PID控制器在塔式起重機(jī)的應(yīng)用探析

呂吉章

摘要:塔式起重機(jī)被廣泛用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平輸送及建筑構(gòu)件的安裝。在運(yùn)輸和安裝過程中由于外界阻力造成定位不精準(zhǔn)和負(fù)載擺動幅度大等問題。PID控制是歷史悠久、生命力強(qiáng)的控制方法，控制簡單、穩(wěn)定性好，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，有良好的控制效果。在塔式起重機(jī)上，可通過其他電氣元件，對吊重高度檢測、小車位置檢測和擺角檢測，收集信息，經(jīng)過分析處理，通過PID控制對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，使被控變量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有效控制，提高定位精準(zhǔn)度、安全性和工作效率。

關(guān)鍵字：塔式起重機(jī)；PID控制器

中圖分類號：TG231.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

為了做到塔式起重機(jī)啟動及制動的平穩(wěn)、變速迅速、停車準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，沒有良好的調(diào)速性能是難以實(shí)現(xiàn)的。特別是在港口鹽霧、潮氣、灰塵的惡劣環(huán)境下操作的起重機(jī)，頻繁的調(diào)速往往會出現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)振動沖擊、疲勞開裂等問題，導(dǎo)致塔式起重機(jī)壽命縮短及設(shè)備損壞，甚至?xí)l(fā)生安全事故，由此可見塔式起重機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的重要性。

1.塔機(jī)變頻調(diào)速方式

變頻器根據(jù)電動機(jī)的特性可以對供電電壓、電流和頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲煌目刂品绞綄⒌玫讲煌恼{(diào)速特性。變頻器的控制方式主要包括 V/F 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制。以上方法中，矢量控制方式的變頻調(diào)速性能可與直流調(diào)速性能相媲美，在實(shí)際中的應(yīng)用最為廣泛。在采用矢量控制的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，由于傳統(tǒng)PID 控制結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，因此 PID 控制仍占據(jù)了主導(dǎo)地位。

塔機(jī)的工作特點(diǎn)是斷續(xù)工作、頻繁啟動、制動；運(yùn)行過程中有明顯的振動和沖擊；有時(shí)會過負(fù)荷；工作環(huán)境多塵土，環(huán)境溫度變化范圍大。

針對其工作特點(diǎn)，塔機(jī)工作機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)主要由控制器、傳感器、變頻器及塔機(jī)的工作機(jī)構(gòu)組成。

2.PID控制系統(tǒng)

PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。但由于其在實(shí)際應(yīng)用中受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，控制精度受到制約。PID 控制原理圖見圖1。

在連續(xù)控制系統(tǒng)中，PID 控制規(guī)律為

對應(yīng)的模擬 PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

簡單說來，PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：

1）比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。

2)積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差、提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，常數(shù)越大，積分作用越弱，反之則強(qiáng)。

3)微分作用能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)整時(shí)間。

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。

由于位置式PID控制算法是全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對偏差進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，計(jì)算機(jī)輸出將大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式PID控制算法。所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量(例如驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī))時(shí)，可導(dǎo)出提供增量的PID控制算式：

上式成為增量式PID控制算法。

因?yàn)樗C(jī)需要達(dá)到就位準(zhǔn)確、較高的控制精度，同時(shí)也為避免計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，而導(dǎo)致發(fā)生故障的嚴(yán)重后果，所以采用增量式 PID 控制算法。

3.塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)數(shù)字PID仿真

電動機(jī)的型號為ZDY21-4B，轉(zhuǎn)動慣量為0.2kgm2，額定電壓為380V，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定轉(zhuǎn)速為1380r/min，電機(jī)極對數(shù)p=3,將參數(shù)數(shù)據(jù)代入到電機(jī)的公式中，計(jì)算得到Kr1＝5.024，變頻器的控制電壓范圍設(shè)定為0V～10V，頻率范圍為0Hz～50Hz，所以Ks=5HZ/V，取加速時(shí)間為0.1s。

