硕士答辩PPT

大连理工大学硕士答辩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大连理工大学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大连理工大学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）火电建设大连理工大学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。大连理工大学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大连理工大学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大连理工大学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大连理工大学2.水平变幅电液系统设计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 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 启动发动机大连理工大学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 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 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 电气原理大连理工大学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。卷扬转速检测装置控制器电比例变量泵/马达卷扬转速卷扬出/收绳量手柄大连理工大学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。大连理工大学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：大连理工大学3.变幅及起升液压系统建模与稳定性分析 传递函数方框图大连理工大学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大连理工大学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大连理工大学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。大连理工大学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。大连理工大学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的隶属函数大连理工大学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 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 ，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。大连理工大学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。大连理工大学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大连理工大学5.水平变幅控制整体建模及仿真分析 系统控制策略变幅泵控马达系统变幅卷筒变幅钢丝绳变幅编码器大连理工大学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 762 m 总长度对应的总脉冲数 2387114 - 变幅编码器分辨率 16384 -大连理工大学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又有大连理工大学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 762 m 总长度对应的总脉冲数 2387114 -大连理工大学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一些设计参数及模型初始设置值 名称 符号 数值 单位 变幅下限值 /12 rad 变幅上限值 17/36 rad 变幅最大单绳速度 1.167 m/s 变幅最短时间 120 s 变幅马达最高转速 2585 r/min 起升马达最高转速 4309 r/min 起升最大单绳速度 1.182 m/s 臂架长度 50 m 人字架后绞点与臂架根绞点的距离 8.2 m 人字架后撑杆长度 13.5 m 臂架初始角度 /4 rad 起升倍率 2 - 变幅倍率 8 -大连理工大学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大连理工大学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大连理工大学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。 名称 设计值 仿真值 单位 误差 变幅马达最大转速 2585 2485.8 r/min 3.84% 变幅最大单绳速度 1.167 1.1982 m/s 3.12% 臂头高度变化值 2.65 2.5566 m 3.52% 臂架最大变幅角度 0.32 0.3151 rad 1.53% 起升马达最大转速 4309 4412.6 r/min 2.40% 起升最大单绳速度 1.812 1.7922 m/s 1.09%大连理工大学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。大连理工大学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大连理工大学5.水平变幅控制整体建模及仿真分析 仿真结果对比分析大连理工大学5.水平变幅控制整体建模及仿真分析 仿真结果对比分析采用模糊自整定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。 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 0.128m 0.082m 35.9% 达到稳定时间 1.8s 1.2s 33.3%大连理工大学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 抗干扰能力大连理工大学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 抗干扰能力大连理工大学5.水平变幅控制整体建模及仿真分析采用模糊自整定PID控制器要比采用常规PID可以使系统的抗干扰能力更强，提高了系统的抗干扰能力。 抗干扰能力结果对比分析 常规PID控制 模糊自整定PID控制 结果比较 干扰引起的吊重位置偏差变化的最大值 0.0097m 0.0043m 55.7% 再次达到稳定需用时间 1.5s 0.8s 46.6%大连理工大学6.总结与展望 总结 分析了动臂塔式起重机的分类、结构组成及其特点。针对1600TM动臂塔式起重机，设计了其变幅及起升系统的液压原理；设计了该动臂塔式起重机的电气控制系统并对电液控制系统的关键元件进行了选型； 运用传递函数的方法建立了变幅及起升液压系统的 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型，并分别用频域分析法及时域分析法分析了系统的稳定性及动态响应特性； 设计了动臂塔式起重机水平变幅系统的模糊自整定PID控制器； 实现了动臂塔式起重机水平变幅系统的仿真分析，验证了模糊自整定PID对于动臂塔式起重机的水平变幅具有更好的控制效果。 展望 将模糊自整定PID应用在实际的动臂塔式起重机水平变幅系统中； 模糊自整定PID的控制效果仍需提高，模糊控制规则还需要结合实践进一步改进； 本文建模时并没有考虑风载的影响，也没有具体考虑钢丝绳变形及臂架的变形对水平变幅的影响，而是通过模糊控制将这些影响因素综合进行补偿，后续研究中可以具体考虑这些因素对水平变幅的影响。大连理工大学硕士答辩