塔吊高效運行控制器算法研究

秦 剛管 赟陳忠孝薛永才

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 陜西西安 710021；2.69220 部隊 新疆庫車縣 842000）

塔吊高效運行控制器算法研究

秦 剛1管 赟1陳忠孝1薛永才2

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 陜西西安 710021；2.69220 部隊 新疆庫車縣 842000）

0 引言

為了使速度變換更加平滑以及負(fù)載的防擺更加有效，使用合適的控制算法來使塔吊控制系統(tǒng)實現(xiàn)安全高效的運行。采用雙閉環(huán)控制算法，其中外環(huán)即電流環(huán)只是以跟蹤性能為主，所以采用常規(guī)PID。而內(nèi)環(huán)即轉(zhuǎn)速環(huán)，采用模糊PID控制算法，這種算法除了可以使系統(tǒng)在輸入量為時變時有較好的動態(tài)性能之外，當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化即受到干擾或負(fù)載變化的情況下，系統(tǒng)可以擁有較好的調(diào)節(jié)性能，并選擇最優(yōu)的路徑和速度，由于最優(yōu)路徑的控制沒什么實際的意思，故高效運行主要是最優(yōu)速度的高效。

1 模糊自適應(yīng)PID控制

1.1 模糊控制理論［1］

模糊控制，是一種計算機數(shù)字控制技術(shù)，構(gòu)成它的基礎(chǔ)包括模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理。它本質(zhì)上是一種非線性控制，屬于智能控制。模糊控制系統(tǒng)由模糊控制器、輸入／輸出接口電路、廣義對象和傳感器等組成，如圖1所示。

圖1 模糊控制系統(tǒng)框圖

模糊控制器構(gòu)成如圖2所示。由圖可看出輸入標(biāo)定、模糊化、模糊決策和模糊判決（解模糊）和輸出標(biāo)定部分構(gòu)成了模糊控制器。模糊化過程對精確量進(jìn)行模糊轉(zhuǎn)化。它包括規(guī)則庫和隸屬關(guān)系兩部分；模糊控制器設(shè)計的核心部分是模糊決策，它的作用是將已知的模糊輸入量采用已知的控制規(guī)律和數(shù)據(jù)推導(dǎo)出對應(yīng)的模糊輸出量；解模糊也稱為模糊判決，它是模糊控制器實現(xiàn)不可或缺的步驟。它將上述的模糊輸出量轉(zhuǎn)化為精確的輸出量，從而得出可以控制的精確輸出量。

圖2 模糊控制器構(gòu)成

輸入接口的作用是將傳感器測到的模擬量，進(jìn)行模數(shù)量的相互轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字量給定模糊控制器，也就是實現(xiàn)A／D的轉(zhuǎn)換。一般情況下，檢測到傳感器的輸出值為電壓值［2］。相對的，輸出接口的作用是將經(jīng)過模糊控制器處理之后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為被控對象可以識別的模擬量，實現(xiàn)被控對象的控制，即實現(xiàn)D／A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的值通常為電流值。A／D和D／A的選擇對系統(tǒng)控制精度有重要的影響，因此選擇時根據(jù)實際應(yīng)用對象，對精度、轉(zhuǎn)換時間都有嚴(yán)格的要求。廣義對象可以有多種形式，可以是線性及定常的，也可以是非線性及非定常的量。例如，在本系統(tǒng)中的控制對象為交流電機，它就屬于非線性系統(tǒng)。傳感器可以檢測到被測量的信息，并將檢測到的信息，按規(guī)則轉(zhuǎn)換成電信號或其他所需形式的輸出信號。

上述模糊控制器的實現(xiàn)主要依靠軟件編程，模糊控制算法具體實現(xiàn)過程為：主控采集被控對象的輸出值，將輸出值與系統(tǒng)給定值進(jìn)行比較，計算出輸出值與給定值之間的誤差e，對誤差e采用模糊控制，進(jìn)行模糊化、模糊決策等的處理之后，輸出精確的控制量，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。模糊控制的實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 模糊控制算法框圖