由此得到整個(gè)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

閉環(huán)傳遞函數(shù)為

應(yīng)用增量式PID控制器對起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，是通過調(diào)節(jié) PID 控制器的 3個(gè)參數(shù)（Kp＝0.15；Ki＝0.01；Kd＝0.8）來實(shí)現(xiàn)的。如果給系統(tǒng)輸入正弦信號 sin(πt)時(shí)，系統(tǒng)的跟蹤及誤差曲線如圖2所示，從仿真圖中可以看出，PID 控制系統(tǒng)可以達(dá)到比較好的跟蹤效果。

在實(shí)際應(yīng)用中，起重機(jī)起升（或下降）的實(shí)際運(yùn)行過程為加速－勻速－減速過程，即輸入信號為一梯形曲線。因此，當(dāng)給系統(tǒng)輸入梯形信號時(shí)，響應(yīng)及誤差曲線如圖2所示，從仿真圖中可以看出，跟蹤過程誤差很小，PID控制器具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4.塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)

本課題的實(shí)驗(yàn)研究選用我校工程機(jī)械實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)用塔機(jī)，它可以實(shí)現(xiàn)普通塔機(jī)的起升、變幅、回轉(zhuǎn)功能，動力分別由3臺普通三相交流異步電動機(jī)提供。根據(jù)塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)的電機(jī)選取了變頻器，并簡要介紹了其功能；根據(jù)變頻器的內(nèi)置PID控制器的反饋輸入選擇了光電編碼器作為傳感器；用變頻器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)了變頻器的系統(tǒng)參數(shù)，完成了塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)的調(diào)速實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)測得的數(shù)據(jù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。設(shè)定電機(jī)的輸入頻率恒定為50Hz時(shí)(階躍信號)，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，加上PID控制以后，塔機(jī)的啟動特性得到了明顯的改善（見圖3）。方便日常檢查和維護(hù)。

5.用戶注重檢查維護(hù) 避免故障隱患

從調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有的用戶對所使用機(jī)器至出現(xiàn)故障時(shí)從未檢查過螺栓的預(yù)緊力。為避免螺栓松動失效斷裂，需要用戶在使用過程中定期檢查螺栓預(yù)緊力矩，在第一次使用100小時(shí)應(yīng)普遍地均勻地檢查1次螺栓并擰緊，以后每500小時(shí)間隔均應(yīng)檢查1次。破碎作業(yè)、工作情況惡劣的要縮短檢查間隔。機(jī)器累計(jì)工作2000小時(shí)后，如果發(fā)現(xiàn)有螺栓松動到規(guī)定力矩的80%以下，則該螺栓和相鄰的兩個(gè)螺栓都要更換；如發(fā)現(xiàn)20%的螺栓松動到規(guī)定力矩的80%以下，則全部換新的；累計(jì)工作14000小時(shí)后，全部螺栓都要換新的。

針對目前我國塔機(jī)行業(yè)中起升機(jī)構(gòu)調(diào)速方法不先進(jìn)，造成起重機(jī)效率低、能耗高等缺點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真的效果來看，加入PID控制后，系統(tǒng)在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，響應(yīng)性有明顯的好轉(zhuǎn)，對塔機(jī)的起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果也表明，加PID控制明顯比不加PID控制具有更好的調(diào)速性能。

6.結(jié)語

現(xiàn)在因?yàn)槲覈狡鹬貦C(jī)行業(yè)中起升機(jī)構(gòu)調(diào)速方法還不是很先進(jìn)，以至于起重機(jī)有工作效率低、工作時(shí)消耗能源高等缺點(diǎn)。但是通過計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真效果來看，在加入了PID控制后在系統(tǒng)能夠維持原有的系統(tǒng)穩(wěn)定性的系統(tǒng)上，在響應(yīng)性方面都有了明顯的改善。同時(shí)在對塔機(jī)的起升機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)也表明加PID控制的調(diào)速性能明顯好于不加PID控制的調(diào)速性能。所以PID控制器在塔式其中起到十分重要的作用，通過PID控制對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，使被控變量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有效控制，提高定位精準(zhǔn)度、安全性和工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉金棍.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[2]戴明宏，吳新佳，梁景成.塔式起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)[J].河南科技，2005,(1);29-34

[3]呂廣明，胡長勝.基于SPWM的起重機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)研究[J].建筑機(jī)械化，2007,(5):21-24