CN107487717B - 基于模糊pid控制的起重机智能防摇控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模糊PID控制的起重机智能防摇控制系统,主要包括模糊PID控制器、工控机、工业相机、起升编码器、人机界面、小车编码器和大车编码器,其中人机界面与模糊PID控制器相连,工业相机安装在起升运行机构下方,起升编码器安装于起升卷筒一端,小车编码器和大车编码器分别安装在小车和大车上;起重机包括起升运行机构、小车运行机构、大车运行机构,其中起升运行机构与起升电机和起升变频器连接,小车运行机构与小车电机和小车变频器连接,大车运行机构与大车电机和大车变频器连接,且起升变频器、小车变频器和大车变频器与模糊PID控制器相连。本发明还公开了基于模糊PID控制的起重机智能防摇控制方法。本发明能实现起重机大、小车移动位移的精确控制和负载偏摆角度的有效抑制。
Description
技术领域
本发明涉及一种起重机控制方法,具体涉及一种基于模糊PID控制的起重机智能防摇控制方法,属于起重机控制技术领域。
背景技术
起重机作为一种高效的物流运输工具,运输效率高,适应性强,广泛应用于工厂车间、货运码头、冶金工业场所,其主要由大车运行机构、小车运行机构和起升运行机构等组成。负载搬运过程中起升运行机构通过钢丝绳将负载吊起,在负载起升到安全高度后,大、小车开始运行,当到达目标位置时,起升运行机构动作放下负载。由于起重机系统为欠阻尼柔性系统,负载在搬运过程中大、小车的加速或者减速将导致负载偏摆,特别是大、小车运行速度的加快和起吊绳长的增加,使得负载的偏摆角度和偏摆幅度不断增大,严重影响了起重机的安全性,威胁周围设备和工作人员的安全。同时,负载的长时间偏摆,降低了起重机的工作效率和运行稳定性。因此为抑制起重机负载的偏摆,国内外学者做了广泛而深入的研究。
起重机防摇技术的研究经历了机械式防摇、机械电子式防摇和电子式防摇三个阶段。其中机械式防摇通过改进或加装机械或液压装置,利用能量消耗的方式抑制起重机偏摆,实现简单,技术成熟,但系统结构复杂、体积大、维修保养工作量大。目前国内应用的防摇方式主要是机械式防摇。机械电子式防摇是在起重机现有机械系统的基础上,通过改变系统阻尼和钢丝绳刚性了来抑制负载的偏摆,具体的为通过将负载快速起升到设定位置,然后使悬挂系统变为刚性,待到达目标位置时再放下负载。这种防摇方式在起重机安装位置较高时,负载必须起升较大高度,在负载质量较大时将存在较大安全隐患,不属于真正的自动化控制。电子式防摇利用先进传感器采集起重机运行状态数据,基于控制算法实现起重机的智能防摇控制。目前关于电子式防摇,国内研究学者做了大量的研究和尝试,但大部分工作是关于防摇控制算法的设计和仿真,真正可以工程应用的很少。
发明内容
本发明旨在提供一种基于模糊PID控制的起重机智能防摇控制系统,实现起重机的精确定位和智能防摇,提高防摇控制系统抵抗外界干扰和起重机系统参数变化的适应能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
基于模糊PID控制的起重机智能防摇控制系统,主要包括模糊PID控制器1、工控机2、工业相机3、起升编码器5、人机界面8、小车编码器14和大车编码器15,其中人机界面与模糊PID控制器相连,工业相机3安装在起升运行机构下方,起升编码器5安装于起升运行机构的起升卷筒一端,小车编码器14和大车编码器15分别安装在小车和大车上。起重机包括起升运行机构4、小车运行机构13、大车运行机构16,其中起升运行机构4与起升电机6和起升变频器7连接,小车运行机构13与小车电机9和小车变频器10连接,大车运行机构16与大车电机12和大车变频器11连接,且起升变频器7、小车变频器10和大车变频器11与模糊PID控制器1相连。
所述模糊PID控制器包括大车位移模糊PID控制器、小车位移模糊PID控制器和角度模糊PID控制器。
