碩士答辯PPT匯編

動臂塔式起重機水平變幅控制仿真研究指導老師：***匯報

人：***匯報時間：2012.06水平變幅控制整體建模及仿真分析模糊自整定PID控制器設計變幅及起升液壓系統(tǒng)建模與穩(wěn)定性分析水平變幅電液系統(tǒng)設計概述總結與展望目錄1.概述動臂塔式起重機介紹

定義：屬于一種非連續(xù)性搬運機械，是一種將起重臂架設在高處的全回

轉型起重機械。應用：廣泛應用于各種建筑建設、水電站大壩及火電建設施工等。

1）高層建筑建設動臂塔式起重機應用2）水電站大壩建設3）火電建設1.概述課題來源

大連理工大學與徐州重型機械有限公司合作開發(fā)的動臂塔式起重機項目。課題方向動臂塔式起重機水平變幅控制系統(tǒng)作用：

（1）提高作業(yè)效率

（2）提高可操作性

（3）安裝定位更加準確課題意義為動臂塔機水平變幅控制提供了一種新的控制方法，為工程實際應用提供理論支持和指導方向。

1.概述水平變幅補償方法分類本文研究的類型繩索補償組合臂架補償差動減速器水平位移補償電控系統(tǒng)補償2.水平變幅電液系統(tǒng)設計液壓原理1.變量泵2.制動器3.定量馬達4.電磁換向閥5.先導油泵變幅系統(tǒng)液壓原理圖變幅液壓系統(tǒng)系統(tǒng)主要參數(shù)：系統(tǒng)最大流量：808L/min；系統(tǒng)溢流閥設定壓力：300bar；補油溢流閥設定壓力：24bar。閉式系統(tǒng)，兩個變量泵驅動三個定量馬達2.水平變幅電液系統(tǒng)設計液壓原理1.變量泵2.變量馬達3.制動器4.電磁換向閥5.先導油泵起升系統(tǒng)液壓原理圖起升液壓系統(tǒng)系統(tǒng)主要參數(shù)：系統(tǒng)最大流量：808L/min；系統(tǒng)溢流閥設定壓力：350bar；補油溢流閥設定壓力：24bar。閉式系統(tǒng)，兩個變量泵驅動四個變量馬達2.水平變幅電液系統(tǒng)設計電壓來源電壓種類用途地面引進AC380V引進電機AC220V空調、照明、液壓油加熱器發(fā)電機DC24V電控系統(tǒng)、常規(guī)電氣供電蓄電池DC24V啟動發(fā)動機系統(tǒng)電源的構成

控制部分由控制器和力矩限制器組成，主要功能是處理來自各種傳感器、手柄及發(fā)動機ECU的信息并進行運算；輸入部分主要由一些傳感器、視頻監(jiān)控信號、遠程監(jiān)控信號等組成，主要完成各種信息的采集及信號的輸入；輸出部分主要包括動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)，主要的功能是用來執(zhí)行各種動作和實現(xiàn)人機的交互。電氣原理2.水平變幅電液系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)通過CAN總線進行通訊，完成信息的交互。該動臂塔式起重機的電控系統(tǒng)采用兩條CAN總線，CAN總線1主要連接系統(tǒng)控制器、力矩限制器、編碼器、系統(tǒng)顯示器以及GPS，該總線上的通訊協(xié)議為CANopen協(xié)議。CAN總線2上連接發(fā)動機的電子控制模塊以及左右手柄，該總線上的通訊協(xié)議為J1939協(xié)議。整個控制系統(tǒng)通過兩條CAN總線組成的網(wǎng)絡，實現(xiàn)動臂塔式起重機的各種動作的控制、動力系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、遠程定位及視頻監(jiān)控等功能。系統(tǒng)網(wǎng)絡電氣原理3.變幅及起升液壓系統(tǒng)建模與穩(wěn)定性分析控制原理框圖傳遞函數(shù)模型建立（1）電液比例閥的傳遞函數(shù)：

輸入是電流信號I，輸出是比例閥的閥芯位移xv，傳遞函數(shù)為：Kv為比例閥的增益；ωs為比例閥的固有頻率；ζs為阻尼比。3.變幅及起升液壓系統(tǒng)建模與穩(wěn)定性分析（2）泵變量機構-閥控液壓缸傳遞函數(shù)：泵的變量機構-閥控液壓缸的輸入為電液比例閥的閥芯位移xv

