基于CAN總線的船用起重機自動定位控制系統設計

陳 東，唐 崢，杜思遠

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南鄭州 450015)

0 引 言

船用起重機在船舶建造和使用中應用較為廣泛，經過多年的研究和發展，我國在船用起重運輸機械設計制造方面取得了顯著發展。然而隨著現場總線技術、工業自動化、智能化技術研發和應用，市場對起重機工作性能、安全可靠性、自動化程度、設備故障監控診斷能力與智能化水平都提出更高要求。例如要求滿足自動定位，能夠實現實時通信，建立以起重機為基礎的存儲和監控網絡等[1]。針對這種發展趨勢，本文選用CAN總線作為現場總線，利用模糊PID控制算法控制多路電液比例閥的開度，實現了船用起重機的自動定位與控制。

1 概述

1.1 起重機結構

該船用起重機主要由基座、起重臂組、液壓系統、自動控制系統等組成。基座用于支承和水平轉動起重臂組，主要由回轉機構、支撐座等組成；起重臂組主要功能是在其他系統的配合下對重物進行調運，起重臂組主要由基本臂、主臂、伸縮臂、油缸、起升機構等組成；液壓系統用于向基座和起重臂組提供動力，主要由油箱、泵站電機、液壓泵、多路電液比例閥等組成。自動控制系統用于控制起重臂組及液壓系統，完成重物的吊裝任務，自動控制系統主要由主控計算機、控制箱、傳感器組、報警器等組成。起重機的結構如圖1所示。

圖1 起重機結構Fig. 1 Structure of Crane

1.2 CAN總線

隨著計算機技術、自動化技術和通信技術的發展，現場總線控制系統（FCS）正在逐步取代集散控制系統（DCS），廣泛應用于工業控制系統[2]。目前現場設備中主要采用的現場總線有CAN總線、Profibus DP/PA總線、InterBus總線和Modbus總線等。CAN總線由于其高性能、高可靠性和其獨特設計，在各種自動化控制領域得到廣泛應用[3]。CAN總線具有通信方式靈活、多主方式及面向事件的信息傳輸、非破壞性總線仲裁技術、傳輸距離遠、節點數較多等特點。

2 起重機控制系統總體設計

2.1 控制系統構成

工控機作為控制系統的主控制器，利用PCI-1680通信卡進行數據采集，通過CAN總線、多路電液比例閥控制起重機完成重物的自動轉運任務，并通過編碼器檢測補給起重機工作的實時位置信息，構成閉環控制系統。控制系統的結構如圖2所示。

為了能夠準確地控制起重機吊鉤，需要對其位置進行實時跟蹤判斷，分別對起重機的回轉角位置、主臂與基本臂之間夾角位置、伸縮臂伸縮位置及卷揚位置等4路物理量進行實時檢測。要提高系統的控制精度，關鍵在于提高采樣反饋信號的精度，需要采用光電編碼器作為本系統的直線位移或角位移測量元件。

圖2 控制系統結構Fig. 2 Structure of control system

傳感器組由4個CAN總線接口的絕對值旋轉編碼器和2個恒力開度裝置組成，分別用于測量起重機的回轉角度、俯仰角度、伸縮臂長度和卷揚繩索長度。絕對值旋轉編碼器選用Pepperl+Fuchs公司生產的ENA42HD-S系列重載編碼器，恒力開度裝置選用ECN40HD系列。因此，絕對值編碼器分別將回轉角位置、主臂俯仰角位置、伸縮臂伸縮位移和卷揚位移、通過CAN總線接口輸入到主控計算機中。

多路閥選用WALVOIL公司生產的DPC130型電液比例多路閥，該多路閥由進油閥體、5個工作閥片和回油閥體組成。多路閥支持CAN總線協議，主控計算機通過電纜與多路閥的電磁鐵相連，通過控制比例電磁鐵電流大小來改變閥芯的位置，從而改變通過閥口的液壓油流量，進而控制各執行機構的運動速度，速度與流量呈線性關系。

2.2 坐標轉換

要對吊鉤位置進行實時控制，需掌握其在直角坐標系空間中的位置，故需要進行坐標變換，分別定義直角坐標系和廣義坐標系。

直角坐標系：以甲板面起重機旋轉中心為原點，甲板面為x-y平面，x軸正向指向存儲位置；y軸為x軸繞原點逆時針旋轉至90°位置；z軸垂直甲板面指向上方。廣義坐標系：α為起重機旋轉自由度，存儲方向為0，俯視時逆時針方向為正；β為主臂旋轉自由度，水平方向為0，在垂向平面（XZ平面）觀察時，逆時針方向為正；Lf為主臂長度，L為伸縮臂長度，γ為伸縮臂完全展開時伸縮臂與主臂之間的夾角，r1和h0分別表示主臂原點到旋轉中心之間的水平距離和垂直高度，rp表示繩長，原點在吊臂頂端定滑輪中心，指向下方為正。

