硕士答辩PPT汇编

动臂塔式起重机水平变幅控制仿真研究指导老师：***汇报

人：***汇报时间：2012.06水平变幅控制整体建模及仿真分析模糊自整定PID控制器设计变幅及起升液压系统建模与稳定性分析水平变幅电液系统设计概述总结与展望目录1.概述动臂塔式起重机介绍

定义：属于一种非连续性搬运机械，是一种将起重臂架设在高处的全回

转型起重机械。应用：广泛应用于各种建筑建设、水电站大坝及火电建设施工等。

1）高层建筑建设动臂塔式起重机应用2）水电站大坝建设3）火电建设1.概述课题来源

大连理工大学与徐州重型机械有限公司合作开发的动臂塔式起重机项目。课题方向动臂塔式起重机水平变幅控制系统作用：

（1）提高作业效率

（2）提高可操作性

（3）安装定位更加准确课题意义为动臂塔机水平变幅控制提供了一种新的控制方法，为工程实际应用提供理论支持和指导方向。

1.概述水平变幅补偿方法分类本文研究的类型绳索补偿组合臂架补偿差动减速器水平位移补偿电控系统补偿2.水平变幅电液系统设计液压原理1.变量泵2.制动器3.定量马达4.电磁换向阀5.先导油泵变幅系统液压原理图变幅液压系统系统主要参数：系统最大流量：808L/min；系统溢流阀设定压力：300bar；补油溢流阀设定压力：24bar。闭式系统，两个变量泵驱动三个定量马达2.水平变幅电液系统设计液压原理1.变量泵2.变量马达3.制动器4.电磁换向阀5.先导油泵起升系统液压原理图起升液压系统系统主要参数：系统最大流量：808L/min；系统溢流阀设定压力：350bar；补油溢流阀设定压力：24bar。闭式系统，两个变量泵驱动四个变量马达2.水平变幅电液系统设计电压来源电压种类用途地面引进AC380V引进电机AC220V空调、照明、液压油加热器发电机DC24V电控系统、常规电气供电蓄电池DC24V启动发动机系统电源的构成

控制部分由控制器和力矩限制器组成，主要功能是处理来自各种传感器、手柄及发动机ECU的信息并进行运算；输入部分主要由一些传感器、视频监控信号、远程监控信号等组成，主要完成各种信息的采集及信号的输入；输出部分主要包括动力系统、传动系统及显示系统，主要的功能是用来执行各种动作和实现人机的交互。电气原理2.水平变幅电液系统设计控制系统通过CAN总线进行通讯，完成信息的交互。该动臂塔式起重机的电控系统采用两条CAN总线，CAN总线1主要连接系统控制器、力矩限制器、编码器、系统显示器以及GPS，该总线上的通讯协议为CANopen协议。CAN总线2上连接发动机的电子控制模块以及左右手柄，该总线上的通讯协议为J1939协议。整个控制系统通过两条CAN总线组成的网络，实现动臂塔式起重机的各种动作的控制、动力系统的状态监控、远程定位及视频监控等功能。系统网络电气原理3.变幅及起升液压系统建模与稳定性分析控制原理框图传递函数模型建立（1）电液比例阀的传递函数：

输入是电流信号I，输出是比例阀的阀芯位移xv，传递函数为：Kv为比例阀的增益；ωs为比例阀的固有频率；ζs为阻尼比。3.变幅及起升液压系统建模与稳定性分析（2）泵变量机构-阀控液压缸传递函数：泵的变量机构-阀控液压缸的输入为电液比例阀的阀芯位移xv

，输出为液压缸的活塞位移

l。其传递函数为：Kq为比例阀的流量增益；A为液压缸活塞有效面积；ωp为液压固有频率；ζp为液压阻尼比。（3）活塞-斜盘摆角传递函数：变量泵变量机构中的是与一一对应的。输入是变量机构中的液压缸活塞的位移

l，输出是变量泵的斜盘摆角xp

。其传递函数为：KΦ为变量泵的斜盘摆角系数。3.变幅及起升液压系统建模与稳定性分析（4）泵控马达系统传递函数：变幅马达的转速对变量泵变量机构摆角的传递函数为：

变幅及起升马达的转速对外负载力矩的传递函数为：起升马达的转速对变量泵变量机构摆角的传递函数为：3.变幅及起升液压系统建模与稳定性分析

传递函数方框图3.变幅及起升液压系统建模与稳定性分析系统稳定性分析变幅系统的开环传递函数为代入参数得起升系统的开环传递函数变幅系统参数起升系统参数3.变幅及起升液压系统建模与稳定性分析系统稳定性分析（1）频域分析：通过MATLAB画出变幅系统伯德图：求出相角裕量幅值裕量起升系统伯德图：求出相角裕量幅值裕量（2）时域响应：变幅系统阶跃响应调整时间起升系统阶跃响应调整时间

系统开环伯德图系统时域响应图系统为稳定系统相角裕量和幅值裕量都过大，系统的动态响应迟钝缓慢系统在接近8s、11s时才能达到稳定状态系统响应速度不能满足水平变幅快速性的要求4.模糊自整定PID控制器设计模糊自整定PID控制原理

模糊自整定PID控制系统原理图

PID参数模糊自整定是找出PID三个参数与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。4.模糊自整定PID控制器设计模糊自整定PID控制器设计

