基于模糊PID參數(shù)自整定的全地面起重機(jī)帶超起伸縮控制研究

摘要：全地面起重機(jī)主臂帶超起伸縮時，超起拉索應(yīng)保持一定的張緊拉力，不同臂長、不同主塔臂夾角均對應(yīng)不同超起拉力值。為了解決帶超起伸縮過程中負(fù)載拉力變化問題，采用模糊PID參數(shù)自整定策略，對伸縮過程中的超起拉力值進(jìn)行自適應(yīng)控制，實現(xiàn)復(fù)合動作控制需求。該方法能使超起拉力值追隨目標(biāo)拉力值變化，并始終維持在目標(biāo)拉力值附近，控制更加穩(wěn)定、可靠。

關(guān)鍵詞：

1" "超起裝置概述

超起裝置是在伸縮臂根部與伸縮臂頭部之間設(shè)置臂架式超起桅桿、超起拉索、超起拉板和伸縮臂形成雙三角穩(wěn)固形式，從而減小起重機(jī)伸縮臂的撓度，增加其整體穩(wěn)定性。Y型超起是最常用的超起機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式見圖1。超起裝置主要應(yīng)用于大噸位（400t以上級）全地面起重機(jī)。起重機(jī)的超起工況能達(dá)到起重機(jī)設(shè)計最大載荷的105%以上。

超起卷揚安裝在超起撐桿的頭部，在起重機(jī)主臂伸長和縮回時，超起卷揚按一定的速度放出和卷入鋼絲繩[2]。吊臂伸縮時，超起卷揚放繩或者收繩不能過快或過慢，超起拉索應(yīng)保持一定的張緊拉力。該拉力值隨吊臂長度發(fā)生變化，長臂時拉力為較大值，短臂時拉力為較小值。現(xiàn)有主臂帶超起伸縮過程中，采用手動控制復(fù)合動作，人為控制伸縮速度和超起卷揚放繩，確保正確伸縮同時需要維持一定超起拉力值。

塔臂帶超起伸縮過程中，主塔臂夾角變化需要不同的超起卷揚拉力值。主塔臂夾角較大時，拉力為較大值；主塔臂夾角較小時，拉力為較小值?？梢姡瑤С鹕炜s復(fù)合操作中存在三個問題：①伸縮至不同臂長、或者主塔臂夾角變化時，具有不同的超起目標(biāo)拉力值。②復(fù)合動作操作不當(dāng)，會導(dǎo)致超起卷揚亂繩、松繩、陷繩、過緊崩斷，引發(fā)安全事故[3]。③手動復(fù)合操作勞動強度大，工作效率低。

本文提出全地面起重機(jī)帶超起伸縮時超起拉力的控制方法，針對不同臂長、不同主塔臂夾角對應(yīng)不同超起目標(biāo)拉力值的工況要求，采用模糊PID參數(shù)自整定策略，對伸縮過程中的超起拉力值進(jìn)行自適應(yīng)控制，實現(xiàn)復(fù)合動作控制。

2" "模糊PID參數(shù)自整定技術(shù)

起重機(jī)伸縮、超起卷揚隨動過程中，超起拉力值是變化量，隨臂節(jié)長度增加逐漸增大。拉力值增加意味著負(fù)載增大。倘若一套PID參數(shù)適應(yīng)于低負(fù)載閉環(huán)控制，那么不一定同樣適應(yīng)于高負(fù)載閉環(huán)控制。因此，負(fù)載拉力變化時，要求PID參數(shù)具有自適應(yīng)性。在伸縮、主塔臂夾角控制過程中，負(fù)載量與鋼絲繩倍率相關(guān)，倍率大則負(fù)載大。因此，低倍率負(fù)載下的PID參數(shù)，并不一定適合高倍率負(fù)載的閉環(huán)控制。上述問題對PID參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整提出了要求。

PID參數(shù)自適應(yīng)整定方法有多種，其中模糊自適應(yīng)整定PID參數(shù)以專家知識為控制基礎(chǔ)，以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，具有控制穩(wěn)定性、抗干擾性和易實施性等優(yōu)點，是一種經(jīng)典的參數(shù)自適應(yīng)PID控制方法。

2.1" " 自整定模糊控制器及整定流程

將操作人員（專家）長期實踐積累的經(jīng)驗知識用控制規(guī)則模型化，然后運用推理便可對PID參數(shù)實現(xiàn)最佳調(diào)整。自適應(yīng)模糊PID控制器以偏差e和偏差變化ec作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器。由于在起重機(jī)控制中，一般忽略偏差的動態(tài)響應(yīng)性能，可以忽略微分作用，其控制器結(jié)構(gòu)如圖2。整定流程如圖3所示。

