橋式吊車(chē)裝卸定位防遙控制探討

陳 成

（開(kāi)封市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南 開(kāi)封 475000）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，PLC 技術(shù)、變頻器技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用到吊車(chē)的控制系統(tǒng)當(dāng)中，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者和工程技術(shù)人員做了很多有效的改造和嘗試，吊車(chē)的控制精度和運(yùn)行平穩(wěn)性得到了很大的提高。但是吊車(chē)的運(yùn)行依然在很大程度上依賴(lài)于操作工人的經(jīng)驗(yàn)和熟練程度。要成為一名合格的吊車(chē)運(yùn)行人員，需要接受長(zhǎng)時(shí)間的培訓(xùn)和鍛煉，而且工作過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度很大。在運(yùn)輸危險(xiǎn)腐蝕性材料時(shí)，極易發(fā)生事故。所以設(shè)計(jì)出高性能的吊車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)具有非常重要的意義。

1 橋式吊車(chē)裝卸定位防遙控制的現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家學(xué)者將現(xiàn)代化的控制理論應(yīng)用到吊車(chē)的控制中，以有效抑制吊車(chē)運(yùn)行中的擺動(dòng)，提高吊車(chē)運(yùn)行的效率和安全性，如輸人整形控制、最優(yōu)控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等。一般的PLC 和變頻器結(jié)合的吊車(chē)控制系統(tǒng)越來(lái)越不能滿足對(duì)吊車(chē)控制的要求。傳統(tǒng)的PLC 控制系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)升、降、左右移及加減速等簡(jiǎn)單的邏輯控制，不能有效減小吊車(chē)的擺動(dòng)。現(xiàn)如今，橋式吊車(chē)在作業(yè)過(guò)程中伴隨有隨著橋吊小車(chē)的運(yùn)動(dòng)引起負(fù)載的擺動(dòng)問(wèn)題。當(dāng)橋吊負(fù)載或繩長(zhǎng)發(fā)生改變時(shí)，同樣易引起對(duì)小車(chē)快速定位與負(fù)載擺動(dòng)控制精度的影響。

2 控制器設(shè)計(jì)

1） 橋吊PID 控制器設(shè)計(jì)。為了優(yōu)化控制效果，我們將H 魯棒控制作為系統(tǒng)內(nèi)環(huán)控制器。對(duì)輸出位移跟蹤性質(zhì)和擺角抑制問(wèn)題分別設(shè)計(jì)I-PD 與PD 控制作為外環(huán)控制器進(jìn)行優(yōu)化。本文通過(guò)設(shè)計(jì)一種I-PD 和PD 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)橋吊系統(tǒng)的控制。在I-PD 控制器和PD 控制器中均應(yīng)用了特征比例分配法分別對(duì)橋吊小車(chē)的位移與橋吊負(fù)載擺角進(jìn)行了控制。運(yùn)用特征比例分配法的概念中的設(shè)定參數(shù)K 可以提高階躍響應(yīng)的速度，從而減小系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間。

2） PLC 控制程序。PLC 用于實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)、通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)間測(cè)定、將PC 機(jī)輸出的控制電機(jī)速度的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)等基本任務(wù)。PC 機(jī)的任務(wù)是接收傳感器上的信號(hào)，并將這些信號(hào)用于控制，然后向PLC 發(fā)出速度控制的參考輸入信號(hào)。視覺(jué)系統(tǒng)里面的圖像處理用戶(hù)程序可以將拍攝的照片轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)信息。PLC 的控制程序包括主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。主程序主要用于故障檢測(cè)，比如用于檢測(cè)橋架和臺(tái)車(chē)是否撞下限位開(kāi)關(guān)，確保橋架、臺(tái)車(chē)電機(jī)沒(méi)有發(fā)生過(guò)載故障等等。中斷服務(wù)程序的功能是：接收激光測(cè)距儀的模擬信號(hào)，此信號(hào)代表了橋架的位置：將此信號(hào)發(fā)送給PC 機(jī)；從按鈕或者PC 機(jī)接收速度參考信號(hào)，并且將該信號(hào)傳送給變頻器。

3 橋式吊車(chē)裝卸定位防遙控制的原理

針對(duì)橋式吊車(chē)防搖定位控制的要求，基于線性矩陣不等式方法，采用H 魯棒控制結(jié)合I-PD 與PD 控制方法，提出一種基于線性矩陣不等式方法的H 魯棒PID 控制法。該方法對(duì)于像橋式吊車(chē)這樣的欠驅(qū)動(dòng)復(fù)雜系統(tǒng)，為了對(duì)其進(jìn)行在有未知外力或負(fù)載發(fā)生變化等情況下的防搖定位控制，采用H魯棒控制法，將其作為橋吊系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)控制，充分利用魯棒控制器的魯棒性能提升系統(tǒng)對(duì)未知擾動(dòng)情況下的抗擾能力。同時(shí)結(jié)合雙閉環(huán)I-PD 與PD 控制方法作為系統(tǒng)的外環(huán)控制，有效地克服了摩擦力擾動(dòng)、橋吊內(nèi)部參數(shù)變化和外界未知擾動(dòng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真可以看到在橋式吊車(chē)的精確定位和負(fù)載擺角抑制方面具有良好的控制效果。

4 討論

PID 控制是一種誤差控制．其具有不過(guò)分依賴(lài)被控系統(tǒng)模型，控制原理與控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且便于實(shí)時(shí)工作等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的PID 控制對(duì)橋式吊車(chē)這類(lèi)受系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)境變化影響較大的非線性欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制難以取得理想效果。文獻(xiàn)[4]針對(duì)于橋式吊車(chē)的防搖定位問(wèn)題提出了一種基于T-S 模型的橋吊H 控制策略，把系統(tǒng)穩(wěn)定性條件和H 控制轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠼庖幌盗械木仃嚥坏仁絾?wèn)題，該控制方法能夠較好地解決橋式吊車(chē)的小車(chē)定位與減小負(fù)載擺角問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)于橋吊系統(tǒng)的防搖定位控制問(wèn)題，采用基于線性矩陣不等式方法設(shè)計(jì)一種狀態(tài)反饋H 控制結(jié)合PID 控制，在不知道確切給定正數(shù)的值時(shí)，利用LMI 方法通過(guò)設(shè)定值得到橋吊系統(tǒng)的狀態(tài)反饋增益。為了優(yōu)化魯棒控制器的控制效果，在將狀態(tài)反饋H 控制作為系統(tǒng)內(nèi)部控制之后分別加入IPD 與PD 控制器對(duì)橋吊的位移和擺角加以控制。為了突出魯棒控制在有外擾的情況下具有更優(yōu)的魯棒性，在仿真實(shí)驗(yàn)研究中，分別對(duì)PID 控制器與H 魯棒PID 控制器控制的橋吊系統(tǒng)下添加了外界干擾。結(jié)果表明狀態(tài)反饋H 魯棒PID 控制器不僅具有PID 控制的優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)于外界環(huán)境的抗干擾能力更強(qiáng)。同時(shí)表明在橋吊系統(tǒng)中，PID 控制與狀態(tài)反饋H 控制可以較好地融合。