（1）确定输入变量和输出变量输入输出变量编辑窗口动臂塔机水平变幅控制系统模糊自整定PID控制器采用两输入三输出型，输入变量：控制偏差e和偏差变化率ec

输出变量：PID控制参数△Kp、△Ki、△Kd。

Matlab中模糊控制器输入输出变量编辑窗口如图。4.模糊自整定PID控制器设计模糊自整定PID控制器设计

（2）输入输出变量模糊化定义描述输入变量和输出变量语言值的模糊子集为：{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。设置输入量论域：e、ec：{-3，-2，-l，0，l，2，3}设置输出量论域：△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}。隶属函数：

输入输出变量隶属函数1）输入量e和ec的隶属函数2）△Kp、△Ki、△Kd的隶属函数4.模糊自整定PID控制器设计

模糊自整定PID控制器设计

（3）模糊控制规则表

根据模糊自整定PID控制参数整定原则并结合动臂塔式起重机实际操作经验，经过仿真实验得出△Kp、△Ki、△Kd三个参数整定的模糊规则表如下表所示。4.模糊自整定PID控制器设计模糊控自整定PID控制器设计

（4）在线校正根据模糊规则表在线修正PID参数，计算公式：；；式中，，——初始PID参数；，，——模糊自整定PID控制器的三个输出参数，可根据被控对象的状态进行参数自动整定。5.水平变幅控制整体建模及仿真分析关系式推导臂头高度的变化要实现水平变幅，臂头到吊重之间悬垂钢丝绳长度的变化量l与臂头高度的变化量l’的关系应满足假设起升倍率为n1，则起升机构放出的钢丝绳的长度水平变幅过程中，吊重高度变化的控制误差值

5.水平变幅控制整体建模及仿真分析系统控制策略

5.水平变幅控制整体建模及仿真分析变幅引起的绳长变化与变幅卷筒转速的关系

变幅卷筒的出/收绳量是通过安装在变幅卷筒上的绝对值编码器来计算得到的。首先设定缠绕在变幅卷筒上的钢丝绳总长度L1对应的变幅编码器总脉冲数N01，水平变幅过程中，由变幅卷筒的转速可以计算出时间t内变幅编码器旋转的圈数，再由编码器旋转一圈发出的脉冲数（编码器的分辨率）Nm，就可以计算出时间t内，变幅卷筒的出/收绳量。变幅卷筒的转速：时间t内，变幅卷筒引起的绳长变化量：名称符号数值变幅减速机传动比17.4变幅减速机轴端齿齿数13变幅卷筒外齿圈齿数76名称符号数值单位缠绕起升卷筒钢丝绳总长度762m总长度对应的总脉冲数2387114-变幅编码器分辨率16384-5.水平变幅控制整体建模及仿真分析变幅机构绳长变化量与臂架变幅角度的关系

臂架在初始位置时臂架变幅到角度

时由初始角度0变幅到角度

的过程中，变幅卷筒的收绳量（假定变幅倍率为n2）为联立，解出

又有5.水平变幅控制整体建模及仿真分析起升引起的绳长变化与起升卷筒转速的关系

起升卷筒的转速：时间t内，起升卷筒引起的绳长变化量：名称符号数值起升减速机传动比17.4起升减速机轴端齿齿数11起升卷筒外齿圈齿数136名称符号数值单位缠绕起升卷筒钢丝绳总长度762m总长度对应的总脉冲数2387114-5.水平变幅控制整体建模及仿真分析变幅及起升系统模型建立及验证

名称符号数值单位变幅下限值/12rad变幅上限值17/36rad变幅最大单绳速度1.167m/s变幅最短时间120s变幅马达最高转速2585r/min起升马达最高转速4309r/min起升最大单绳速度1.182m/s臂架长度50m人字架后绞点与臂架根绞点的距离8.2m人字架后撑杆长度13.5m臂架初始角度/4rad起升倍率2-变幅倍率8-一些设计参数及模型初始设置值5.水平变幅控制整体建模及仿真分析变幅及起升系统模型建立及验证

变幅回路的系统模型起升回路的系统模型5.水平变幅控制整体建模及仿真分析变幅及起升系统模型建立及验证

5.水平变幅控制整体建模及仿真分析变幅及起升系统模型建立及验证

名称设计值仿真值单位误差变幅马达最大转速25852485.8r/min3.84%变幅最大单绳速度1.1671.1982m/s3.12%臂头高度变化值2.652.5566m3.52%臂架最大变幅角度0.320.3151rad1.53%起升马达最大转速43094412.6r/min2.40%起升最大单绳速度1.8121.7922m/s1.09%设计参数与仿真结果对照系统的一些参数的设计值与仿真值的误差均在4%以内，证明本文所建立的系统模型是比较准确的。5.水平变幅控制整体建模及仿真分析

无控制算法的系统模型建立及仿真结果吊重位置的偏差不断增大，最大偏差达到1.07m，达不到水平变幅的控制要求。需采用某种控制算法对偏差进行运算处理后再控制起升回路。5.水平变幅控制整体建模及仿真分析

加入控制算法的系统模型建立5.水平变幅控制整体建模及仿真分析

仿真结果对比分析5.水平变幅控制整体建模及仿真分析

仿真结果对比分析常规PID控制模糊自整定PID控制结果比较吊重位置偏差变化的最大值0.128m0.082m35.9%达到稳定时间1.8s1.2s33.3%采用模糊自整定PID控制器要比采用常规PID控制器更能提高动臂塔式起重机水平变幅的精度及减小达到稳定的时间。5.水平变幅控制整体建模及仿真分析

系统在3s时添加一10KN的负载干扰信号抗干扰能力5.水平变幅控制整体建模及仿真分析

系统在3s时添加一10KN的负载干扰信号抗干扰能