連續(xù)墻液壓抓斗起重機(jī)雙主卷揚(yáng)同步系統(tǒng)的自適應(yīng)pid控制

連續(xù)墻液壓抓斗起重機(jī)雙主卷揚(yáng)同步系統(tǒng)的自適應(yīng)pid控制

同時(shí)，同步控制一直是能源行業(yè)的一個(gè)重要課題，在負(fù)載和大型設(shè)備的運(yùn)動中發(fā)揮著尤其重要的作用。多年來，pid控制一直是應(yīng)用最廣泛的自動控制方法，在原油同步控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。實(shí)際的工業(yè)過程往往是非線性的、時(shí)間變的和不確定性的。使用傳統(tǒng)的pid控制器無法實(shí)現(xiàn)最佳的控制效果，并且經(jīng)常受到參數(shù)調(diào)整方法的困難影響。遺傳算法(geneticalgorithm,GA)是一種基于自然選擇和基因遺傳學(xué)原理的隨機(jī)并行搜索算法,是一種尋求全局最優(yōu)解而不需要任何初始化信息的高效優(yōu)化方法.應(yīng)用遺傳算法對PID控制器進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu),具有操作方便、速度快的優(yōu)點(diǎn),不需要復(fù)雜的規(guī)則,只通過字串進(jìn)行簡單的復(fù)制、交叉、變異,便可達(dá)到尋優(yōu).但遺傳算法在解決一些復(fù)雜問題時(shí)還存在著早熟和收斂速度慢的缺陷,不利于在實(shí)時(shí)控制中的應(yīng)用.針對傳統(tǒng)遺傳算法存在的不足,為滿足系統(tǒng)的高性能指標(biāo)要求,本文以所設(shè)計(jì)的連續(xù)墻液壓抓斗起重機(jī)(以下簡稱“連續(xù)墻抓斗”)雙主卷揚(yáng)液壓系統(tǒng)為研究對象,建立的數(shù)學(xué)模型,提出基于自適應(yīng)在線遺傳算法的主從式同步PID控制策略,對其同步協(xié)調(diào)控制進(jìn)行相關(guān)仿真和現(xiàn)場試驗(yàn)研究.仿真結(jié)果和現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制方法的可行性與有效性.(由于篇幅所限,本文分析只以雙主卷揚(yáng)起升過程為例.)1雙主卷揚(yáng)連續(xù)墻抓斗系統(tǒng)連續(xù)墻抓斗是一種集機(jī)械、電氣、液壓、控制、測量等多學(xué)科技術(shù)于一體的技術(shù)密集型工程施工裝備.它具有施工速度快,成墻效率高,成墻精度高,對周邊環(huán)境影響小,人員勞動強(qiáng)度小,操作方便,低能耗等優(yōu)點(diǎn);適用于地鐵車站、地下廠房、地下車庫、地下通道、地下變電站、高層建筑地下室等深基坑工程及圍護(hù)結(jié)構(gòu),尤其適用于在城市密集建筑群區(qū)域中進(jìn)行深基坑施工,還可用于防滲墻和構(gòu)筑地下深基礎(chǔ)施工.隨著我國基礎(chǔ)施工行業(yè)的不斷發(fā)展,國內(nèi)一些龍頭企業(yè)迅速崛起,在吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的連續(xù)墻抓斗產(chǎn)品,但都屬于中小噸位的單主卷揚(yáng)系統(tǒng).大噸位的雙主卷揚(yáng)系統(tǒng)產(chǎn)品在國內(nèi)尚屬空白.雙主卷揚(yáng)連續(xù)墻抓斗主要由專用底盤、雙主卷揚(yáng)、液壓膠管卷盤、電纜卷筒、變幅機(jī)構(gòu)、臂架、貓頭架、扁擔(dān)梁、抓斗等部件組成(圖1).雙主卷揚(yáng)的采用,可使抓斗在斗寬、斗重和斗容上都得到較大幅度的提升,從而提升整機(jī)的工作性能.但是,這一結(jié)構(gòu)的使用,不僅在力學(xué)性能上對起重機(jī)的起升臂架、卷筒、機(jī)身等剛性結(jié)構(gòu)提出了更高要求,而且在控制上也比單主卷揚(yáng)系統(tǒng)多出了許多新的問題.