廣義坐標-直角坐標變換：

由于主臂與伸縮臂不在同一平面內，主臂與伸縮臂中心距約為r，R1為修正后的回轉半徑，可得

主臂與R1之間的夾角為 α1=arcsin(r/R1)，得

2.3 調運策略

為了安全起見，在實際重物自動調運過程中采取定臂長的策略，調運過程中同時控制回轉、俯仰、卷揚3個自由度運動，從而到達目標位置。以時間為目標函數，采取同時到達和定高的控制策略，對回轉、俯仰、卷揚各通道的流量進行分配。

根據各自由度速度-流量增益：回轉a L/（°），俯仰b L/（°），卷揚c L/m，吊載區俯仰角速度-卷揚線速度跟蹤因子為dm/（°）。為實現吊鉤定高，俯仰和卷揚的流量分配比為b:（c/d）；為了使回轉和俯仰同時到達目標位置，將液壓管路的總流量分配給回轉閥、俯仰閥和卷揚閥。可得回轉: 俯仰: 卷揚=aα:bβ:（c/d）β（α、β分別為廣義坐標系下到目的位置回轉與俯仰的偏移量）。

通過主控計算機直接輸出控制量，從而控制電液比例閥的流量，控制各自由度進行運動，通過編碼器獲取起重機實時位置，構成閉環控制系統。由于控制量死區、摩擦、齒輪間隙、比例閥小流量不穩定等因素的影響，起重機在啟動和停止階段存在非線性，傳統的PID控制算法很難滿足需求，本文設計了一種基于模糊自整定PID控制器的控制方法。

3 模糊PID控制設計

模糊PID控制基本思想是運用模糊數學的理論，利用模糊規則表進行表示，然后根據控制系統的響應進行模糊推理，從而實現PID參數的在線修正，構成模糊PID控制器[4-5]。

根據起重機運動系統的特性，本文設計了一個二維模糊控制器，以誤差e及其誤差變化率de模糊化后作為輸入變量，根據預先設定的模糊規則進行模糊推理，得到3個模糊參數，將這3個參數解模糊處理得到PID控制器的參數調整量作為輸出變量。圖3為模糊PID控制結構框圖。

將模糊變量分為7級，分別是{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}，這樣總結控制規律比較方便且處理速度較快。模糊變量值確定后，需要建立模糊量和等級量之間的隸屬關系，即確定模糊子集隸屬函數的形狀。隸屬度函數選取不對稱三角形。控制規則貯存在數表中，便于更改，最后用重心法合成輸出控制量。

圖3 模糊PID控制Fig. 3 Fuzzy-PID Control System

模糊控制器的核心是建立模糊規則表，根據電液比例閥的穩態特性、響應速度等特點建立模糊規則表， ?kp，? ki，? kd的模糊規則如表1所示。

表1 ? kp， ?ki ， ?kd 模糊規則表Tab. 1 ?kp，?ki ， ?kd fuzzy rule

最后一步為輸出解模糊，計算輸出各模糊變量隸屬度函數三角形被各隸屬度水平截成梯形的重心，分別計算各梯形然后相加時，應當Li減去重疊部分的面積。

其中：Si為各梯形面積；Li為各梯形重心的距離。

4 試驗驗證

在Labview環境下進行開發，實現人機界面和模糊PID控制算法，主要有CAN口設置、功能選擇、手動控制、電液比例閥狀態顯示、實時位置讀取、自動定位控制等功能，如圖4所示。

圖4 起重機自動定位控制界面Fig. 4 Crane automatic positioning control interface

選取2個特征位置分別使用傳統PID控制算法和模糊PID控制算法進行自動轉運，分別計算直角坐標系下水平方向距目標位置的誤差和吊鉤高度的變化誤差H=z-z2，如圖5所示。

試驗結果表明，模糊PID控制效果明顯好于傳統PID控制，動態調整時間提升了3.1 s，定位精度提高了0.032 m，吊鉤高度最大誤差縮小了0.070 m。

圖5 起重機自動轉運位置誤差曲線圖Fig. 5 Position error curve of crane automatic transfer