，輸出為液壓缸的活塞位移

l。其傳遞函數(shù)為：Kq為比例閥的流量增益；A為液壓缸活塞有效面積；ωp為液壓固有頻率；ζp為液壓阻尼比。（3）活塞-斜盤擺角傳遞函數(shù)：變量泵變量機構中的是與一一對應的。輸入是變量機構中的液壓缸活塞的位移

l，輸出是變量泵的斜盤擺角xp

。其傳遞函數(shù)為：KΦ為變量泵的斜盤擺角系數(shù)。3.變幅及起升液壓系統(tǒng)建模與穩(wěn)定性分析（4）泵控馬達系統(tǒng)傳遞函數(shù)：變幅馬達的轉速對變量泵變量機構擺角的傳遞函數(shù)為：

變幅及起升馬達的轉速對外負載力矩的傳遞函數(shù)為：起升馬達的轉速對變量泵變量機構擺角的傳遞函數(shù)為：3.變幅及起升液壓系統(tǒng)建模與穩(wěn)定性分析

傳遞函數(shù)方框圖3.變幅及起升液壓系統(tǒng)建模與穩(wěn)定性分析系統(tǒng)穩(wěn)定性分析變幅系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為代入?yún)?shù)得起升系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)變幅系統(tǒng)參數(shù)起升系統(tǒng)參數(shù)3.變幅及起升液壓系統(tǒng)建模與穩(wěn)定性分析系統(tǒng)穩(wěn)定性分析（1）頻域分析：通過MATLAB畫出變幅系統(tǒng)伯德圖：求出相角裕量幅值裕量起升系統(tǒng)伯德圖：求出相角裕量幅值裕量（2）時域響應：變幅系統(tǒng)階躍響應調整時間起升系統(tǒng)階躍響應調整時間

系統(tǒng)開環(huán)伯德圖系統(tǒng)時域響應圖系統(tǒng)為穩(wěn)定系統(tǒng)相角裕量和幅值裕量都過大，系統(tǒng)的動態(tài)響應遲鈍緩慢系統(tǒng)在接近8s、11s時才能達到穩(wěn)定狀態(tài)系統(tǒng)響應速度不能滿足水平變幅快速性的要求4.模糊自整定PID控制器設計模糊自整定PID控制原理

模糊自整定PID控制系統(tǒng)原理圖

PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個參數(shù)與e和ec之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理來對三個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。4.模糊自整定PID控制器設計模糊自整定PID控制器設計

（1）確定輸入變量和輸出變量輸入輸出變量編輯窗口動臂塔機水平變幅控制系統(tǒng)模糊自整定PID控制器采用兩輸入三輸出型，輸入變量：控制偏差e和偏差變化率ec

輸出變量：PID控制參數(shù)△Kp、△Ki、△Kd。

Matlab中模糊控制器輸入輸出變量編輯窗口如圖。4.模糊自整定PID控制器設計模糊自整定PID控制器設計

（2）輸入輸出變量模糊化定義描述輸入變量和輸出變量語言值的模糊子集為：{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。設置輸入量論域：e、ec：{-3，-2，-l，0，l，2，3}設置輸出量論域：△Kp：{-5，-3，-1，0，1，3，5}；

△Ki：{-0.1，-0.06，-0.02，0，0.02，0.06，0.1}；△Kd：{-0.5，-0.3，-0.1，0，0.1，0.3，0.5}。隸屬函數(shù)：

輸入輸出變量隸屬函數(shù)1）輸入量e和ec的隸屬函數(shù)2）△Kp、△Ki、△Kd的隸屬函數(shù)4.模糊自整定PID控制器設計

模糊自整定PID控制器設計

（3）模糊控制規(guī)則表

根據(jù)模糊自整定PID控制參數(shù)整定原則并結合動臂塔式起重機實際操作經驗，經過仿真實驗得出△Kp、△Ki、△Kd三個參數(shù)整定的模糊規(guī)則表如下表所示。4.模糊自整定PID控制器設計模糊控自整定PID控制器設計

（4）在線校正根據(jù)模糊規(guī)則表在線修正PID參數(shù)，計算公式：；；式中，，——初始PID參數(shù)；，，——模糊自整定PID控制器的三個輸出參數(shù)，可根據(jù)被控對象的狀態(tài)進行參數(shù)自動整定。5.水平變幅控制整體建模及仿真分析關系式推導臂頭高度的變化要實現(xiàn)水平變幅，臂頭到吊重之間懸垂鋼絲繩長度的變化量l與臂頭高度的變化量l’的關系應滿足假設起升倍率為n1，則起升機構放出的鋼絲繩的長度水平變幅過程中，吊重高度變化的控制誤差值