其中一個(gè)突出的問題,便是對2根鋼絲繩同步運(yùn)動的控制.在主工況下,2個(gè)主卷揚(yáng)共同提升或下放抓斗.但當(dāng)2個(gè)主卷揚(yáng)的速度不相等時(shí),抓斗容易偏斜工作,不僅會使成墻精度達(dá)不到要求,而且會使滑輪損壞、鋼絲繩加速磨損及其中1個(gè)主卷揚(yáng)超載工作,從而導(dǎo)致安全事故.2比例先導(dǎo)閥起升系統(tǒng)本系統(tǒng)中,執(zhí)行元件由左右對稱的2個(gè)變量馬達(dá)組成.各個(gè)分組中的控制模塊都相同,均由電比例先導(dǎo)閥、主閥、變量馬達(dá)和主卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)、輔助閥及相關(guān)檢測元件等組成.圖2為雙主卷揚(yáng)液壓系統(tǒng)的工作原理簡圖.雙主卷揚(yáng)起升時(shí),比例先導(dǎo)閥Y2,Y4斷電,系統(tǒng)先導(dǎo)壓力油經(jīng)由比例先導(dǎo)閥Y1,Y3流出,推動各自回路的主閥右位工作,主油泵輸出的壓力油經(jīng)比例減壓閥(Y5,Y6)、主閥,驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)動,聯(lián)結(jié)減速器進(jìn)而帶動卷筒轉(zhuǎn)動,鋼絲繩收卷,抓斗處于起升工況.起升過程中,主卷揚(yáng)Ⅰ為主令卷揚(yáng),主卷揚(yáng)Ⅱ?yàn)殡S動卷揚(yáng),安裝在抓斗上的傾角傳感器實(shí)時(shí)檢測抓斗水平傾角,轉(zhuǎn)換成電信號反饋到先導(dǎo)閥Y3的比例電磁鐵上,控制比例先導(dǎo)閥Y3出口壓力,進(jìn)而控制主閥2的閥口開度來調(diào)節(jié)主卷揚(yáng)Ⅱ的起升速度,從而實(shí)現(xiàn)雙卷揚(yáng)的實(shí)時(shí)同步控制.3液壓變量馬達(dá)和卷揚(yáng)的傳遞關(guān)系為簡化模型,不考慮控制腔壓縮效應(yīng)和功率級運(yùn)動速度的影響,忽略先導(dǎo)閥口處的液動力和先導(dǎo)閥芯上的庫侖摩擦力,根據(jù)受力平衡方程可推導(dǎo)得電比例先導(dǎo)閥傳遞函數(shù)為Gp(s)=ΚΡΚΙms2+Bs-ΚΙ+ΚΡA0(1)Gp(s)=KPKIms2+Bs?KI+KPA0(1)式中:s為拉普拉斯變換算子;KP為先導(dǎo)液橋的壓力增益;KI為比例電磁鐵的電流力增益;m為先導(dǎo)級移動部件的質(zhì)量(包括銜鐵的質(zhì)量);B為黏性阻尼系數(shù);A0為先導(dǎo)液橋輸出壓差的作用面積.在同步調(diào)整的過程中,負(fù)載看作是確定不變的,同時(shí)忽略主閥本身的黏性摩擦系數(shù),根據(jù)主閥閥芯的運(yùn)動方程、控制腔及閥口前后壓力腔的流量平衡方程,主閥穩(wěn)態(tài)液動力線性化方程,可得到主閥的傳遞函數(shù)表達(dá)式為Gv(s)=ΚqxΚqyΚΡωvAx11+s/ωv(2)Gv(s)=KqxKqyKPωvAx11+s/ωv(2)式中:Kqy,Kqx分別為先導(dǎo)閥和主閥的閥口流量增益;Ax為主閥芯控制腔端面的面積;ωv為主閥的主導(dǎo)轉(zhuǎn)折頻率,反映先導(dǎo)液橋?qū)χ鏖y運(yùn)動的速度負(fù)反饋.已知臂架頂部滑輪組倍率為1,根據(jù)圖3傳遞關(guān)系可推導(dǎo)得液壓變量馬達(dá)和卷揚(yáng)的傳遞函數(shù)為Gm(s)=ηmv/Vm(3)Gh(s)=πR/30i(4)Gm(s)=ηmv/Vm(3)Gh(s)=πR/30i(4)式中:,ηmv為馬達(dá)容積效率;Vm為馬達(dá)排量;R為鋼絲繩對主卷揚(yáng)的轉(zhuǎn)矩力臂,由于鋼絲繩沿卷筒軸向纏繞的,可近似認(rèn)為是不隨主卷揚(yáng)升降而變的常數(shù);i為卷揚(yáng)減速機(jī)減速比.