雙起升電磁掛梁起重機(jī)模糊PID 同步控制設(shè)計(jì)與應(yīng)用

許名熠，向斌

（1.湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院防災(zāi)與救援學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151；2.江西工埠機(jī)械有限責(zé)任公司，江西 宜春 331200）

電磁掛梁起重機(jī)又稱電磁掛梁吊，是通過(guò)吊具掛梁下電磁鐵吸取并搬運(yùn)物品的橋式起重機(jī)，主要用于鋼板、鋼坯、棒材捆等尺寸較長(zhǎng)物品的吊運(yùn)，吸取并搬運(yùn)重物，在鋼鐵、冶金、物流等行業(yè)應(yīng)用廣泛［1］。電磁掛梁吊在吊運(yùn)板材時(shí)，由于板材長(zhǎng)度較長(zhǎng)，其起升機(jī)構(gòu)一般采用雙卷筒、雙吊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式，此時(shí)必須保證在作業(yè)中兩個(gè)吊點(diǎn)的同步，避免在吊裝時(shí)吊重傾斜脫落發(fā)生事故。目前的結(jié)構(gòu)形式多為一臺(tái)電機(jī)通過(guò)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)卷筒，實(shí)現(xiàn)吊點(diǎn)的同步。當(dāng)采用永磁直驅(qū)電機(jī)作為起升機(jī)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)，由于永磁直驅(qū)電機(jī)的為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，沒有減速機(jī)，卷筒和電機(jī)一體式設(shè)計(jì)［2］，兩個(gè)卷筒無(wú)剛性連接，為保證兩個(gè)吊點(diǎn)的同步作業(yè)，需采用控制方法實(shí)現(xiàn)同步。文中主要研究基于位置檢測(cè)的雙起升電磁掛梁起重機(jī)模糊PID同步控制，來(lái)保證兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的起升機(jī)構(gòu)作業(yè)高精度同步平穩(wěn)運(yùn)行。

1 直驅(qū)PMSM雙起升電磁掛梁吊結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)

1.1 直驅(qū)PMSM雙起升電磁掛梁吊結(jié)構(gòu)

直驅(qū)式永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）起升裝置取消了減速機(jī)、聯(lián)軸器和補(bǔ)償軸等，縮短了傳統(tǒng)起重機(jī)力的傳遞路線，避免傳動(dòng)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的斷齒、漏油、斷軸、噪音大的問(wèn)題。將其應(yīng)用在電磁掛梁吊結(jié)構(gòu)中可實(shí)現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化及輕量化，直驅(qū)PMSM雙起升電磁掛梁吊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直驅(qū)PMSM雙起升電磁掛梁吊結(jié)構(gòu)

1.2 基于位置檢測(cè)的雙起升電磁掛梁吊同步控制系統(tǒng)

采用直驅(qū)PMSM雙起升機(jī)構(gòu)兩個(gè)電機(jī)分別由一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。每臺(tái)電機(jī)配置一個(gè)絕對(duì)值編碼器安裝在卷筒末端，與卷筒同步旋轉(zhuǎn)，作為位置檢測(cè)傳感器，信號(hào)接入電磁掛梁吊可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。操作指令通過(guò)聯(lián)動(dòng)臺(tái)或遙控器給定，由PLC發(fā)送變頻器信號(hào)給定速度進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，變頻器連接電機(jī)上配的旋轉(zhuǎn)變壓器，作為轉(zhuǎn)速信號(hào)給變頻器做速度閉環(huán)控制用。系統(tǒng)配置顯示屏作為人機(jī)交互界面（Human Machine Interface，HMI），可以進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視及參數(shù)設(shè)定。

圖2 雙起升電磁掛梁吊同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同步控制主要由PLC采集到的絕對(duì)值編碼器信號(hào)，進(jìn)行位置判斷比較，當(dāng)檢測(cè)到兩個(gè)卷筒的位置差異超過(guò)設(shè)定范圍，通過(guò)內(nèi)部算法進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，改變變頻器的速度指令，最終使電磁掛梁吊兩個(gè)吊點(diǎn)的位置差異在允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)構(gòu)的同步控制、安全穩(wěn)定運(yùn)行。

