基于位置檢測的橋式起重機(jī)模糊滑模糾偏控制

毛景魁 倪艷榮 陳智娟

摘 要：起重機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)跑偏和“啃軌”的現(xiàn)象，從而影響起重機(jī)的使用和壽命。針對此現(xiàn)象，采用傳感器檢測車輪的位置信息，使用模糊控制和滑?？刂葡嘟Y(jié)合的控制策略，有效提升起重機(jī)的性能，提高實(shí)際生產(chǎn)效率，延長起重機(jī)壽命。

關(guān)鍵詞：橋式起重機(jī);位置檢測;模糊滑模控制

中圖分類號(hào)：TH215;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）34-0063-03

Deviation Correction of Bridge Crane Based on Position

Detection with Fuzzy Sliding Mode Control

MAO Jingkui NI Yanrong CHEN Zhijuan

（Henan Institute of Technology，Xinxiang Henan 453003）

Abstract： In the actual operation of the crane， there will be deviation and "rail gnawing"， which will affect the service life of the crane. In view of this phenomenon， the sensor was used to detect the wheel position information， and the control strategy of fuzzy and sliding mode control was used to effectively improve the performance of the crane， improve the actual production efficiency， and extend the life of the crane.

Keywords： bridge crane;position detection;fuzzy sliding mode control

1 研究背景

在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，橋式起重機(jī)的運(yùn)行環(huán)境較惡劣，工作任務(wù)較繁重，而各結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性和可靠性較差[1]。同時(shí)，橋式起重機(jī)具有跨度大、水平剛度低、零件多、安裝過程復(fù)雜的特點(diǎn)，而且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝精度難以得到有效保證，特別是在使用過程中運(yùn)行頻繁的起重機(jī)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的積累誤差更大，再加上實(shí)際工作時(shí)會(huì)遇到各種復(fù)雜情況，橋式起重機(jī)在運(yùn)行時(shí)難免會(huì)有不同程度的跑偏或“啃軌”現(xiàn)象，橋式起重機(jī)的車輪輪緣和軌道會(huì)產(chǎn)生接觸，相互擠壓摩擦，從而降低實(shí)際的作業(yè)效率，甚至發(fā)生安全事故[2-4]。在橋式起重機(jī)運(yùn)行過程中，實(shí)施實(shí)時(shí)糾偏控制，可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，保障人員和設(shè)備安全，降低維修費(fèi)用，提高實(shí)際生產(chǎn)效率[5]。

近年來，起重機(jī)運(yùn)行過程中的“啃軌”問題引起了相關(guān)領(lǐng)域的高度重視，由此，出現(xiàn)了大量研究成果。傳統(tǒng)的糾偏控制方法主要為提高鋼架強(qiáng)度，提高安裝精度，如加裝水平輪，輪緣與軌道之間的滑動(dòng)摩擦被水平輪的滾動(dòng)摩擦取代，在相同側(cè)向力的情況下，運(yùn)行機(jī)構(gòu)的摩擦阻力大大降低。

采用機(jī)械的方法對起重機(jī)進(jìn)行糾偏處理，雖然能減小運(yùn)行中的摩擦力，提高起重機(jī)的運(yùn)行效果，但并不能避免起重機(jī)行走時(shí)出現(xiàn)偏差。

在起重機(jī)運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)檢測起重機(jī)的偏移狀態(tài)，并實(shí)施糾偏控制[6]，可以防止起重機(jī)運(yùn)行中發(fā)生偏移，提高起重機(jī)運(yùn)行的安全性。

2 運(yùn)行“啃軌”及偏移檢測

起重機(jī)驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)力不一致，使起重機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪發(fā)生右傾斜，與軌道的摩擦力增加，從而發(fā)生“啃軌”現(xiàn)象，如圖1所示。同理，向左傾斜時(shí)也會(huì)發(fā)生左傾“啃軌”現(xiàn)象。

傾斜的角度越大，驅(qū)動(dòng)輪或從動(dòng)輪與軌道的壓力就越大，造成接觸處的摩擦力增加，引起接觸面發(fā)熱、磨損，甚至無法正常工作。

通過上述分析可知，起重機(jī)產(chǎn)生偏移是發(fā)生“啃軌”的前兆。為此，將傳感器檢測到的結(jié)果送給控制器，根據(jù)不同的原因，使用模糊滑模控制算法，實(shí)施糾偏控制。

