非线性优化PID控制在桥式起重机防摆中的应用.pdf

《非线性优化PID控制在桥式起重机防摆中的应用.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、盛应用技术非线性优化PID控制在桥式起重机防摆中的应用刘辉黄国健勉智(广州特种机电设备检测研究院)摘要：控制或消除吊重摇摆对提高起重机工作效率、减少装卸作业安全隐患具有重要意义。以桥式起重机为例，建立其非线性模型，对负载摆动的动态过程进行动力学分析，研究负载摆动过程对系统的影响。以此为基础在Simulink环境下设计双闭环机构的PID控制器，通过非线性优化NCD模块对其进行参数优化。实验结果证明：该方法可快速准确确定PID控制器优化参数，5S内可消除摆动，达到满意的控制效果；即使在吊重和绳长发生改变时系统仍具有一定鲁棒性。关键词：非线性优化；桥式起重机；PID控制；防摆：鲁棒性规划法

2、。0引言针对桥式起重机在运行过程中会产生较大的惯桥式起重机是现代生产中一种重要的搬运机械性载荷，在启动和制动的过程中会导致负载摆动的问设备，在各个生产领域都有广泛的应用。然而桥式起题，本文首先建立桥式起重机系统仿真模型，然后借重机在作业过程中，由于小车的加速度和负载的提升助非线性控制系统优化设计的工具箱NCD，快速实动作以及风、摩擦引起的扰动等，产生负载摆动，从现桥式起重机防摆系统参数的优化设计。而在整个系统水平方向上形成周期性的动力学激励，1桥式起重机数学模型建立严重影响工作效率，并增加起重装卸作业安全隐患【1]。若能控制或消除吊重摆角，可实现快速起重机小车精桥式起重机系统中，只有

3、大车和小车在各自方向确定位，从而提高桥式起重机工作效率。PID控制是做水平移动，这两个方向上的运动是自然解耦的，要比例、积分和微分控制的简称I。近年来虽然许多先控制桥式起重机任意位置的防摆，只需要研究小车的进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，运动即可，而大车的控制规律相同。桥式起重机小车对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，广泛应用运行系统模型如图1所示。于冶金化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中[3]o】，PID参数整定方法有Ziegler-Nichols方法、幅值相位裕度设定方法、最优整定以及其它一些方、法【，M但它们局限于线性系统。在MatlabNCD工具箱中提趣

4、车供专门的NCDBlockset用于非线性系统优化设计和()I＼()仿真L5J。该工具箱以Simulink模块的形式，集成基于，图形界面的非线性系统控制器优化设计和仿真功能。非线性规划是在一组等式和不等式约束条件下求一Ij(个函数极值问题。Matlab优化工具箱的函数constr．m：0有效载荷是针对有约束条件的极值问题进行优化计算。它涉及●XKT(Kuhn—Tucker)方程的求解，BFGS(Broyden-Fletcher-Goldfarb．Shanno)【oJ无约束变尺度法和SQP图1桥式起重机简化模型(SequentialQuadraticProgramming)【7J约束序

5、列二次木基金项目：国家质检总局科研项目(20120K069、2014年第35卷第3期自动化与信息工程212013QK265)：广东省安全生产专项(2012—7)；珠江科技新星专项(2013075)。利用拉格朗日力学对系统进行受力分析可得【8】：在Simulink中建立桥式起重机系统仿真模型如图2所示。假设小车质量=5，摩擦系数=l，fM+，+mlsin0+2mlOcos0输入参数(1)、“(2)、zf(3)、(4)、“(5)分别代表、F、+mlOCOS0一mtOsin0+“=F(1)m、，、，其中m、，为可调节参数。210+lO+~cos0+gsin0=0(2)，，+rrfsin0一

6、mlO—mgcos0：(3)其中，为小车质量；m为吊重质量；x为小车位移；F为小车驱动力，g为重力加速度；Fz为钢丝绳提升力；为轨道和小车之间的摩擦系数。考虑到桥式起重机实际工作状况，为研究方便，钢丝绳长度变化忽略不计，即，=，=0，0在0=0附近变化较小，可以取sin0=0，COS0=1，则系统模型可以简化为：f41图2桥式起重机系统仿真模型图(+m)~+mlO+=FlO+5~+gO=：0f52NCD优化PID桥式起重机防摆仿真由式(4)、式(5)联合式可得：将图2所示模型进行封装，以此为被控对象并引F+mgO一戈入小车位置PID控制器PID1作为外环控制，吊重摆：：⋯=—————

7、——————一lolM一角PID控制器PID2作为内环控制，分别对位置输出Jc-F-(M+m)gO一端和摆角输出端各添加一个NCD模块，结构如图3：——／J所示。NCDOutport图3桥式起重机PID双闭环控制结构图22刘辉黄国健勉智：非线性优化PID控制在桥式起重机防摆中的应用取m=2，1=0．8。仿真程序包括2部分：Simulink可以看出，小车位置在5S完成消摆并到达指定位置。程序及初始化的函数程序。在Simulink中双击NCD表3PID优化参数