1.2 模糊PID控制原理

模糊控制的原理是將專家或者操作人員在實踐中積累的經(jīng)驗教訓(xùn)進(jìn)行總結(jié)提煉，從而推理出相關(guān)的控制量，進(jìn)而將這些量用在后續(xù)的實驗系統(tǒng)中。針對一些模型不確定和非線性的系統(tǒng)，難以建立其數(shù)學(xué)模型，模糊控制就是實現(xiàn)系統(tǒng)控制的一種行之有效的辦法。

實際應(yīng)用中，模糊控制的動態(tài)性能勝過靜態(tài)性能，實際系統(tǒng)中的動態(tài)調(diào)整、動態(tài)響應(yīng)的性能和響應(yīng)速度都比較快，而它的靜態(tài)性能卻稍遜，因此造成了系統(tǒng)控制效果并不非常理想。由線性PID控制理論可知，KP，KI，KD3個參數(shù)決定著PID控制器的性能。因此，可以判斷，既要保證系統(tǒng)的動態(tài)性能，又要系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度，就要實現(xiàn)對以上3個參數(shù)的調(diào)整。結(jié)合上述PID控制結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時自整定性能較差及模糊控制中靜態(tài)性能差的特點，給系統(tǒng)調(diào)節(jié)帶來困難及模糊控制中靜態(tài)性能差的特點，綜合考慮兩者的優(yōu)缺點，并結(jié)合控制對象三相異步電機自身的特點，采用PID與模糊控制結(jié)合的方法，即將PID控制引入到模糊控制當(dāng)中的控制中，兼顧兩者的優(yōu)點，完成模糊PID控制器的設(shè)計，從而實現(xiàn)對三相異步電機的控制。這種方法兼顧了模糊控制的動態(tài)性能及PID控制精度較高的特點。

模糊PID控制，可以使系統(tǒng)既具有良好的動態(tài)性能，又具有良好的靜態(tài)性能。模糊PID控制的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖4所示，KP，KI，KD的調(diào)整變化量分別采用圖中的ΔKP，ΔKI，ΔKD表示。

圖4 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)原理框圖

由模糊PID控制原理可知，控制中將誤差e以及誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入信號。系統(tǒng)在運行的過程中不斷的對e和ec進(jìn)行檢測。對檢測到的e和ec進(jìn)行處理。

在對控制量進(jìn)行處理時，第1步是根據(jù)模糊控制理論的相關(guān)內(nèi)容把具體要用到的規(guī)則和操作以模糊量的形式表示，第2步將上步確定的相關(guān)內(nèi)容寫進(jìn)相應(yīng)的知識庫當(dāng)中，第3步就可以開始啟動系統(tǒng)，持續(xù)監(jiān)測2個輸入量的變化情況，然后不斷的進(jìn)行實時的線上修改以及整定，以獲得最好的性能。為了達(dá)到更好的控制效果，PID調(diào)節(jié)器的的3個輸入?yún)?shù)要相互制約，按如下規(guī)則對參數(shù)進(jìn)行整定：

a.｜e｜在值偏高情況下，一方面應(yīng)適當(dāng)調(diào)高KP的值，以期使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變得更快，另一方面必須把積分作用控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，取KI＝0，以避免KP過快增高而導(dǎo)致的微分飽和現(xiàn)象。

b.在｜e｜和｜ec｜值相對適中情況下，KD取值應(yīng)該在不高不低的適中范圍內(nèi)，以維持系統(tǒng)對信號的響應(yīng)速度并且降低超調(diào)量。

c.｜e｜在值偏低或者和預(yù)先設(shè)置的值相近的情況下，一方面應(yīng)該調(diào)高KP和KD的取值，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，另一方面KD取值要適中，減少因干擾導(dǎo)致振蕩的概率。

d.｜ec｜在值偏高的情況下，要適量降低KP大小；ec偏小的情況下，增大KP的大小。

1.3 模糊PID控制器的設(shè)計［3］

采用二維輸入三維輸出的結(jié)構(gòu)來設(shè)計模糊PID控制器，其中輸入為吊重電機的轉(zhuǎn)速誤差e和轉(zhuǎn)速誤差變化率ec，輸出為PID 3個參數(shù)的增量ΔKP，ΔKI和ΔKD