防摇控制系统采用通信方式进行数据传输,具体的为工业相机通过Gige网线接口将采集负载偏摆图像并传递给工控机,起升编码器通过Profinet网线接口测量得到负载起吊绳长数据同样传递给工控机;工控机根据图像处理算法,利用起吊绳长分析得到负载偏摆角度并通过Profinet网线接口传递给模糊PID控制器;同时,大、小车编码器通过Profinet网线接口将测量的大、小车移动位移数据传递给模糊PID控制器,模糊PID控制器根据测量的负载偏摆角度、大、小车位移,基于位移模糊PID和角度模糊PID通过Profinet网线接口分别控制大、小车变频器,实现起重机的精确定位和智能防摇。同时,人机界面与模糊PID控制器通过Profinet网线接口进行数据通信,人机界面的控制手柄可以根据实际需要选择有线或者无线通信方式。
本发明的另一个目的在于提供一种基于模糊PID控制的起重机智能防摇控制方法,具体步骤如下:
步骤1、起重机系统仿真模型建立:根据起重机动力学方程,建立起重机系统仿真模型,并根据实际应用需求确定起重机系统参数,包括大车质量m1、小车质量m2、负载质量m3、起吊绳长l和摩擦系数μ。
步骤2、PID参数整定:通过大车位移模糊PID控制器、小车位移模糊PID控制器和角度模糊PID控制器同时进行控制。基于模糊PID控制器建立包含大车位移模糊PID控制器、小车位移模糊PID控制器和角度模糊PID控制器的防摇控制系统模型,利用计算机仿真得到大车位移模糊PID控制器的比例参数Kp1、积分参数Ki1和微分参数Kd1,小车位移模糊PID控制器的比例参数Kp2、积分参数Ki2和微分参数Kd2,角度模糊PID控制器的比例参数Kp3、积分参数Ki3和微分参数Kd3。
步骤3、模糊控制器的自适应参数调节:根据起重机实际应用情况和专家经验,确定大车位移和大车速度的基本论域分别为[-e1min e1max]、[-ec1min ec1max],小车位移和小车速度的基本论域分别为[-e2min e2max]、[-ec2min ec2max],负载偏摆角度和负载偏摆角速度的基本论域分别为[-e3min e3max]、[-ec3min ec3max],利用基本论域通过量化因子Ke和Kec可以得到输入语言变量论域E、EC;进而选择输入语言变量与输出语言变量的模糊论域均为{-6 -5-4 -3 -2 -1 01 2 3 4 5 6},对应7个模糊语言变量子集{NL,NM,NS,Z0,PS,PM,PL},模糊输入语言变量论域的模糊化通过隶属函数实现;进一步通过模糊规则确定模糊输入语言变量和模糊输出语言变量的关系;最后通过反模糊化可以得到模糊输出语言变量的论域。选择PID参数增量△Kp、△Ki、△Kd的基本论域分别为[-upmin upmax]、[-uimin uimax]、[-udminudmax],将模糊输出语言变量的论域U进行比例转换即可以得到大车位移模糊PID控制器的增量△Kpd、△Kid、△Kdd,小车位移模糊PID控制器的增量△Kpx、△Kix、△Kdx,角度模糊PID控制器的增量△Kpθ、△Kiθ、△Kdθ。最终通过大车位移偏差e1和大车速度偏差ec1可以得到大车位移模糊PID控制器的比例参数增量△Kpd、积分参数增量△Kid、微分参数增量△Kdd,通过小车位移偏差e2和小车速度偏差ec2可以得到小车位移模糊PID控制器的比例参数增量△Kpx、积分参数增量△Kix、微分参数增量△Kdx,通过角度偏差e3和角速度偏差ec3可以得到角度模糊PID控制器的比例参数增量△Kpθ、积分参数增量△Kiθ、微分参数增量△Kdθ。
步骤4、基于模糊PID控制的起重机防摇系统工作过程:由于大车和小车的控制规律相同,以大车方向上的防摇为例来说明防摇系统的工作过程;大车由静止加速,工业相机采集负载偏摆图像信息,并将其传递给工控机,同时起升编码器采集负载起吊高度信息并传递给工控机。工控机基于图像处理算法和测量的负载起升高度得到负载偏摆角度并将其传输至角度模糊PID控制器,通过将其与设定角度做差得到角度偏差,然后角度模糊控制器基于角度偏差和角度偏差变化率,利用模糊控制得到角度模糊PID控制器参数增。进一步角度模糊PID控制器基于角度偏差,利用PID控制参数增量调节PID参数,实现角度变化的自适应调节。同时,大车编码器测量得到大车移动位移信息并将其传输至大车模糊PID控制器,通过将其与输入位移做差得到大车位移偏差,然后大车位移模糊控制器基于大车位移偏差和大车速度偏差,利用模糊控制得到大车位移模糊PID控制器参数增量。进一步大车位移模糊PID控制器基于大车位移偏差,利用PID控制参数增量调节PID参数,实现大车位移变化的自适应调节。最终通过大车位移模糊PID控制器、小车位移模糊PID控制器和角度模糊PID控制器来实现起重机系统的精确定位和智能防摇。
