PID控制器在塔式起重機的應(yīng)用探析

呂吉章

摘要:塔式起重機被廣泛用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平輸送及建筑構(gòu)件的安裝。在運輸和安裝過程中由于外界阻力造成定位不精準和負載擺動幅度大等問題。PID控制是歷史悠久、生命力強的控制方法，控制簡單、穩(wěn)定性好，易于實現(xiàn)等優(yōu)點，有良好的控制效果。在塔式起重機上，可通過其他電氣元件，對吊重高度檢測、小車位置檢測和擺角檢測，收集信息，經(jīng)過分析處理，通過PID控制對整個控制系統(tǒng)進行偏差調(diào)節(jié)，使被控變量進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)起重機運行狀態(tài)有效控制，提高定位精準度、安全性和工作效率。

關(guān)鍵字：塔式起重機；PID控制器

中圖分類號：TG231.1 文獻標識碼： A

為了做到塔式起重機啟動及制動的平穩(wěn)、變速迅速、停車準確、運行穩(wěn)定可靠，沒有良好的調(diào)速性能是難以實現(xiàn)的。特別是在港口鹽霧、潮氣、灰塵的惡劣環(huán)境下操作的起重機，頻繁的調(diào)速往往會出現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)振動沖擊、疲勞開裂等問題，導(dǎo)致塔式起重機壽命縮短及設(shè)備損壞，甚至?xí)l(fā)生安全事故，由此可見塔式起重機調(diào)速系統(tǒng)的重要性。

1.塔機變頻調(diào)速方式

變頻器根據(jù)電動機的特性可以對供電電壓、電流和頻率進行適當?shù)目刂?，不同的控制方式將得到不同的調(diào)速特性。變頻器的控制方式主要包括 V/F 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制。以上方法中，矢量控制方式的變頻調(diào)速性能可與直流調(diào)速性能相媲美，在實際中的應(yīng)用最為廣泛。在采用矢量控制的交流電機調(diào)速系統(tǒng)中，由于傳統(tǒng)PID 控制結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，因此 PID 控制仍占據(jù)了主導(dǎo)地位。

塔機的工作特點是斷續(xù)工作、頻繁啟動、制動；運行過程中有明顯的振動和沖擊；有時會過負荷；工作環(huán)境多塵土，環(huán)境溫度變化范圍大。

針對其工作特點，塔機工作機構(gòu)的控制系統(tǒng)主要由控制器、傳感器、變頻器及塔機的工作機構(gòu)組成。

2.PID控制系統(tǒng)

PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。但由于其在實際應(yīng)用中受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，控制精度受到制約。PID 控制原理圖見圖1。

在連續(xù)控制系統(tǒng)中，PID 控制規(guī)律為

對應(yīng)的模擬 PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

簡單說來，PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：

1）比例環(huán)節(jié)即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。

2)積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差、提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，常數(shù)越大，積分作用越弱，反之則強。

3)微分作用能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)整時間。

在計算機控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。

由于位置式PID控制算法是全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對偏差進行累加，計算機運算工作量大。而且，因為計算機輸出對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障，計算機輸出將大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式PID控制算法。所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量。當執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量(例如驅(qū)動步進電動機)時，可導(dǎo)出提供增量的PID控制算式：

上式成為增量式PID控制算法。

因為塔機需要達到就位準確、較高的控制精度，同時也為避免計算機發(fā)生故障，而導(dǎo)致發(fā)生故障的嚴重后果，所以采用增量式 PID 控制算法。

3.塔機起升機構(gòu)數(shù)字PID仿真

電動機的型號為ZDY21-4B，轉(zhuǎn)動慣量為0.2kgm2，額定電壓為380V，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定轉(zhuǎn)速為1380r/min，電機極對數(shù)p=3,將參數(shù)數(shù)據(jù)代入到電機的公式中，計算得到Kr1＝5.024，變頻器的控制電壓范圍設(shè)定為0V～10V，頻率范圍為0Hz～50Hz，所以Ks=5HZ/V，取加速時間為0.1s。

