自適應(yīng)控制在行車超載控制器中的應(yīng)用

黃沿波，戴志超，柳紅衛(wèi)

（1. 廣東省安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究所，廣州 510060；2. 廣東省技術(shù)師范學(xué)院，廣州 510665）

0 引言

行車又稱橋式起重機(jī)，俗稱天車。廣泛用于冶金、裝卸、電站安全檢查、車間倉(cāng)庫(kù)等，在物料輸送上起著舉足輕重的作用。它是一種蘊(yùn)藏危險(xiǎn)因素較多，事故發(fā)生率較大的典型機(jī)械設(shè)備。例如，曾對(duì)42次起重死亡和重傷事故統(tǒng)計(jì)，由橋式起重機(jī)所造成的事故占全部事故的90%，其中超載作業(yè)是造成起重機(jī)事故的主要原因之一。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局在GB6067-85《起重機(jī)械安全規(guī)程》、GB3811-83《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》及國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局GB12602-90《起重機(jī)械超載保護(hù)裝置安全技術(shù)規(guī)范》中都對(duì)行車使用作了明確規(guī)定：額定起重量大于20噸的橋式起重機(jī)應(yīng)裝載荷限制器（又稱超載安全控制器）；動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、額定起重量位于3～20噸的橋式起重機(jī)宜裝載荷限制器。隨著《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》和《起重機(jī)械超載保護(hù)裝置安全技術(shù)規(guī)范》的執(zhí)行,超載限制器在起重機(jī)械中的應(yīng)用已變得十分必要。超載限制器在保護(hù)起重機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)的同時(shí),也保證了起重機(jī)的安全運(yùn)行,避免了機(jī)毀人亡的事故發(fā)生,為企業(yè)的正常發(fā)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(bào)警等異?，F(xiàn)象，一些單位為了正常的生產(chǎn)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(jīng)歷了機(jī)械式、電子模擬式、數(shù)字式和智能式幾個(gè)階段。作者分析了國(guó)內(nèi)外超載限制器的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)對(duì)行車超載控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。重點(diǎn)解決超載限制器的可靠性和精度相關(guān)的困擾問題。

1 自適應(yīng)控制技術(shù)用于行車載荷安全控制器的總體設(shè)計(jì)方案

目前國(guó)內(nèi)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(jī)運(yùn)行時(shí)的過程擾動(dòng)φ(t)，以及載荷傳感器的測(cè)量噪聲及信號(hào)干擾f(t)；載荷傳感器由于安裝位置造成的偏載現(xiàn)象、傳感器本身的蠕變、溫漂以及劇烈動(dòng)載沖擊下的靈敏度不穩(wěn)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(duì)傳感器電橋應(yīng)變片自動(dòng)校正獲得部分補(bǔ)償，再通過模擬和數(shù)字濾波濾除。

本文所設(shè)計(jì)的具有自適應(yīng)控制功能的行車載荷安全控制器結(jié)構(gòu)框圖見圖1。它能夠解決動(dòng)載影響，改變?yōu)V波器的結(jié)構(gòu)，起到動(dòng)載數(shù)字濾波和自動(dòng)校零的功能，它采用高性能的MCS-8098單片機(jī)，完成自適應(yīng)運(yùn)算和檢測(cè)功能，由于MCS-8098內(nèi)有A/D轉(zhuǎn)換器，節(jié)約了硬件,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。

2 行車自適應(yīng)控制系統(tǒng)建立

自適應(yīng)控制是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和普及而發(fā)展起來的一種新型自動(dòng)控制技術(shù)，它通過不斷地測(cè)量系統(tǒng)的輸入、狀態(tài)、輸出或性能參數(shù)，逐漸了解和掌握對(duì)象，然后根據(jù)所得的信息按一定的設(shè)計(jì)方法，作出決策去更新控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以適應(yīng)環(huán)境的變化，達(dá)到所要求的控制性能指標(biāo)。其控制作用是基于一定的數(shù)學(xué)模型和一定的性能指標(biāo)綜合出來的，采用的是“預(yù)測(cè)—辨識(shí)—控制”的方法，通過辨識(shí)(包括對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、性能指標(biāo)等的辨識(shí))而獲得自適應(yīng)能力[1]。

根據(jù)力學(xué)定律,行車運(yùn)行時(shí)起升系統(tǒng)載荷傳感器的測(cè)量輸出值y(t)也就是進(jìn)入自適應(yīng)控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，即[2,3]：