为了实现本发明的顺利实施,提高防摇控制系统抵抗外界干扰和起重机系统参数变化的适应能力,在进行基于模糊PID控制的起重机防摇系统工作过程之前,需要进行如下步骤:
(2)步骤31、初始参数设置和编码器标定:初始参数设置包括大车、小车和起升运行机构的档位速度设置;标定包括大车、小车、起升编码器标定;由于编码器标定原理相同,这里以起升编码器高度标定为例来进行说明。首先控制起升机构起升至一定高度,绳长传感器测量负载起吊绳长为l1,测量负载距地面高度并记录测量值为h1;然后起升机构再次运行,并以设定速度自动运行时间t1后,绳长传感器测量起吊绳长为l2,测量负载距地面高度并记录测量值为h2,则有根据公式计算可得负载起吊绳长和绳长传感器测量值之间的比值a。进一步通过分别控制大车和小车运行设定时间t2后,分别测量负载在大车和小车运动方向上偏摆10个周期的时间并记为t1和t2,则有根据负载偏摆周期计算公式计算可得负载偏摆的有效绳长L3和L4,此时绳长传感器测量起吊绳长为l3,根据公式Δl=|L-l|,计算可得负载偏摆有效绳长和绳长传感器测量起吊绳长之间的差值Δl1和Δl2,进而根据计算差值可以实现绳长传感器测量起吊绳长时的误差补偿。同时,利用了人机交互技术的可视化功能。
步骤32、工业相机标定:如图2所示,由小孔成像模型可以知道物方两点之间的距离与像方上这两点之间的距离存在一个比例关系。当吊钩垂直悬空并处于静止状态时,工业相机采集吊钩图像信息,传入到工控机中进行图像处理,获得吊钩静止悬空时靶标中心的像素坐标Q0,然后向一个确定的方向移动靶标一段确定的距离S,实时采集和处理图像,确定此时吊钩靶标中心的像素坐标Q1。计算像素距离S0=Q0Q1,记录吊钩偏移静止悬空时的实际距离、像素距离,多次试验,拟合出像素距离与实际距离的比例关系,即像素当量。
本发明提出的前述基于模糊PID控制的起重机智能防摇控制方法的具体步骤,应理解只是为了说明本防摇摆控制系统的全部实施过程,在实际应用中只需要根据使用需求在安装调试过程中进行初始设定即可。
本发明根据起重机系统动力学方程,采用位移PID和角度PID的双闭环反馈控制策略,即实现起重机系统大、小车位移的PID闭环反馈控制和负载偏摆角度的PID闭环反馈控制,实现起重机大、小车移动位移的精确控制和负载偏摆角度的有效抑制。同时,利用模糊控制器实现PID控制器参数的自适应调节,提高防摇系统抵抗外界干扰的能力,增加防摇系统对系统参数变化的适应性和鲁棒性。防摇控制系统利用绝对值编码器采集大、小车位移,并反馈至大、小车位移输入端,有效提高了大、小车位移的控制精确性;同时,利用工业相机实时采集负载偏摆图像,绝对值编码器实时采集负载起升高度,并均将其数据传递给工控机,工控机基于图像处理算法,根据负载起升高度得到负载偏摆角度反馈至负载偏摆角度输入端,提高了控制系统的控制准确性。并且采用人机交互技术,实现防摇系统的实时监控,进一步提高防摇控制系统的自动化和智能化水平。
附图说明
图1是基于模糊PID控制的起重机智能防摇系统结构示意图;
图2是防摇控制系统工业相机标定示意图;
图3是基于模糊PID控制的起重机智能防摇系统仿真模型框图;
图4是小车的输入位移曲线与PID控制器和模糊PID控制器作用下的仿真曲线图;
图5是负载在PID控制器和模糊PID控制器分别作用时的偏摆角度曲线。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1~图5所示,本发明基于模糊PID控制的起重机智能防摇控制方法主要包括模糊PID控制器1、工控机2、工业相机3、起升编码器5、人机界面8、小车编码器14和大车编码器15,其中工业相机3安装在起升运行机构下方,起升编码器5安装与起升卷筒一端,小车编码器14和大车编码器15分别安装在小车和大车上。起重机包括起升运行机构4、小车运行机构13、大车运行机构16,其中起升运行机构4与起升电机6和起升变频器7连接,小车运行机构13与小车电机9和小车变频器10连接,大车运行机构16与大车电机12和大车变频器11连接,且起升变频器7、小车变频器10和大车变频器11与模糊PID控制器1相连。
