電動作業(yè)梯子穩(wěn)固裝置智能控制系統(tǒng)設(shè)計

吳曉鋒，王賓，羅予均，黃華，吳夢圓

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧賓陽供電局，廣西 南寧 530400）

0 引言

作業(yè)梯子是用于提高人員作業(yè)高度的專用設(shè)備，目前大多采用液壓技術(shù)或氣動技術(shù)驅(qū)動，存在噪聲大、能耗高、維護(hù)成本高等問題[1]。近年來，隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高，電驅(qū)動技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，本文設(shè)計一種作業(yè)梯子穩(wěn)固裝置智能控制系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術(shù)的不足。

1 概述

在現(xiàn)有作業(yè)踏板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種基于電機驅(qū)動技術(shù)的穩(wěn)固裝置設(shè)計方案，包括電機、傳動裝置、控制系統(tǒng)等。通過傳感器獲取作業(yè)踏板的傾斜角度和振動信息，運用控制算法動態(tài)調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速和輸出力矩，保持作業(yè)踏板的穩(wěn)固與穩(wěn)定。

2 設(shè)計方案

在常規(guī)使用的梯子上加裝一種適用多種地形、地面和多墻面吸附的裝置，滿足梯上作業(yè)的安全性、適用性和經(jīng)濟性[2]。作業(yè)梯子穩(wěn)固裝置示意圖如圖1 所示。根據(jù)現(xiàn)場條件分析裝置的適用范圍，特別是判斷使用地點的風(fēng)險點以及需要達(dá)到的目的[3]。

圖1 作業(yè)梯子穩(wěn)固裝置示意圖

3 控制系統(tǒng)

3.1 模型預(yù)測控制理論

模型預(yù)測控制理論的推理和決策過程與人類大腦的推理過程類似，是一種最簡單的人腦模擬器。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，模糊控制對被控對象參數(shù)變化有較強的適應(yīng)能力[4]。采用模型預(yù)測控制器時，作業(yè)梯子穩(wěn)固裝置控制系統(tǒng)的仿真模型如圖2 所示。

圖2 模糊控制器下作業(yè)梯子穩(wěn)固裝置控制系統(tǒng)仿真模型

模型預(yù)測控制是一種基于預(yù)測模型的反饋控制方法，利用已有模型、系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和未來控制量預(yù)測系統(tǒng)未來的輸出，通過滾動優(yōu)化的方法求解帶約束的優(yōu)化問題，利用系統(tǒng)實時狀態(tài)進(jìn)行反饋校正，增強控制過程中的穩(wěn)健性，最終達(dá)到控制目的。

（1）預(yù)測模型。根據(jù)當(dāng)前的測量值預(yù)測系統(tǒng)未來動態(tài)。預(yù)測模型的功能為算法著重考慮的方面，對預(yù)測模型的表達(dá)形式?jīng)]有限制。

（2）滾動優(yōu)化。通過使某項性能評價指標(biāo)反復(fù)在線優(yōu)化得到最優(yōu)控制量，保證優(yōu)化的實時性。滾動優(yōu)化是模型預(yù)測控制最主要的特征，也是其與傳統(tǒng)最優(yōu)控制最大的區(qū)別?？刂品椒ǖ膬?yōu)化目標(biāo)隨著采樣時間的推移不斷變化，立足于每個采樣時刻的狀態(tài)信息，求解未來有限時域內(nèi)的開環(huán)局部最優(yōu)控制。在下一采樣時刻重復(fù)上述優(yōu)化過程，反復(fù)進(jìn)行，以局部最優(yōu)解替代全局最優(yōu)解，從而獲得實際最優(yōu)控制量。