假設(shè):兩根鋼絲繩的間距為h,t0時(shí)刻斗體開始提升,扁擔(dān)梁已存在θ0的初始傾角,上升至t1時(shí)刻,斗體被提升到指定高度,扁擔(dān)梁傾角為θ1,在這一提升過程中的任意時(shí)刻t,扁擔(dān)梁頂部傾角傳感器所檢測出的水平傾角為θ.根據(jù)圖4所示幾何關(guān)系,可推導(dǎo)出扁擔(dān)梁部分的傳遞函數(shù)為Gg(s)=1/h(5)Gg(s)=1/h(5)所以系統(tǒng)從電信號輸入至傾角輸出之間的傳遞函數(shù)為G(s)=Gp(s)Gv(s)Gm(s)Gh(s)Gg(s)=πRηmvΚΙΚqxΚqy30ihVmAx1(ms2+Bs-ΚΙ+ΚΡA0)(s+ωv)(6)G(s)=Gp(s)Gv(s)Gm(s)Gh(s)Gg(s)=πRηmvKIKqxKqy30ihVmAx1(ms2+Bs?KI+KPA0)(s+ωv)(6)4液伺服閥或電液比例閥組成閉環(huán)控制系統(tǒng)目前常采用的液壓同步控制方法主要有兩種:一種是開環(huán)式的控制方法,即用分流集流閥、同步缸、同步馬達(dá)等組成同步液壓回路,其特點(diǎn)是原理簡單、成本低,但精度也較低;第二種方法是用電液伺服閥或電液比例閥組成閉環(huán)控制系統(tǒng),采用這種閉環(huán)控制方法時(shí),同等方式和主從方式是通常采用的兩種控制策略,采用這兩種控制策略有望獲得高精度的同步控制.由于該系統(tǒng)不對主卷揚(yáng)I閉環(huán)控制,只要求主卷揚(yáng)Ⅱ同步跟隨即可,所以采用的是主從控制指令,如圖5所示.即通過可編程控制器(programmablelogiccontroller,PLC)編程,只調(diào)整2個(gè)電液比例閥中的某一個(gè)的電流信號,通過液控回路,以調(diào)整馬達(dá)轉(zhuǎn)速,控制主卷揚(yáng)動作,使一根鋼絲繩跟蹤另一根鋼絲繩提升或者下降,最終使2根鋼絲繩動作滿足同步要求.5在線智能方法與pid參數(shù)優(yōu)化5.1采樣時(shí)間下pid參數(shù)的遺傳算法在線整定所謂在線PID參數(shù)整定,即在每個(gè)采樣時(shí)間分別對PID參數(shù)進(jìn)行整定.采用遺傳算法在線整定PID參數(shù),就是針對每個(gè)采樣時(shí)間實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的遺傳算法優(yōu)化.在采樣時(shí)刻K,選取足夠多的個(gè)體,計(jì)算不同個(gè)體的自適應(yīng)度,通過遺傳算法的優(yōu)化,選擇自適應(yīng)度大的個(gè)體所對應(yīng)的PID控制參數(shù)作為該采樣時(shí)間下的PID控制參數(shù).5.2采樣時(shí)間t的計(jì)算步驟自適應(yīng)在線遺傳算法的基本步驟與傳統(tǒng)的遺傳算法基本相同,不同點(diǎn)在于它是在每個(gè)采樣時(shí)間t都對參數(shù)進(jìn)行遺傳尋優(yōu).在采樣時(shí)間t的具體計(jì)算步驟為:先對參數(shù)編碼,按一定規(guī)模初始化一個(gè)種群,隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)個(gè)體,種群中的每一個(gè)體代表一個(gè)可能的解;然后根據(jù)適應(yīng)度值函數(shù),計(jì)算每一個(gè)體的適應(yīng)度值并依此控制再生操作,之后按一定的概率對種群進(jìn)行交叉、變異操作;這樣種群不斷進(jìn)化,直至尋優(yōu)結(jié)束;在尋優(yōu)結(jié)束之后,對優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行解碼,使之表示成要求的結(jié)果.5.3自由通用域名格式法的pid參數(shù)的實(shí)現(xiàn)5.3.1初始群體編碼目前常采用的編碼方法主要是二進(jìn)制編碼和實(shí)數(shù)編碼.