3 基于模糊滑?？刂频目刂屏可?/p>

對于因驅(qū)動(dòng)不一致而發(fā)生起重機(jī)偏移造成的起重機(jī)工作不正?；驘o法工作的情形，通過調(diào)節(jié)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度，糾正起重機(jī)的偏移，使起重機(jī)始終與軌道“對正”，保證起重機(jī)沿軌道順暢運(yùn)行。

令檢測矩陣[H]為起重機(jī)上傳感器的輸出，則[H]為：

[H=H1H2H3H4]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[H1]、[H2]為左側(cè)微偏移傳感器輸出;[H3]、[H4]為右側(cè)微偏移傳感器輸出。起重機(jī)運(yùn)行時(shí)，偏移傳感器的輸出為[Ht]，[H0]為正常狀態(tài)的輸出，則定義偏差：

[S=e（t）=H（t）-H（0）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

對偏差求取微分后，可寫為：

[e（t）=S·=ΔSΔt=H（t）-H（t-Δt）ΔtΔt→Ts]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

對于起重機(jī)的偏移，采用的方法是同側(cè)調(diào)整;偏移為零時(shí)為正常工作狀態(tài)。把正常狀態(tài)看作調(diào)節(jié)量為0的滑模面，按照加權(quán)計(jì)算后獲取輸入控制量，計(jì)算公式如式（4）所示。

[u（t）=αS·+βS+C]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中，[α]為偏移微分后的系數(shù);[β]為偏移的比例系數(shù);[C]為常數(shù);[S]為滑模面。

設(shè)起重機(jī)右側(cè)速度與左側(cè)速度的偏差為正，則在實(shí)際運(yùn)行中，[C]的符號(hào)與[S]的符號(hào)一致?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)的糾偏控制過程如圖2所示。從圖2可以看出，糾偏過程是一個(gè)多次震蕩、逐步收斂的過程。

在實(shí)際控制時(shí)，由于靜摩擦力的存在而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)控制死區(qū)。常數(shù)[C]是為了消除控制死區(qū)而設(shè)置的，其大小靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，可逐漸施加控制，直至起重機(jī)開始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的控制量即為常數(shù)[C]，可表示為：

[C=u（t）S=0S·=0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

設(shè)置合理的控制參數(shù)，可以有效地衰減抖動(dòng)，使起重機(jī)快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。綜合考慮快速性和穩(wěn)定性，取[α=10]，[β]取值根據(jù)誤差[S]的范圍確定，即

[β=50，S>100，S=020，0<S<10]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

4 基于模糊滑模控制的控制量輸出

滑模算法本身存在“抖振”的缺點(diǎn)，表現(xiàn)在糾偏控制上為偏移量在平衡點(diǎn)附近的多次振蕩。

為減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，對計(jì)算出的控制量進(jìn)行模糊化，使用預(yù)定義的控制規(guī)則得到模糊化的控制量，再使用面積重心法去模糊化后，得到實(shí)際控制量，其過程如圖3和圖4所示。

由于起重機(jī)一般采用2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，需要對實(shí)際控制量經(jīng)過變換矩陣[B]，得到施加到驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的控制量[M]，即

[M=M1M2=FB=F1F2F3F411]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

式中，[M1]為左側(cè)電機(jī)控制量;[M2]為右側(cè)電機(jī)控制量。[M]>0為正轉(zhuǎn)，[M]<0為反轉(zhuǎn)。

位移產(chǎn)生差別后，控制器對起重機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行控制，保證起重機(jī)始終對正軌道，避免出現(xiàn)較大偏差，保證起重機(jī)穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

5 控制效果

采用模糊滑?？刂坪蟮钠鹬貦C(jī)偏差控制效果如圖5所示。

從圖5可以看出，位移產(chǎn)生差別后，控制器對起重機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪都進(jìn)行了控制，保證起重機(jī)始終對正軌道，避免出現(xiàn)較大偏差，保證起重機(jī)穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

6 結(jié)論

采用模糊滑?？刂茖ζ鹬貦C(jī)運(yùn)行過程進(jìn)行糾偏，可對偏移進(jìn)行快速處理。結(jié)合模糊控制，有效消除滑?？刂频恼袷?，使系統(tǒng)控制更加平滑，兼顧了糾偏控制的快速和平穩(wěn)性能。

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