具体的防摇控制过程为:基于模糊PID控制器的起重机智能防摇控制系统的控制过程主要分为大车位移控制、小车位移控制和负载防摇控制三部分。其中采用根据大车输入位移与反馈位移计算得到大车位移偏差e1,此时根据位移偏差e1,通过大车PID控制器控制起重机系统输入位移,且其比例、积分和微分参数分别为Kp1、Ki1和Kd1。同时,根据大车位移偏差e1和偏差变化率ec1,通过大车模糊控制器的得到大车PID控制器的参数增量△Kpd、△Kid、△Kdd。进而得到大车PID控制器的自适应参数Kpd、Kid和Kdd。负载在小车运动方向上的防摇控制规律与大车运动方向上的相同。同理可得,根据负载输入偏摆角度与反馈偏摆角度计算得到负载偏摆角度偏差e3,此时根据偏摆角度偏差e3,通过角度模糊PID控制器,运用负反馈,将偏摆角度偏差来修正起重机系统的大车或小车输入位移,且比例、积分和微分参数分别为Kp3、Ki3和Kd3。同时,根据负载偏摆角度偏差e3和偏差变化率ec3,通过角度模糊控制器的得到角度模糊PID控制器的参数增量△Kpθ、△Kiθ、△Kdθ。进而得到角度模糊PID控制器的自适应参数Kpθ、Kiθ和Kdθ。最终通过大车位移模糊PID控制器、小车模糊PID控制器和角度模糊PID控制器来实现大、小车位移的精确定位和智能防摇。
防摇控制系统采用通信方式进行数据传输,具体的为工业相机通过Gige网线接口将采集负载偏摆图像并传递给工控机,起升编码器通过Profinet网线接口测量得到负载起吊绳长数据同样传递给工控机;工控机根据图像处理算法,利用起吊绳长分析得到负载偏摆角度并通过Profinet网线接口传递给模糊PID控制器;同时,大、小车编码器通过Profinet网线接口将测量的大、小车移动位移数据传递给模糊PID控制器,模糊PID控制器根据测量的负载偏摆角度、大、小车位移,基于位移模糊PID和角度模糊PID通过Profinet网线接口分别控制大、小车变频器,实现起重机的精确定位和智能防摇。同时,人机界面与模糊PID控制器通过Profinet网线接口进行数据通信,控制手柄可以根据实际需要选择有线或者无线通信方式。
所述大车反馈位移、小车反馈位移和负载反馈角度的实现方法:其中大车位移和小车位移的反馈采用编码器实现大、小车实时移动位移数据的采集,并将其传输给大车和小车的模糊PID控制器。负载偏摆角度的反馈基于机器视觉,利用工业相机采集负载偏摆角度图像,并将其传输给工控机,同时安装在起升运行机构卷筒一端的编码器将采集负载起升高度数据并将其传输给工控机,工控机根据图像处理算法,利用测量负载起吊绳长,计算得到负载偏摆角度并将其传输给角度模糊PID控制器。
所述大、小车位移模糊PID控制器和角度模糊PID控制器调节参数的确定:根据起重机动力学方程,建立起重机系统仿真模型,在此基础上建立包含位移PID控制器和角度模糊PID控制器的起重机防摇控制系统的仿真模型,利用计算机仿真完成大、小车位移PID参数的整定和角度PID参数的整定,确定大车位移PID调节参数Kp1、Ki1和Kd1、小车位移PID调节参数Kp2、Ki2和Kd2和角度PID调节参数Kp3、Ki3和Kd3。
所述大、小车位移模糊控制器和角度模糊控制器的实施过程:起重机大车位移模糊控制器具体实现过程为,根据大车位移偏差e1和ec1,将其扩大量化因子的倍数可以得到大车模糊控制器的精确输入,即模糊控制器输入变量的基本论域;进一步利用隶属函数将其进行模糊化得到输入语言变量,进而基于模糊控制规则得到输出语言变量,并将其反模糊化得到模糊控制器的精确输出,即模糊控制器的输出变量的进本论域,将其缩小比例因子的倍数即可得到大车PID控制的参数增量△Kpd、△Kid、△Kdd。小车模糊控制器和角度模糊控制器与大车模糊控制器实施过程相同。