由于直驅(qū)PMSM結(jié)構(gòu)形式的起升機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，在程序控制采用普通PID調(diào)節(jié)容易發(fā)生振蕩及超調(diào)，以致吊點(diǎn)偏差過(guò)大導(dǎo)致起升系統(tǒng)無(wú)法動(dòng)作，甚至給作業(yè)帶來(lái)安全隱患［3］。文中采用模糊PID控制算法，通過(guò)位置誤差的輸入進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 雙起升電磁掛梁吊模糊PID控制算法設(shè)計(jì)

2.1 模糊PID同步控制系統(tǒng)原理

模糊控制是基于模糊算法的一種優(yōu)化控制算法，依靠試驗(yàn)獲得的現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)或者專家指導(dǎo)的策略形成規(guī)則，進(jìn)而控制輸入和輸出，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜非線性大慣量系統(tǒng)的模糊控制。模糊控制的算法核心是模糊處理和模糊推理，其中模糊處理包括模糊化和清晰化［4］。雙起升模糊PID同步控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 雙起升模糊PID同步控制系統(tǒng)原理圖

雙機(jī)構(gòu)同步模糊PID控制器的目標(biāo)是控制變頻器的給定速度，再通過(guò)變頻器內(nèi)部的速度閉環(huán)實(shí)現(xiàn)精確控制，從而保證電機(jī)的精準(zhǔn)定位以及兩個(gè)吊點(diǎn)的同步運(yùn)行。模糊控制主要是把模糊化后的系統(tǒng)偏差e及偏差變化率ec（de／ dt）作為輸入，按照已制定好的模糊規(guī)則表，通過(guò)模糊化、模糊推理、清晰化得到精準(zhǔn)的控制量u，同時(shí)獲取PID控制參數(shù)的增量ΔKp、ΔKi、ΔKd，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PID 3個(gè)控制參數(shù)的調(diào)整，完成Kp、Ki、Kd的自動(dòng)調(diào)節(jié)［5］。

2.2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器的輸入變量為系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec，輸出量ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊子集均設(shè)為｛NB NM NS Z PS PM PB｝，隸屬度函數(shù)為三角形函數(shù)，誤差論域?yàn)椋?1，1］。設(shè)誤差變化率ec的論域?yàn)椋?100，100］，采用Mamdani推理規(guī)則執(zhí)行模糊運(yùn)算［6］。模糊規(guī)則如表1所示。

表1 模糊規(guī)則表

3 雙起升電磁掛梁吊模糊PID控制算法應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 直驅(qū)PMSM應(yīng)用在電磁掛梁吊的控制特點(diǎn)

直驅(qū)PMSM應(yīng)用在起重機(jī)上具有啟動(dòng)停止平滑、調(diào)速范圍廣、零速制動(dòng)、電機(jī)短路保護(hù)、帶載啟動(dòng)不下滑、精準(zhǔn)定距點(diǎn)動(dòng)、載荷與速度關(guān)系防誤操作、超載保護(hù)精度99%以上、電機(jī)過(guò)熱保護(hù)、帶空鉤自學(xué)習(xí)功能的特點(diǎn)。針對(duì)電磁掛梁吊雙起升應(yīng)用，控制系統(tǒng)采用雙電機(jī)獨(dú)立控制，可實(shí)現(xiàn)單動(dòng)聯(lián)動(dòng)的切換選擇，應(yīng)用靈活，更適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)使用工況。雙機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)帶反饋的閉環(huán)控制，保證雙機(jī)聯(lián)動(dòng)時(shí)的同步精度。

在同步控制狀態(tài)下系統(tǒng)以位置控制為目標(biāo)，保證兩臺(tái)起升機(jī)構(gòu)卷筒的出繩量（或收繩量）在一定范圍內(nèi)相同，當(dāng)出繩量（或收繩量）差異超過(guò)設(shè)定值時(shí)（取決于系統(tǒng)要求，最小值取決于機(jī)械誤差及系統(tǒng)響應(yīng)），降低出繩量（或收繩量）大的機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度，以縮小出繩量（或收繩量）的差異。當(dāng)此差異值回到運(yùn)行范圍內(nèi)，即停止調(diào)平，正常運(yùn)行。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)編碼器信號(hào)并判斷條件，保證兩個(gè)起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行同步（參見圖3）。