這是一個(gè)行車運(yùn)行時(shí)的理想化數(shù)學(xué)模型。式中:Ks—載荷傳感器變換系數(shù)；W—實(shí)際提升載荷；v(t)—提升速度；m—系統(tǒng)折算到載荷傳感器受力點(diǎn)上的等效質(zhì)量；c—阻力系數(shù)；φ(t)—行車運(yùn)行時(shí)的過程擾動(dòng)(振動(dòng)、沖擊等)；f(t)—載荷傳感器的測(cè)量噪聲及信號(hào)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(shè)計(jì)框圖

如圖2所示的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)行車超載控制系統(tǒng)的原理圖。它在目前廣泛使用的超載限制器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了一個(gè)以參考模型的估計(jì)與辯識(shí)為基礎(chǔ)的自適應(yīng)測(cè)量環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的參考模型、自適應(yīng)控制器等都是一些算法，將它們存儲(chǔ)在微處理器的只讀存儲(chǔ)器內(nèi)。行車運(yùn)行時(shí)的理想化數(shù)學(xué)模型作為自適應(yīng)測(cè)量環(huán)節(jié)的參考模型。空載時(shí)，在參考輸入W0=0下，參考模型輸出ys(k)，它與行車實(shí)際空載運(yùn)行時(shí)的輸出y(k)比較后的差值y(k)-ys(k)作為系統(tǒng)的零位誤差，由參數(shù)估計(jì)器實(shí)時(shí)修改系統(tǒng)零位，從而實(shí)現(xiàn)零位的自動(dòng)跟蹤和校正。在非空載狀態(tài)下，由于行車實(shí)際載荷量W未知，自適應(yīng)測(cè)量環(huán)節(jié)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(shù)估計(jì)器實(shí)時(shí)估計(jì)模型參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)載荷計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程中的動(dòng)載濾波。

圖2 單片機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)框圖

圖2中，Y(k)是在y(k)中濾除了系統(tǒng)的動(dòng)載以及進(jìn)行零位校正后的超載限制器測(cè)量輸出值，本質(zhì)上是自適應(yīng)測(cè)量環(huán)節(jié)的一個(gè)最優(yōu)估計(jì)。Y(k)與實(shí)際載荷W總存在一定的誤差，其精度決定于參考模型的結(jié)構(gòu)及其模型參數(shù)的實(shí)時(shí)辯識(shí)精度。與現(xiàn)有超載限制器相比較,由于增加了自適應(yīng)動(dòng)載濾波和校零環(huán)節(jié)，極大提高了新型超載限制器的工作穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度。

3 自適應(yīng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

式(1)中，擾動(dòng)信號(hào)φ(t)和f(t)，通過常規(guī)的軟硬件濾波可以有效加以濾除。載荷傳感器通過補(bǔ)償和硬件濾波，載荷傳感器的偏載、蠕變、溫漂、靈敏度不穩(wěn)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(shù)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(cè)量參考模型：

式中，T=m/c——系統(tǒng)在一定載荷W時(shí)的時(shí)間常數(shù)。

在進(jìn)行課堂教學(xué)的過程中，為了幫助學(xué)生認(rèn)知和掌握物理知識(shí)，教師可以讓學(xué)生對(duì)課本內(nèi)容提前預(yù)習(xí)，并根據(jù)課本涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)所用器材到生活中尋找物品代替，在尋找實(shí)驗(yàn)替代品的同時(shí)，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，更重要的是學(xué)生在尋找的過程中，強(qiáng)化學(xué)生的認(rèn)知，提升課堂教學(xué)效果，成功點(diǎn)亮高中物理課堂.

式(2)中，Ks、Ka是已知的；而模型參數(shù)m、c以及T=m/c在不同載荷值W=Wi時(shí)，其數(shù)值是不同的，對(duì)應(yīng)有m=mi、c=ci、T=Ti，因此需實(shí)時(shí)辯識(shí)。為了減少實(shí)時(shí)計(jì)算工作量，可預(yù)先進(jìn)行離線計(jì)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(yùn)行參考模型(式(2))，在每個(gè)參考載荷值W0=Wi(i=1,2,…,N)時(shí)工作一個(gè)起重周期，等步長(zhǎng)采樣v(k)和ys(k)，由最小二乘估計(jì)(LSE)求解：