（3）反饋校正。實際控制過程中，模型失配或外部環(huán)境干擾等因素可能導(dǎo)致控制偏差，偏離理想控制狀態(tài)。為此，檢測被控對象的實際輸出，基于每個采樣時刻的輸出值與預(yù)測輸出的實時偏差，采用反饋校正的方法對下一采樣時刻的預(yù)測輸出值進(jìn)行修正，為滾動優(yōu)化提供更準(zhǔn)確的預(yù)測基礎(chǔ)，構(gòu)成閉環(huán)控制優(yōu)化[5]。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

模型預(yù)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，包含控制器和被控平臺模塊。預(yù)測模型輸入和輸出分別為u(k)和ym(k+i)，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)信息及輸入，計算被控系統(tǒng)未來的狀態(tài)和輸出，可以是狀態(tài)方程、響應(yīng)函數(shù)或傳遞函數(shù)。

圖3 模型預(yù)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

滾動優(yōu)化是獲得最優(yōu)的被控對象輸入，在有限時域內(nèi)反復(fù)在線滾動優(yōu)化，優(yōu)化算法選取一定的優(yōu)化指標(biāo)及約束條件，計算滿足約束條件的最優(yōu)值為被控量。在線校正是為了消除真實系統(tǒng)與預(yù)測模型的失配或環(huán)境干擾導(dǎo)致的控制偏差，對產(chǎn)生的偏差進(jìn)行補償，同時作為反饋，為下一個采樣時刻的滾動優(yōu)化提供數(shù)據(jù)，進(jìn)行新的優(yōu)化。參考軌跡輸入和輸出分別為s(k)和y(k)，也是預(yù)期的控制目標(biāo)，是平滑緩和的期望曲線。

4 智能化設(shè)計

4.1 傳感器與數(shù)據(jù)采集

基于靜電感應(yīng)原理，將非接觸式電壓傳感器的探頭放入被測帶電體產(chǎn)生的電場中，電場強度信號與傳感器的檢測信號耦合。由于電場強度與被測電壓之間為線性關(guān)系，傳感器檢測信號與電場強度信號成正比關(guān)系，傳感器檢測信號與被測電壓為線性比例關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)帶電體的檢測。

4.2 電機選擇

伺服電機對位置、速度有著較高的控制精度，并且有著較高的額定轉(zhuǎn)速，可達(dá)2 000~3 000 r/min，設(shè)計采用伺服電機控制設(shè)備的水平移動。電機的選擇根據(jù)轉(zhuǎn)矩與慣量比來確定，通過計算負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方法，本文預(yù)選松下公司生產(chǎn)的伺服電機，慣量比小于10。

5 仿真實驗

穩(wěn)固裝置運動學(xué)模型參數(shù)設(shè)置見表1。當(dāng)輸入信號為單位階躍信號時，模型預(yù)測控制系統(tǒng)響應(yīng)如圖4 所示。

表1 穩(wěn)固裝置運動學(xué)模型參數(shù)設(shè)置

圖4 模型預(yù)測控制系統(tǒng)響應(yīng)

從圖4 中可以看出，采用控制器時，控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)出現(xiàn)超調(diào)，且響應(yīng)速度相對較慢。對于作業(yè)梯子的位置控制，若出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象可能導(dǎo)致碰撞，因此需要對控制器進(jìn)行優(yōu)化。以“誤差大，誤差變化率大，輸出量大；誤差大，誤差變化率小，輸出量小”為準(zhǔn)則，建立控制規(guī)則。改進(jìn)后的系統(tǒng)響應(yīng)如圖5 所示。

圖5 改進(jìn)后的系統(tǒng)響應(yīng)

從圖5 中可以看出，優(yōu)化后的控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)無超調(diào)，上升時間為0.3 s 左右，且對斜坡信號有較好的跟隨性，控制效果良好。

6 結(jié)語

本文設(shè)計的電動作業(yè)梯子穩(wěn)固裝置智能控制系統(tǒng)，通過控制算法和智能控制技術(shù)實現(xiàn)了實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)。仿真實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和舒適性，具備一定的應(yīng)用前景和市場潛力。