1.3.1 模糊化處理

輸入量和輸出量的模糊化處理是采用模糊控制的基礎(chǔ)。模糊化處理［4］，也稱為模糊集合論方法，也就是將被控對象及反映它們的模糊概念看成一個模糊集合。合適的模糊化方法可以代表研究模型的建立過程，包含了處理這個模型的原理和技術(shù)。它可分為以下4個過程來處理，包括語言變量的確定、設(shè)計、定義語言值及隸屬度的定義。檔位設(shè)置時要綜合考慮，不僅要從規(guī)則靈活性出發(fā)，也要考慮實際的可操作性。檔位設(shè)置過多時，會導(dǎo)致模糊推理過程變得復(fù)雜，相應(yīng)的計算機內(nèi)存處理也就較多。檔數(shù)設(shè)置過少時，可能達(dá)不到預(yù)期的控制效果，因此在檔位設(shè)置過程中，要兼顧控制性能和整定時間兩個要素。系統(tǒng)中選用三角形隸屬函數(shù)。

1.3.2 模糊控制器的設(shè)計

模糊控制器設(shè)計中，將吊重電機速度的偏差e和速度偏差的變化ec作為輸入，ΔKP，ΔKI，ΔKD作為輸出變量。輸入與輸出變量選定之后，通過在Matlab窗口輸入模糊控制命令fuzzy，啟動模糊推理系統(tǒng)編輯器。系統(tǒng)啟動后，點擊文件中的新建文件，分別建立3個參數(shù)ΔKP，ΔKI，ΔKD的文件，文件名分別設(shè)定為dkp，dki，dkd，文件格式為.fis文件。接著，完成e和ec2輸入變量和ΔKP，ΔKI，ΔKD3個輸出變量的添加，添加通過在Edit下拉菜單中點擊Add Variable…按鈕來完成。每個變量的7個隸屬函數(shù)為PB，PM，PS，ZO，NS，NM，對輸入變量及輸出變量的模糊論域進(jìn)行設(shè)定，在此均設(shè)定為 ｛-6，6｝，隸屬度函數(shù)如圖5所示。

圖5 隸屬度函數(shù)

設(shè)計好的模糊PID控制器如圖6所示，它將誤e差及誤差的變化率ec作為輸入，并通過PB，PM，PS，ZO，NS，NM 7個語言值來表示。經(jīng)過模糊控制器的每一步處理，最終輸出PID的參數(shù)KP，KI，KD。

圖6 模糊控制器

1.3.3 解模糊判決

解模糊判決［3］是實現(xiàn)輸出控制的關(guān)鍵，因此解模糊判決方法的選定對系統(tǒng)的輸出有重要的影響。解模糊判決常用的有3種方法，每種方法各有其特點，在此不一一贅述。通過比較其優(yōu)缺點及適用性，對于解模糊判決采用加權(quán)平均法實現(xiàn)，該方法是對模糊集中的輸出元素求加權(quán)平均值，它的表達(dá)為：

模糊控制器需要的最終輸出量為ΔKP，ΔKI，ΔKD，即經(jīng)過模糊控制修正的PID參數(shù)量為：

2 準(zhǔn)時間最優(yōu)控制算法［1，5，6］

塔吊起升裝置在啟動到穩(wěn)定運行需要一個過程，而這個過程的運行時間在安全的情況下越少就可以一定程度上提高塔吊裝置的運行效率，達(dá)到高效運行的目的。使用雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于圖7所示的理想快速啟動過程。

圖7 理想的快速啟動過程

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U由靜止?fàn)顟B(tài)啟動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如圖8所示。由于在啟動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分為下圖中表明的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3個階段。

圖8 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形

第1階段是電流上升階段，還不能轉(zhuǎn)動，當(dāng)Id大于Id L后，電動機開始起動。

第2階段是恒流升速階段，是起動過程中的主要階段。系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。

第3階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，超速調(diào)節(jié)，電動機仍加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)，知道轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值，伺候，電動機開始在負(fù)載的阻力下減速，知道穩(wěn)定。