所述大、小车位移模糊控制器和角度模糊控制器的设计:根据起重机实际应用情况和专家经验,确定大车位移和大车速度的基本论域分别为[-e1min e1max]、[-ec1minec1max],小车位移和小车速度的基本论域分别为[-e2min e2max]、[-ec2min ec2max],负载偏摆角度和负载偏摆角速度的基本论域分别为[-e3min e3max]、[-ec3min ec3max],利用基本论域通过量化因子Ke和Kec可以得到输入语言变量论域E、EC,其公式为E=Ke·emax,EC=Kec·ecmax,进而选择输入语言变量与输出语言变量的模糊论域均为{-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 56},对应7个模糊语言变量子集{NL,NM,NS,Z0,PS,PM,PL},模糊输入语言变量论域的模糊化通过隶属函数实现,进一步通过模糊规则确定模糊输入语言变量和模糊输出语言变量的关系;通过反模糊化可以得到模糊输出语言变量的论域,选择大车PID参数增量△Kp、△Ki、△Kd的基本论域分别为[-upmin upmax]、[-uimin uimax]、[-udmin udmax],将模糊输出语言变量的论域U进行比例转换即可以得到大车位移模糊PID控制器的增量△Kpd、△Kid、△Kdd,小车位移模糊PID控制器的增量△Kpx、△Kix、△Kdx,角度模糊PID控制器的增量△Kpθ、△Kiθ、△Kdθ。其中比例转换通过比例因子Ku实现,其公式为u=Ku·U。
所述PID参数的增量型调节原理:由上述PID控制器设计和模糊控制器设计可得经过模糊控制器修正后的PID参数,即大车位移PID参数为Kpd=Kp1+ΔKpd,Kid=Ki1+ΔKid,Kdd=Kd1+ΔKdd;小车位移PID参数为Kpx=Kp2+ΔKpx,Kix=Kix+ΔKix,Kdx=Kd2+ΔKdx;角度PID参数为Kpθ=Kp3+ΔKpθ,Kiθ=Ki3+ΔKiθ,Kdθ=Kd3+ΔKdθ。
本发明的具体实现步骤如下:
(1)起重机系统仿真模型建立:根据起重机动力学方程,建立起重机系统仿真模型,并根据实际应用需求确定起重机系统参数,包括大车质量m1、小车质量m2、负载质量m3、起吊绳长l和摩擦系数μ。
(2)PID参数整定:本发明通过大车位移模糊PID控制器、小车位移模糊PID控制器和角度模糊PID控制器同时进行控制。基于模糊PID控制器建立包含大车位移模糊PID控制器、小车位移模糊PID控制器和角度模糊PID控制器的防摇控制系统模型,利用计算机仿真得到大车位移模糊PID控制器的比例参数Kp1、积分参数Ki1和微分参数Kd1,小车位移模糊PID控制器的比例参数Kp2、积分参数Ki2和微分参数Kd2,角度模糊PID控制器的比例参数Kp3、积分参数Ki3和微分参数Kd3。
(3)模糊控制器的自适应参数调节:根据起重机实际应用情况和专家经验,确定大车位移和大车速度的基本论域分别为[-e1min e1max]、[-ec1min ec1max],小车位移和小车速度的基本论域分别为[-e2min e2max]、[-ec2min ec2max],负载偏摆角度和负载偏摆角速度的基本论域分别为[-e3min e3max]、[-ec3min ec3max],利用基本论域通过量化因子Ke和Kec可以得到输入语言变量论域E、EC;进而选择输入语言变量与输出语言变量的模糊论域均为{-6 -5 -4-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6},对应7个模糊语言变量子集{NL,NM,NS,Z0,PS,PM,PL},模糊输入语言变量论域的模糊化通过隶属函数实现;进一步通过模糊规则确定模糊输入语言变量和模糊输出语言变量的关系;最后通过反模糊化可以得到模糊输出语言变量的论域。选择PID参数增量△Kp、△Ki、△Kd的基本论域分别为[-upmin upmax]、[-uimin uimax]、[-udmin udmax],将模糊输出语言变量的论域U进行比例转换即可以得到大车位移模糊PID控制器的增量△Kpd、△Kid、△Kdd,小车位移模糊PID控制器的增量△Kpx、△Kix、△Kdx,角度模糊PID控制器的增量△Kpθ、△Kiθ、△Kdθ。最终通过大车位移偏差e1和大车速度偏差ec1可以得到大车位移模糊PID控制器的比例参数增量△Kpd、积分参数增量△Kid、微分参数增量△Kdd,通过小车位移偏差e2和小车速度偏差ec2可以得到小车位移模糊PID控制器的比例参数增量△Kpx、积分参数增量△Kix、微分参数增量△Kdx,通过角度偏差e3和角速度偏差ec3可以得到角度模糊PID控制器的比例参数增量△Kpθ、积分参数增量△Kiθ、微分参数增量△Kdθ。