2.2" " 確定超起目標(biāo)拉力值

按設(shè)計要求確定不同臂長、塔臂長、以及主塔臂夾角下的目標(biāo)拉力值，見表1。從表1可以看出，不同主臂長、塔臂長、以及主塔臂夾角均要求不同的目標(biāo)拉力值。

2.3" " 定義輸入、輸出量模糊分布

輸入：e為拉力偏差，論域為[-0.6，+0.6]，ec為拉力偏差的變化量，論域為[-0.9，0.9]，取三角形隸屬函數(shù)，定義模糊子集{NB，NS，ZO，PS，PB}。e和ec的隸屬度函數(shù)如圖4所示。

輸出：ΔKp和ΔKi是PID參數(shù)Kp和Ki的變化量，ΔKp和ΔKi的論域為[-0.3，0.3]，取三角形隸屬函數(shù)，定義模糊子集為｛NB，NS，ZO，PS，PB｝。ΔKp和ΔKi的隸屬度函數(shù)如圖5所示。

2.4" " 模糊推理

根據(jù)對液壓系統(tǒng)及PI參數(shù)控制特性的經(jīng)驗，建立ΔKp和ΔKi模糊規(guī)則，ΔKp控制規(guī)則見表2，ΔKi控制規(guī)則見表3，共25條規(guī)則。ΔKp 與ΔKi的控制規(guī)則可表示為圖6、圖7的模糊控制曲面。

2.5" " 計算結(jié)果

根據(jù)輸入變量e和ec，模糊控制器輸出Kp和Ki的調(diào)整量ΔKp和ΔKi，仿真結(jié)果見圖8。當(dāng)拉力偏差為0t、偏差變化率為0t/s時，輸出ΔKp為0、ΔKi為0；當(dāng)拉力偏差為-0.3t、偏差變化率為0.1t/s時，輸出ΔKp為0.15、ΔKi為0.05。

3" "拉力跟隨試驗

基于模糊PID參數(shù)自整定的左超起拉力控制效果如圖9所示，右超起拉力控制效果如10所示。進(jìn)行主臂帶超起伸縮試驗，所帶塔臂長度小于45m，主臂長度從72.3m伸至83.3m，伸縮速度保持110mm/s，伸縮過程中變化主塔臂夾角。當(dāng)主塔臂夾角在15～21°變化時，目標(biāo)拉力值為1.6t；當(dāng)主塔臂夾角在21～25°變化時，目標(biāo)拉力值為1.75t。試驗結(jié)果顯示：左、右超起拉力值均能跟隨塔臂角度變化，在目標(biāo)值上、下浮動，穩(wěn)定后誤差值小于0.3t，滿足控制要求。

4" "結(jié)語

超起裝置是在伸縮臂根部與伸縮臂頭部之間設(shè)置臂架式超起桅桿、超起拉索、超起拉板和伸縮臂形成雙三角穩(wěn)固形式，從而減小起重機(jī)伸縮臂的撓度，增加其整體穩(wěn)定性。帶超起伸縮復(fù)合操作中存在三個問題：一是伸縮至不同臂長、或者主塔臂夾角變化時，具有不同的超起目標(biāo)拉力值。二是復(fù)合動作操作不當(dāng)，會導(dǎo)致超起卷揚亂繩、松繩、陷繩、過緊崩斷，引發(fā)安全事故[3]。三是手動復(fù)合操作勞動強度大，工作效率低。為了解決帶超起伸縮過程中負(fù)載拉力變化問題，本文采用模糊PID參數(shù)自整定策略對伸縮過程中的超起拉力值進(jìn)行自適應(yīng)控制，使得主臂伸縮時能實現(xiàn)超起放繩的復(fù)合動作，超起拉力值能追隨目標(biāo)拉力值變化，并始終維持在目標(biāo)拉力值附近。模糊PID參數(shù)自整定策略具有高穩(wěn)定性、可靠性的優(yōu)勢，能夠用于其他復(fù)合工況，如超起變幅與卷揚的復(fù)合工況、其他變負(fù)載工況。

參考文獻(xiàn)

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[2] 鄭冬.全地面起重機(jī)超起卷揚排繩系統(tǒng)設(shè)計與仿真[D].大連：大連理工大學(xué)， 2013.

[3] 李懷福， 李武. 起重機(jī)超起裝置控制系統(tǒng)設(shè)計[J].建筑機(jī)械，"2017（4）：4.

[4] 劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2004.