在塔吊起升裝置啟動過程中，在設(shè)備允許的條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”，對于塔吊的起吊而言，在交流電機允許過載能力限制下的恒流啟動，就是所謂的時間最優(yōu)控制［7］。在電機最大容許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使起吊裝置以最大的加速度啟動，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這種運行狀態(tài)就是時間最優(yōu)控制的運行狀態(tài)。但是由于在啟動過程的前兩個階段中電流不能突變，實際啟動過程和理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部啟動時間中的很小部分，無傷大局。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略。但是在這之前受到干擾的影響就是來自負(fù)載擾動和電網(wǎng)電壓擾動的干擾，這樣才能實現(xiàn)起升裝置的順利啟動。

3 結(jié)束語

國內(nèi)現(xiàn)有的塔式吊車的安全控制系統(tǒng)以監(jiān)控為主，調(diào)速性能和運行效率都不理想。所研究安全高效的塔吊控制系統(tǒng)，在避免事故發(fā)生的基礎(chǔ)上實現(xiàn)塔吊系統(tǒng)的自動檢測和控制，在以上2種算法的基礎(chǔ)上實現(xiàn)塔式吊車在安全基礎(chǔ)上的高效運行，也實現(xiàn)了對于吊重的重量的檢測，最終代替人工操作實現(xiàn)塔吊的自動運行。

［1］ 李芬.模糊控制在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2001（4）：275- 278.

［2］ 鄭力新，周凱汀，王永初.變結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機電一體化，2001（6）：49- 52.

［3］ 王立新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程［M］.王迎軍，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［4］ 焦斌，董楓，樊秀芬.神經(jīng)元控制器在直流調(diào)速系統(tǒng)中的仿真研究［J］.計算機仿真，2004（8）：118- 120.

［5］ 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1992.

［6］ 盧建強，孫培德，顧寶龍.專家控制用于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中［J］.電氣時代，2004（12）：130- 132.

［7］ 鄭力新，周凱汀，玄光男.遺傳算法在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在線優(yōu)化中的應(yīng)用［J］.機電一體化，2001（2）：22 -24.

Crane Efficient Operation Controller Algorithm Research

QIN Gang1GUAN Yun1CHENG Zhongxiao1XUE Yongcai2
（1.Xi’an Technological University，Electronic information engineering college，Xi’an 710021 China；2.69220 Forces Kuqa 842000，China）

目前國內(nèi)外的塔吊裝置都是以安全監(jiān)控為主，針對實現(xiàn)塔吊高效運行的目的采用雙閉環(huán)控制算法，其中外環(huán)即電流環(huán)只是以跟蹤性能為主，所以采用常規(guī)PID。對于內(nèi)環(huán)即轉(zhuǎn)速環(huán)，采用模糊自適應(yīng)PID算法，除了可以使系統(tǒng)在輸入量為時變時有較好的動態(tài)性能之外，當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化即受到干擾或負(fù)載變化的情況下，系統(tǒng)可以擁有較好的調(diào)節(jié)性能。從而極大的提高了工作效率。另外在塔吊的起身機構(gòu)從啟動到穩(wěn)定的快速平滑的運行采用準(zhǔn)時間最優(yōu)控制算法來實現(xiàn)。最終實現(xiàn)輔助塔吊進(jìn)行高效運行的目的，即完成對塔吊高效運行控制器的設(shè)計目的。

運行效率 ；雙閉環(huán)控制；常規(guī)PID；模糊自適應(yīng)PID；準(zhǔn)時間最優(yōu)控制

Safety monitoring of crane devices is a high priority in China and abroad.In order that the crane works effectively with a double closed loop control algorithm，the outer ring is current loop is designed for mainly tracking purposes，so the conventional PID is used.For the inner ring，also known as the rotation speed loop，the fuzzy adaptive PID algorithm is used；in addition to being able to make the system have good dynamic performance when different time variables are inputted，when the system parameters change due to interference or load change，system can have good adjustment performance.Thus the work efficiency is greatly improved.In the crane and other rising mechanisms，a time- accurate optimized control algorithm is used to achieve a smooth transitional operation from start to stable running.Ultimately the efficient operation of the crane，the optimal speed and efficient implementation are achieved.The design objective of an efficient crane controller is achieved.

operation efficiency；double closed -loop control；conventional PID；fuzzy adaptive PID；time optimal control

TN9

A

1001- 2257（2015）08- 0018- 04

秦 剛（1968—），男，陜西西安人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向為電子工程、電子儀器與檢測。

2015-04-17

陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)項目（2014K05- 06）。