

由于主臂與伸縮臂不在同一平面內(nèi)，主臂與伸縮臂中心距約為r，R1為修正后的回轉(zhuǎn)半徑，可得

主臂與R1之間的夾角為 α1=arcsin(r/R1)，得

2.3 調(diào)運(yùn)策略

為了安全起見，在實(shí)際重物自動(dòng)調(diào)運(yùn)過程中采取定臂長的策略，調(diào)運(yùn)過程中同時(shí)控制回轉(zhuǎn)、俯仰、卷揚(yáng)3個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，從而到達(dá)目標(biāo)位置。以時(shí)間為目標(biāo)函數(shù)，采取同時(shí)到達(dá)和定高的控制策略，對(duì)回轉(zhuǎn)、俯仰、卷揚(yáng)各通道的流量進(jìn)行分配。

根據(jù)各自由度速度-流量增益：回轉(zhuǎn)a L/（°），俯仰b L/（°），卷揚(yáng)c L/m，吊載區(qū)俯仰角速度-卷揚(yáng)線速度跟蹤因子為dm/（°）。為實(shí)現(xiàn)吊鉤定高，俯仰和卷揚(yáng)的流量分配比為b:（c/d）；為了使回轉(zhuǎn)和俯仰同時(shí)到達(dá)目標(biāo)位置，將液壓管路的總流量分配給回轉(zhuǎn)閥、俯仰閥和卷揚(yáng)閥。可得回轉(zhuǎn): 俯仰: 卷揚(yáng)=aα:bβ:（c/d）β（α、β分別為廣義坐標(biāo)系下到目的位置回轉(zhuǎn)與俯仰的偏移量）。

通過主控計(jì)算機(jī)直接輸出控制量，從而控制電液比例閥的流量，控制各自由度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過編碼器獲取起重機(jī)實(shí)時(shí)位置，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于控制量死區(qū)、摩擦、齒輪間隙、比例閥小流量不穩(wěn)定等因素的影響，起重機(jī)在啟動(dòng)和停止階段存在非線性，傳統(tǒng)的PID控制算法很難滿足需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊自整定PID控制器的控制方法。

3 模糊PID控制設(shè)計(jì)

模糊PID控制基本思想是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的理論，利用模糊規(guī)則表進(jìn)行表示，然后根據(jù)控制系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行模糊推理，從而實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線修正，構(gòu)成模糊PID控制器[4-5]。

根據(jù)起重機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的特性，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)二維模糊控制器，以誤差e及其誤差變化率de模糊化后作為輸入變量，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，得到3個(gè)模糊參數(shù)，將這3個(gè)參數(shù)解模糊處理得到PID控制器的參數(shù)調(diào)整量作為輸出變量。圖3為模糊PID控制結(jié)構(gòu)框圖。

將模糊變量分為7級(jí)，分別是{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}，這樣總結(jié)控制規(guī)律比較方便且處理速度較快。模糊變量值確定后，需要建立模糊量和等級(jí)量之間的隸屬關(guān)系，即確定模糊子集隸屬函數(shù)的形狀。隸屬度函數(shù)選取不對(duì)稱三角形。控制規(guī)則貯存在數(shù)表中，便于更改，最后用重心法合成輸出控制量。

圖3 模糊PID控制Fig. 3 Fuzzy-PID Control System

模糊控制器的核心是建立模糊規(guī)則表，根據(jù)電液比例閥的穩(wěn)態(tài)特性、響應(yīng)速度等特點(diǎn)建立模糊規(guī)則表， ?kp，? ki，? kd的模糊規(guī)則如表1所示。

表1 ? kp， ?ki ， ?kd 模糊規(guī)則表Tab. 1 ?kp，?ki ， ?kd fuzzy rule

最后一步為輸出解模糊，計(jì)算輸出各模糊變量隸屬度函數(shù)三角形被各隸屬度水平截成梯形的重心，分別計(jì)算各梯形然后相加時(shí)，應(yīng)當(dāng)Li減去重疊部分的面積。

其中：Si為各梯形面積；Li為各梯形重心的距離。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在Labview環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面和模糊PID控制算法，主要有CAN口設(shè)置、功能選擇、手動(dòng)控制、電液比例閥狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)位置讀取、自動(dòng)定位控制等功能，如圖4所示。

圖4 起重機(jī)自動(dòng)定位控制界面Fig. 4 Crane automatic positioning control interface

選取2個(gè)特征位置分別使用傳統(tǒng)PID控制算法和模糊PID控制算法進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，分別計(jì)算直角坐標(biāo)系下水平方向距目標(biāo)位置的誤差和吊鉤高度的變化誤差H=z-z2，如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，模糊PID控制效果明顯好于傳統(tǒng)PID控制，動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間提升了3.1 s，定位精度提高了0.032 m，吊鉤高度最大誤差縮小了0.070 m。

圖5 起重機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)位置誤差曲線圖Fig. 5 Position error curve of crane automatic transfer