(4)初始参数设置和编码器标定:初始参数设置包括大车、小车和起升运行机构的档位速度设置;标定包括大车、小车、起升编码器标定;由于编码器标定原理相同,这里以起升编码器高度标定为例来进行说明。首先控制起升机构起升至一定高度,绳长传感器测量负载起吊绳长为l1,测量负载距地面高度并记录测量值为h1;然后起升机构再次运行,并以设定速度自动运行时间t1后,绳长传感器测量起吊绳长为l2,测量负载距地面高度并记录测量值为h2,则有根据公式计算可得负载起吊绳长和绳长传感器测量值之间的比值a。进一步通过分别控制大车和小车运行设定时间t2后,分别测量负载在大车和小车运动方向上偏摆10个周期的时间并记为t1和t2,则有根据负载偏摆周期计算公式计算可得负载偏摆的有效绳长L3和L4,此时绳长传感器测量起吊绳长为l3,根据公式Δl=|L-l|,计算可得负载偏摆有效绳长和绳长传感器测量起吊绳长之间的差值Δl1和Δl2,进而根据计算差值可以实现绳长传感器测量起吊绳长时的误差补偿。同时,利用了人机交互技术的可视化功能。
(5)工业相机标定:如图2所示,由小孔成像模型可以知道物方两点之间的距离与像方上这两点之间的距离存在一个比例关系。当吊钩垂直悬空并处于静止状态时,工业相机采集吊钩图像信息,传入到工控机中进行图像处理,获得吊钩静止悬空时靶标中心的像素坐标Q0,然后向一个确定的方向移动靶标一段确定的距离S,实时采集和处理图像,确定此时吊钩靶标中心的像素坐标Q1。计算像素距离S0=Q0Q1,记录吊钩偏移静止悬空时的实际距离、像素距离,多次试验,拟合出像素距离与实际距离的比例关系,即像素当量。
(6)基于模糊PID控制的起重机防摇系统工作过程:由于大车和小车的控制规律相同,以大车方向上的防摇为例来说明防摇系统的工作过程;大车由静止加速,工业相机采集负载偏摆图像信息,并将其传递给工控机,同时起升编码器采集负载起吊高度信息并传递给工控机。工控机基于图像处理算法和测量的负载起升高度得到负载偏摆角度并将其传输至角度模糊PID控制器,通过将其与设定角度做差得到角度偏差,然后角度模糊控制器基于角度偏差和角度偏差变化率,利用模糊控制得到角度模糊PID控制器参数增。进一步角度模糊PID控制器基于角度偏差,利用PID控制参数增量调节PID参数,实现角度变化的自适应调节。同时,大车编码器测量得到大车移动位移信息并将其传输至大车模糊PID控制器,通过将其与输入位移做差得到大车位移偏差,然后大车位移模糊控制器基于大车位移偏差和大车速度偏差,利用模糊控制得到大车位移模糊PID控制器参数增量。进一步大车位移模糊PID控制器基于大车位移偏差,利用PID控制参数增量调节PID参数,实现大车位移变化的自适应调节。最终通过大车位移模糊PID控制器、小车位移模糊PID控制器和角度模糊PID控制器来实现起重机系统的精确定位和智能防摇。
基于模糊PID控制的起重机防摇系统的实施过程(1)~(6)应理解只是为了说明本防摇摆控制系统的全部实施过程,在实际应用中只需要根据使用需求在安装调试过程中进行初始设定即可。
上述试验案例只为更好的说明本发明专利的内在本质,并不能限制本发明的应用范围。基于模糊PID控制的起重机防摇系统采用闭环反馈防摇控制,反馈量包括大车位移、小车位移和负载偏摆角度,根据输入量与反馈量的偏差利用PID控制器实现起重机的防摇控制;同时,根据偏差和偏差变化率,利用模糊控制器得到PID控制器中比例、积分和微分三个参数的增量。进一步基于PID参数的增量型原理,得到模糊PID控制的调节参数,最终通过大车位移模糊PID控制器、小车位移模糊PID控制器和角度模糊PID控制器的同时控制实现起重机的精确定位和智能防摇。
仿真实施例
基于模糊PID控制的起重机智能防摇控制系统利用计算虚拟仿真得到模糊控制器相关参数,本发明主要利用MATLAB实现控制系统的模拟仿真。同时考虑到起重机在大车和小车运动方向上的控制规律相同,以下将以负载在小车运动方向上的防摇控制来说明本防摇控制系统的控制过程。具体的起重机系统参数设置为小车质量m1=1500kg,负载质量m2=-200kg,负载起吊绳长l=10m,摩擦系数μ=0.19。基于模糊PID控制的起重机智能防摇控制系统具体仿真过程为:
1、建立基于模糊PID的起重机智能防摇控制系统仿真模型,主要包括系统位移输入子模块、小车模糊PID控制器子模块、角度模糊PID控制子模块和起重机系统子模块,并依据起重机参数设置起重机系统子模块参数。负载偏摆角度θ=0°;
2、为真是模拟起重机运行过程,系统大车位移输入子模块分别设置了起重机加速减速和加速、匀速、减速两种是输入信号。起重机加速和减速时间设置相同,ta=5s,最大运行速度v=1m/s;
3、通过计算机仿真模拟得到大车位移PID参数Kp2=5、Ki2=0.1、Kd2=10,偏摆角度PID参数Kpθ=5、Kiθ=3、Kdθ=10;
4、根据实际情况与专家意见,当起重机大车采用加速、匀速、减速模式作为输入时,大车位移的基本论域为[-25 25]m,大车速度的基本论域为[-1 1]m/s,负载偏摆角度的基本论域为[-20 20]°,负载偏摆角速度的基本论域为[-36 36]°/s,输出变量比例参数△Kpx、积分参数△Kix、微分参数△Kdx的基本论域分别为[-6 6]、[-0.6 0.6]、[-3 3]。选择输入语言变量与输出语言变量的模糊论域均为{-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6},对应7个模糊语言变量子集{NL,NM,NS,Z0,PS,PM,PL}。则有模糊模糊控制器中大车位移、大车速度、负载角度、负载角度速度的量化因子分别为0.3、6、0.3、6,比例参数、积分参数、微分参数的比例因子分别为1、0.1、0.5。模糊控制规则如表1所示。基于模糊PID控制的起重机智能防摇控制系统,采用加速、匀速、减速模式时的系统输入位移与系统响应位移曲线如图4所示,负载偏摆角度曲线如图5所示。
表1
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述,上述实施例仅为本发明较佳的实施方式,本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,应该理解,本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式,这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (2)
1.一种基于模糊PID控制的起重机智能防摇控制方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤1、起重机系统仿真模型建立:根据起重机动力学方程,建立起重机系统仿真模型,并根据实际应用需求确定起重机系统参数,包括大车质量m1、小车质量m2、负载质量m3、起吊绳长l和摩擦系数μ;
步骤2、PID参数整定:通过大车位移模糊PID控制器、小车位移模糊PID控制器和角度模糊PID控制器同时进行控制;基于模糊PID控制器建立包含大车位移模糊PID控制器、小车位移模糊PID控制器和角度模糊PID控制器的防摇控制系统模型,利用计算机仿真得到大车位移模糊PID控制器的比例参数Kp1、积分参数Ki1和微分参数Kd1,小车位移模糊PID控制器的比例参数Kp2、积分参数Ki2和微分参数Kd2,角度模糊PID控制器的比例参数Kp3、积分参数Ki3和微分参数Kd3;
步骤3、模糊控制器的自适应参数调节:根据起重机实际应用情况和专家经验,确定大车位移和大车速度的基本论域分别为[-e1min e1max]、[-ec1min ec1max],小车位移和小车速度的基本论域分别为[-e2min e2max]、[-ec2min ec2max],负载偏摆角度和负载偏摆角速度的基本论域分别为[-e3min e3max]、[-ec3min ec3max],利用基本论域通过量化因子Ke和Kec可以得到输入语言变量论域E、EC;进而选择输入语言变量与输出语言变量的模糊论域均为{-6 -5 -4-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6},对应7个模糊语言变量子集{NL,NM,NS,Z0,PS,PM,PL},模糊输入语言变量论域的模糊化通过隶属函数实现;进一步通过模糊规则确定模糊输入语言变量和模糊输出语言变量的关系;最后通过反模糊化可以得到模糊输出语言变量的论域;选择PID参数增量△Kp、△Ki、△Kd的基本论域分别为[-upmin upmax]、[-uimin uimax]、[-udmin udmax],将模糊输出语言变量的论域U进行比例转换即可以得到大车位移模糊PID控制器的增量△Kpd、△Kid、△Kdd,小车位移模糊PID控制器的增量△Kpx、△Kix、△Kdx,角度模糊PID控制器的增量△Kpθ、△Kiθ、△Kdθ;最终通过大车位移偏差e1和大车速度偏差ec1可以得到大车位移模糊PID控制器的比例参数增量△Kpd、积分参数增量△Kid、微分参数增量△Kdd,通过小车位移偏差e2和小车速度偏差ec2可以得到小车位移模糊PID控制器的比例参数增量△Kpx、积分参数增量△Kix、微分参数增量△Kdx,通过角度偏差e3和角速度偏差ec3可以得到角度模糊PID控制器的比例参数增量△Kpθ、积分参数增量△Kiθ、微分参数增量△Kdθ;
步骤4、基于模糊PID控制的起重机防摇系统工作过程:由于大车和小车的控制规律相同,以大车方向上的防摇为例来说明防摇系统的工作过程;大车由静止加速,工业相机采集负载偏摆图像信息,并将其传递给工控机,同时起升编码器采集负载起吊高度信息并传递给工控机;工控机基于图像处理算法和测量的负载起升高度得到负载偏摆角度并将其传输至角度模糊PID控制器,通过将其与设定角度做差得到角度偏差,然后角度模糊控制器基于角度偏差和角度偏差变化率,利用模糊控制得到角度模糊PID控制器参数增;进一步角度模糊PID控制器基于角度偏差,利用PID控制参数增量调节PID参数,实现角度变化的自适应调节;同时,大车编码器测量得到大车移动位移信息并将其传输至大车模糊PID控制器,通过将其与输入位移做差得到大车位移偏差,然后大车位移模糊控制器基于大车位移偏差和大车速度偏差,利用模糊控制得到大车位移模糊PID控制器参数增量;进一步大车位移模糊PID控制器基于大车位移偏差,利用PID控制参数增量调节PID参数,实现大车位移变化的自适应调节;最终通过大车位移模糊PID控制器、小车位移模糊PID控制器和角度模糊PID控制器来实现起重机系统的精确定位和智能防摇。
2.根据权利要求1所述基于模糊PID控制的起重机智能防摇控制方法,其特征在于:
在进行基于模糊PID控制的起重机防摇系统工作过程之前,需要进行如下步骤:
(1)步骤31、初始参数设置和编码器标定:初始参数设置包括大车、小车和起升运行机构的档位速度设置;标定包括大车、小车、起升编码器标定;由于编码器标定原理相同,这里以起升编码器高度标定为例来进行说明;首先控制起升机构起升至一定高度,绳长传感器测量负载起吊绳长为l1,测量负载距地面高度并记录测量值为h1;然后起升机构再次运行,并以设定速度自动运行时间t1后,绳长传感器测量起吊绳长为l2,测量负载距地面高度并记录测量值为h2,则有根据公式计算可得负载起吊绳长和绳长传感器测量值之间的比值a;进一步通过分别控制大车和小车运行设定时间t2后,分别测量负载在大车和小车运动方向上偏摆10个周期的时间并记为t1和t2,则有根据负载偏摆周期计算公式计算可得负载偏摆的有效绳长L3和L4,此时绳长传感器测量起吊绳长为l3,根据公式Δl=|L-l|,计算可得负载偏摆有效绳长和绳长传感器测量起吊绳长之间的差值Δl1和Δl2,进而根据计算差值可以实现绳长传感器测量起吊绳长时的误差补偿;同时,利用了人机交互技术的可视化功能;
步骤32、工业相机标定:由小孔成像模型知道物方两点之间的距离与像方上这两点之间的距离存在一个比例关系;当吊钩垂直悬空并处于静止状态时,工业相机采集吊钩图像信息,传入到工控机中进行图像处理,获得吊钩静止悬空时靶标中心的像素坐标Q0,然后向一个确定的方向移动靶标一段确定的距离S,实时采集和处理图像,确定此时吊钩靶标中心的像素坐标Q1;计算像素距离S0=Q0Q1,记录吊钩偏移静止悬空时的实际距离、像素距离,多次试验,拟合出像素距离与实际距离的比例关系,即像素当量。
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