基本遺傳算法使用的二進(jìn)制編碼不能反映問題的結(jié)構(gòu),并且個(gè)體長度大,占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存多,難以提高精度;實(shí)數(shù)編碼適用于表示范圍較大的數(shù)值,便于較大空間的搜索,也便于設(shè)計(jì)專門的算法因子以處理較復(fù)雜的決策變量約束條件.本文采用實(shí)數(shù)編碼并隨機(jī)生成種群規(guī)模為120的初始群體.若系統(tǒng)中有M個(gè)參數(shù)需要優(yōu)化,以這M個(gè)參數(shù)為分量構(gòu)成一個(gè)M維行向量,并將它作為個(gè)體的編碼,即Q=[q1,q2,?,qΜ](7)式中:Q表示個(gè)體;qi表示在第i個(gè)參數(shù)的空間內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生的分量.根據(jù)不同被控對象整定PID參數(shù),可獲得比較滿意的控制效果.對有較大慣性或滯后的被控對象,比例、微分控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性.積分控制雖然改善了比例控制中殘差的問題,卻沒有解決穩(wěn)定性的問題.當(dāng)調(diào)節(jié)好比例增益系數(shù)Kp,微分作用系數(shù)Kd后可再調(diào)節(jié)積分作用系數(shù)Ki的值,Ki的值一般可取1/50甚至更小,故采用本法調(diào)節(jié)時(shí),沒有對Ki調(diào)節(jié)也能使系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定.設(shè)每個(gè)個(gè)體有2個(gè)分量Kp,Kd,按照多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果以及以前經(jīng)驗(yàn)值取參數(shù),取值范圍為:0.2≤Kp≤0.6,0≤Kd≤0.001.然后在這組參數(shù)的周圍進(jìn)行優(yōu)化.5.3.2最優(yōu)指標(biāo)選取為獲取滿意的過渡過程動態(tài)特性,并防止產(chǎn)生超調(diào),采用誤差絕對值、誤差、誤差變化率和誤差的累積值的加權(quán)值作為第k個(gè)采樣時(shí)間時(shí)第i個(gè)個(gè)體的參數(shù),選用J(i)作為參數(shù)選取的最優(yōu)指標(biāo)J(i)=αp|e(i)|+βp|d(i)|(8)式中:e(i)為第k個(gè)采樣時(shí)間第i個(gè)個(gè)體的位置跟蹤誤差;d(i)為第k個(gè)采樣時(shí)間第i個(gè)個(gè)體的位置跟蹤誤差變化率;αp,βp分別為誤差和誤差變化率的加權(quán)系數(shù),一般取αp=0.95,βp=0.05.為了避免超調(diào),采用了懲罰功能,即一旦產(chǎn)生超調(diào),將超調(diào)量作為最優(yōu)指標(biāo)的一項(xiàng),此時(shí)最優(yōu)指標(biāo)為若e(i)<0?則J(i)=J(i)+100|e(i)|(9)由此確定適應(yīng)度函數(shù)為F(i)=1/J(i)(10)5.3.3變異概率與自適應(yīng)度的關(guān)系選擇交叉概率為pc=0.9.本文采用自適應(yīng)變異概率的方法,即自適應(yīng)度越大,變異概率越小,變異概率為pm=0.2-0.01n/N,n=1,2,…,N.6系統(tǒng)動態(tài)特性將被控對象實(shí)例的系統(tǒng)參數(shù)代入式(6),得到被控對象的傳遞函數(shù)近似為:G(s)=544440/(s3+89.1s2+10680s).