由此得到整個系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

閉環(huán)傳遞函數(shù)為

應(yīng)用增量式PID控制器對起升機構(gòu)進行控制，是通過調(diào)節(jié) PID 控制器的 3個參數(shù)（Kp＝0.15；Ki＝0.01；Kd＝0.8）來實現(xiàn)的。如果給系統(tǒng)輸入正弦信號 sin(πt)時，系統(tǒng)的跟蹤及誤差曲線如圖2所示，從仿真圖中可以看出，PID 控制系統(tǒng)可以達到比較好的跟蹤效果。

在實際應(yīng)用中，起重機起升（或下降）的實際運行過程為加速－勻速－減速過程，即輸入信號為一梯形曲線。因此，當給系統(tǒng)輸入梯形信號時，響應(yīng)及誤差曲線如圖2所示，從仿真圖中可以看出，跟蹤過程誤差很小，PID控制器具有較好的實際應(yīng)用價值。

4.塔機起升機構(gòu)變頻調(diào)速實驗

本課題的實驗研究選用我校工程機械實驗室自行設(shè)計的實驗用塔機，它可以實現(xiàn)普通塔機的起升、變幅、回轉(zhuǎn)功能，動力分別由3臺普通三相交流異步電動機提供。根據(jù)塔機起升機構(gòu)的電機選取了變頻器，并簡要介紹了其功能；根據(jù)變頻器的內(nèi)置PID控制器的反饋輸入選擇了光電編碼器作為傳感器；用變頻器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，并根據(jù)實驗要求設(shè)計了變頻器的系統(tǒng)參數(shù)，完成了塔機起升機構(gòu)的調(diào)速實驗，并根據(jù)測得的數(shù)據(jù)對實驗結(jié)果進行了分析。設(shè)定電機的輸入頻率恒定為50Hz時(階躍信號)，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，加上PID控制以后，塔機的啟動特性得到了明顯的改善（見圖3）。方便日常檢查和維護。

5.用戶注重檢查維護 避免故障隱患

從調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有的用戶對所使用機器至出現(xiàn)故障時從未檢查過螺栓的預(yù)緊力。為避免螺栓松動失效斷裂，需要用戶在使用過程中定期檢查螺栓預(yù)緊力矩，在第一次使用100小時應(yīng)普遍地均勻地檢查1次螺栓并擰緊，以后每500小時間隔均應(yīng)檢查1次。破碎作業(yè)、工作情況惡劣的要縮短檢查間隔。機器累計工作2000小時后，如果發(fā)現(xiàn)有螺栓松動到規(guī)定力矩的80%以下，則該螺栓和相鄰的兩個螺栓都要更換；如發(fā)現(xiàn)20%的螺栓松動到規(guī)定力矩的80%以下，則全部換新的；累計工作14000小時后，全部螺栓都要換新的。

針對目前我國塔機行業(yè)中起升機構(gòu)調(diào)速方法不先進，造成起重機效率低、能耗高等缺點，通過計算機數(shù)字仿真的效果來看，加入PID控制后，系統(tǒng)在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，響應(yīng)性有明顯的好轉(zhuǎn)，對塔機的起升機構(gòu)進行了試驗，結(jié)果也表明，加PID控制明顯比不加PID控制具有更好的調(diào)速性能。

6.結(jié)語

現(xiàn)在因為我國塔式起重機行業(yè)中起升機構(gòu)調(diào)速方法還不是很先進，以至于起重機有工作效率低、工作時消耗能源高等缺點。但是通過計算機數(shù)字仿真效果來看，在加入了PID控制后在系統(tǒng)能夠維持原有的系統(tǒng)穩(wěn)定性的系統(tǒng)上，在響應(yīng)性方面都有了明顯的改善。同時在對塔機的起升機構(gòu)的實驗也表明加PID控制的調(diào)速性能明顯好于不加PID控制的調(diào)速性能。所以PID控制器在塔式其中起到十分重要的作用，通過PID控制對整個控制系統(tǒng)進行偏差調(diào)節(jié)，使被控變量進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)起重機運行狀態(tài)有效控制，提高定位精準度、安全性和工作效率。

參考文獻：

[1]劉金棍.先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[2]戴明宏，吳新佳，梁景成.塔式起重機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)[J].河南科技，2005,(1);29-34

[3]呂廣明，胡長勝.基于SPWM的起重機變頻調(diào)速技術(shù)研究[J].建筑機械化，2007,(5):21-24