由最小二乘原理得：

式得相應(yīng)m、c、T的估計(jì)值的集合為：

其中i=1,2,…,N,各參數(shù)均以表格方式儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，于是實(shí)時(shí)參數(shù)估計(jì)僅為查表工作。參數(shù)m、c、T離線計(jì)算時(shí)的[i，i+1]區(qū)間劃分愈細(xì)，則實(shí)時(shí)參數(shù)估計(jì)時(shí)，查表得到的參數(shù)估計(jì)值愈精確。

實(shí)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(gè)速度給定階躍信號(hào)Vs獲取。在一定載荷Wi時(shí)，當(dāng)速度給定信號(hào)Vs從V1變化到V2時(shí)，根據(jù)一階系統(tǒng)過渡過程，其速度響應(yīng)：

設(shè)步長(zhǎng)L=Δt=tk-tk-1，將式(5)離散化，可導(dǎo)其實(shí)時(shí)遞推關(guān)系：

式中ΔV=V2-V1；γi,o為W0=Wi時(shí)的速度響應(yīng)指數(shù)衰減因子，其數(shù)值與系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)Ti及采樣步長(zhǎng)L有關(guān)，可預(yù)先離線計(jì)算，獲得衰減因子集合γ={γ1,0,γ2,0,…,γN,0}，并以表格方式儲(chǔ)存，實(shí)時(shí)計(jì)算工作量大為減輕。

則認(rèn)為行車目前處于空載狀態(tài)。式中εr為由實(shí)測(cè)確定的空載門限值。于是Z'與前一次設(shè)定的零位補(bǔ)償值Z比較，若滿足：則以Z'取代Z，作為超載限制器自適應(yīng)測(cè)量環(huán)節(jié)的新的零位補(bǔ)償值，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)校零。式中εz為校零閾值。

令Kc為標(biāo)度系數(shù)，則經(jīng)自適應(yīng)動(dòng)載濾波及自動(dòng)校零后的自適應(yīng)控制部分的輸出值：

4 自適應(yīng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)算

根據(jù)式(2)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、可構(gòu)造出新型超載限制器的自適應(yīng)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)運(yùn)算框圖，如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)控制實(shí)時(shí)運(yùn)算框圖

5 討論和總結(jié)

為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)思想，將采用MCS-8098單片機(jī)語(yǔ)言編寫程序，相應(yīng)的框圖如圖4所示。

本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)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(cè)精度和運(yùn)行穩(wěn)定性大幅度提高。得出如下結(jié)論：

1）要準(zhǔn)確構(gòu)造行車?yán)硐牖d荷測(cè)量模型；模型參數(shù)m、c、T以及速度衰減因子γ離線計(jì)算時(shí)的[i,i+1]區(qū)間劃分愈細(xì)，則實(shí)時(shí)參數(shù)估計(jì)時(shí)查表得到的參數(shù)值愈精確。但區(qū)間劃分也不能過細(xì)，否則會(huì)增加在線查表時(shí)間。

圖4 單片機(jī)自適應(yīng)控制的程序框圖

2）由于實(shí)際載荷W是未知的，參考模型在線計(jì)算時(shí)的參考輸入是以W0=Y(k)近似代替，而Y(k)僅是自適應(yīng)測(cè)量環(huán)節(jié)的一個(gè)最優(yōu)估計(jì)，并非等于實(shí)際載荷值W。因此自適應(yīng)動(dòng)載濾波及校零環(huán)節(jié)自身還存在一定的誤差。

3）自適應(yīng)測(cè)量環(huán)節(jié)所需的速度值v(k)也并非實(shí)際檢測(cè)的行車提升速度，而是通過激勵(lì)信號(hào)Vs計(jì)算獲得，因此也存在一定誤差。

6 創(chuàng)新點(diǎn)

課題通過對(duì)橋式起重機(jī)的力學(xué)模型進(jìn)行分析，采用自適應(yīng)控制技術(shù)，進(jìn)行動(dòng)載濾波，實(shí)現(xiàn)超載控制器的自適應(yīng)控制，并提出了自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制算法。

[1] 謝新民,丁鋒.自適應(yīng)控制系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[2] 褚建新,顧偉.具有自適應(yīng)動(dòng)載濾波與校零功能的起重機(jī)超載限制器原理分析[J].儀器儀表學(xué)報(bào),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(dòng)化儀表,2000,1,21(1):22-24.