根據(jù)以上給定的策略,針對被控對象G(s),設(shè)定采樣時(shí)間為0.01s,仿真時(shí)間為0.8s,輸入為階躍信號,分別應(yīng)用自適應(yīng)遺傳算法和傳統(tǒng)遺傳算法編寫優(yōu)化程序進(jìn)行仿真研究.圖6為系統(tǒng)在傳統(tǒng)遺傳PID控制下和自適應(yīng)在線遺傳PID控制下對階躍信號的響應(yīng)曲線.可以看出,兩種控制算法的仿真曲線均未出現(xiàn)超調(diào),但是傳統(tǒng)遺傳PID控制時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約需要0.32s,自適應(yīng)在線遺傳PID控制時(shí)僅需要0.1s.自適應(yīng)在線遺傳算法的穩(wěn)定誤差帶也比傳統(tǒng)的遺傳算法的小,而且其他指標(biāo)都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)遺傳算法的結(jié)果.在用自適應(yīng)在線遺傳算法優(yōu)化的曲線中,明顯有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),這也充分說明了它的自適應(yīng)性,在開始階段尋優(yōu)速度很快,響應(yīng)速度也很快,當(dāng)接近理想值后尋優(yōu)速度減慢,響應(yīng)速度也隨之減慢.由此可見,自適應(yīng)在線遺傳PID控制算法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí),獲得了比傳統(tǒng)遺傳PID控制算法更快的響應(yīng)速度,更好的動態(tài)性能.7現(xiàn)場試驗(yàn)分析和結(jié)果分析為測試以上控制算法和控制策略的實(shí)際效果,在某國產(chǎn)新型雙主卷揚(yáng)連續(xù)墻抓斗設(shè)備上分別應(yīng)用這兩種算法進(jìn)行了試驗(yàn)研究.7.1發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速加速過大時(shí)(1)確保以上兩種算法試驗(yàn)都在60℃左右的液壓油溫度條件下運(yùn)行,若液壓油溫度過低可通過進(jìn)行抓土動作將液壓油溫度快速提升,若液壓油溫度過高可停止任何動作并運(yùn)轉(zhuǎn)冷卻風(fēng)扇將液壓油溫度快速降低.(2)將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速檔位旋鈕設(shè)定在1600r·min-1左右的轉(zhuǎn)速檔位.(3)操作工況切換按鈕,使設(shè)備運(yùn)行在主工況(雙主卷揚(yáng)同步工況)下工作.(4)將控制起升先導(dǎo)油路的液壓手柄扳到最大位置,使抓斗向上提升運(yùn)行.(5)同步采集從抓斗扁擔(dān)梁傾角傳感器上傳來的數(shù)據(jù).7.2傳統(tǒng)遺傳pid算法與自適應(yīng)在線遺傳pid算法的比較分別用傳統(tǒng)遺傳PID控制算法與自適應(yīng)在線遺傳PID控制算法按以上步驟進(jìn)行試驗(yàn),記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),并繪制試驗(yàn)曲線.傳統(tǒng)遺傳PID控制時(shí)扁擔(dān)梁水平傾角的實(shí)測曲線分別如圖7所示;自適應(yīng)在線遺傳PID控制時(shí)扁擔(dān)梁水平傾角的實(shí)測曲線如圖8所示.由圖可見,傳統(tǒng)遺傳PID算法能使扁擔(dān)梁的水平傾角值(反映雙主卷揚(yáng)同步誤差)基本保持在±0.6°以內(nèi),自適應(yīng)在線遺傳PID算法則可保持在±0.35°以內(nèi);系統(tǒng)穩(wěn)定后,前者基本保持在±0.35°以內(nèi),后者則可保持在±0.15°以內(nèi),同時(shí)后者也較前者快速地進(jìn)入穩(wěn)定階段,這也充分說明了自適