3.2 QC25+25t電磁掛梁吊PMSM參數(shù)

QC25+25t電磁掛梁吊采用2個(gè)相同配置的PMSM，其電機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2 25t PMSM電機(jī)參數(shù)表

3.3 雙起升電磁掛梁吊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用西門子S7-1200作為主控制器（擴(kuò)展1個(gè)CM1243-5DP主站模塊），配置1個(gè)西門子KTP700觸摸屏作為HMI，位置檢測(cè)編碼器采用倍加福（Pepperl-Fuchs）DP總線式多圈絕對(duì)值編碼器（型號(hào)為：PVM58N-011AGR0BN-1213,單圈分辨率13位），采用國(guó)產(chǎn)75kW起重專用矢量變頻器，構(gòu)建高效低成本的DP和PN雙網(wǎng)絡(luò)總線式控制系統(tǒng)。變頻器的速度給定由模擬量信號(hào)輸入（AI），系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 雙起升電磁掛梁吊控制系統(tǒng)組成

3.4 雙起升電磁掛梁吊同步模糊PID控制應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成電控系統(tǒng)，將雙起升同步模糊PID控制算法通過(guò)PLC控制器編程實(shí)現(xiàn)，在QC25+25t雙起升電磁掛梁吊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)機(jī)型見圖5。位置檢測(cè)絕對(duì)值編碼器的安裝需與卷筒實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)，如圖6所示。

圖5 雙起升電磁掛梁吊同步控制實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖6 位置檢測(cè)絕對(duì)值編碼器安裝

進(jìn)行同步測(cè)試，在PLC界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控及記錄，起重機(jī)檔位從1檔到最4檔，對(duì)應(yīng)變頻器設(shè)定為8Hz、20Hz、35Hz、50Hz，實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示。

以起升機(jī)構(gòu)開始運(yùn)行時(shí)的偏差為原始穩(wěn)定偏差y0（單位：mm），運(yùn)行中的電機(jī)1絕對(duì)位置yh1與電機(jī)2絕對(duì)位置yh2之差x與原始穩(wěn)定偏差y0進(jìn)行比較，得到誤差e。

根據(jù)圖7中雙起升同步運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)曲線，運(yùn)行時(shí)雙起升機(jī)構(gòu)的出繩誤差在-2mm～4mm之間，大部分時(shí)間能夠穩(wěn)定在±3mm以內(nèi)，在切換檔位時(shí)，誤差較大，但通過(guò)控制調(diào)節(jié)，誤差能夠收斂到±3mm以內(nèi)，滿足現(xiàn)場(chǎng)工作的要求。

4 結(jié)論

采用直驅(qū)PMSM的雙起升電磁掛梁吊，雙機(jī)構(gòu)可獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)靈活吊裝，作業(yè)適應(yīng)性更強(qiáng)，在雙機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)需要通過(guò)外部傳感器進(jìn)行位置檢測(cè)，通過(guò)控制器調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行頻率實(shí)現(xiàn)同步。文中采用模糊PID控制算法，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙起升電磁掛梁吊同步精確控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能及模糊PID控制的誤差控制，測(cè)試中，控制系統(tǒng)能夠在換檔和高速運(yùn)行時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，誤差能夠穩(wěn)定控制在±3mm以內(nèi)，避免吊點(diǎn)偏差過(guò)大吊重偏載引發(fā)的作業(yè)安全。由于系統(tǒng)配置的絕對(duì)值編碼器采集的是卷筒出繩量，不能直接檢測(cè)吊點(diǎn)的位置偏差，沒有考慮起重機(jī)主梁變形、鋼絲繩受力變形差異等因素的影響，仍然存在一定系統(tǒng)誤差。