5.水平變幅控制整體建模及仿真分析系統(tǒng)控制策略

5.水平變幅控制整體建模及仿真分析變幅引起的繩長變化與變幅卷筒轉速的關系

變幅卷筒的出/收繩量是通過安裝在變幅卷筒上的絕對值編碼器來計算得到的。首先設定纏繞在變幅卷筒上的鋼絲繩總長度L1對應的變幅編碼器總脈沖數(shù)N01，水平變幅過程中，由變幅卷筒的轉速可以計算出時間t內變幅編碼器旋轉的圈數(shù)，再由編碼器旋轉一圈發(fā)出的脈沖數(shù)（編碼器的分辨率）Nm，就可以計算出時間t內，變幅卷筒的出/收繩量。變幅卷筒的轉速：時間t內，變幅卷筒引起的繩長變化量：名稱符號數(shù)值變幅減速機傳動比17.4變幅減速機軸端齒齒數(shù)13變幅卷筒外齒圈齒數(shù)76名稱符號數(shù)值單位纏繞起升卷筒鋼絲繩總長度762m總長度對應的總脈沖數(shù)2387114-變幅編碼器分辨率16384-5.水平變幅控制整體建模及仿真分析變幅機構繩長變化量與臂架變幅角度的關系

臂架在初始位置時臂架變幅到角度

時由初始角度0變幅到角度

的過程中，變幅卷筒的收繩量（假定變幅倍率為n2）為聯(lián)立，解出

又有5.水平變幅控制整體建模及仿真分析起升引起的繩長變化與起升卷筒轉速的關系

起升卷筒的轉速：時間t內，起升卷筒引起的繩長變化量：名稱符號數(shù)值起升減速機傳動比17.4起升減速機軸端齒齒數(shù)11起升卷筒外齒圈齒數(shù)136名稱符號數(shù)值單位纏繞起升卷筒鋼絲繩總長度762m總長度對應的總脈沖數(shù)2387114-5.水平變幅控制整體建模及仿真分析變幅及起升系統(tǒng)模型建立及驗證

名稱符號數(shù)值單位變幅下限值/12rad變幅上限值17/36rad變幅最大單繩速度1.167m/s變幅最短時間120s變幅馬達最高轉速2585r/min起升馬達最高轉速4309r/min起升最大單繩速度1.182m/s臂架長度50m人字架后絞點與臂架根絞點的距離8.2m人字架后撐桿長度13.5m臂架初始角度/4rad起升倍率2-變幅倍率8-一些設計參數(shù)及模型初始設置值5.水平變幅控制整體建模及仿真分析變幅及起升系統(tǒng)模型建立及驗證

變幅回路的系統(tǒng)模型起升回路的系統(tǒng)模型5.水平變幅控制整體建模及仿真分析變幅及起升系統(tǒng)模型建立及驗證

5.水平變幅控制整體建模及仿真分析變幅及起升系統(tǒng)模型建立及驗證

名稱設計值仿真值單位誤差變幅馬達最大轉速25852485.8r/min3.84%變幅最大單繩速度1.1671.1982m/s3.12%臂頭高度變化值2.652.5566m3.52%臂架最大變幅角度0.320.3151rad1.53%起升馬達最大轉速43094412.6r/min2.40%起升最大單繩速度1.8121.7922m/s1.09%設計參數(shù)與仿真結果對照系統(tǒng)的一些參數(shù)的設計值與仿真值的誤差均在4%以內，證明本文所建立的系統(tǒng)模型是比較準確的。5.水平變幅控制整體建模及仿真分析

無控制算法的系統(tǒng)模型建立及仿真結果吊重位置的偏差不斷增大，最大偏差達到1.07m，達不到水平變幅的控制要求。需采用某種控制算法對偏差進行運算處理后再控制起升回路。5.水平變幅控制整體建模及仿真分析

加入控制算法的系統(tǒng)模型建立5.水平變幅控制整體建模及仿真分析

仿真結果對比分析5.水平變幅控制整體建模及仿真分析

仿真結果對比分析常規(guī)PID控制模糊自整定PID控制結果比較吊重位置偏差變化的最大值0.128m0.082m35.9%達到穩(wěn)定時間1.8s1.2s33.3%采用模糊自整定PID控制器要比采用常規(guī)PID控制器更能提高動臂塔式起重機水平變幅的精度及減小達到穩(wěn)定的時間。5.水平變幅控制整體建模及仿真分析

系統(tǒng)在3s時添加一10KN的負載干擾信號抗干擾能力5.水平變幅控制整體建模及仿真分析

系統(tǒng)在3s時添加一10KN的負載干擾信號抗干擾能