大型構件計算機控制液壓同步提升系統(tǒng)的實時控制算法

1、大型構件計算機控制液壓同步提升系統(tǒng)的實時控制算法      1引言 2液壓同步提升及計算機控制原理四個液壓頂升油缸的同步控制是通過自整角機組測量油缸間的相對位移偏差實現(xiàn)的（見圖1 ）。圖1四缸同步頂升控制系統(tǒng)原理圖 四油缸1、2、3、4中1缸為主令缸，其比例閥電流設為恒定。它通過齒條齒輪帶動自整角發(fā) 訊機，2缸、3缸、4缸則通過齒條齒輪帶動自整角變壓器。2、1（3、1及4、1）兩缸的位移 偏差以自整角變壓器激磁線圈上的電壓反應出來。將該偏差交流電壓進行相敏解調變成直流 后，經(jīng)A/D變換輸入微機，通過微機數(shù)字調節(jié)運算，再經(jīng)D/

2、A變換和功率放大后控制電液比 例 調速閥的開度，從而調節(jié)2、3、4缸的運動速度，達到與1主令缸同步目的。因此，同步頂升 系統(tǒng)為一速度控制的位置反饋閉環(huán)系統(tǒng)。液壓同步提升系統(tǒng)的工作裝置都是液壓驅動的，其液壓提升原理如圖2所示。液壓系統(tǒng)由提 升主系統(tǒng)和錨具輔助系統(tǒng)組成。錨具輔助系統(tǒng)主要用于錨具油缸的松錨、緊錨動作。主液壓 系統(tǒng)由主電機、主液壓泵、電磁換向閥、溢流閥、電液比例流量閥橋式換向回路、主閥塊、 提升油缸等組成。圖2大型構件同步提升液壓系統(tǒng)原理 主液壓缸在同步頂升和同步下降時都要有相同的同步位置精度，因為電液比例流量閥不能實 現(xiàn)雙向調速，為簡化控制系統(tǒng)，降低造價，采用了液壓橋式換向

3、回路，以實現(xiàn)主液壓缸的雙向速度控制。主液壓缸需要在一定的行程內往復運動，它通過軟管進、回油，但一旦軟管爆裂，后 果將不堪設想。為確保安全，在每個主液壓缸的缸體上都安裝了液控單向閥，這不僅解決了 安全問題，還為頂升作業(yè)帶來了方便，可以允許主液壓缸能在任何位置停留，這在施工過程 中是十分必要的。 為了便于系統(tǒng)調試和同步下降控制，調試主系統(tǒng)通過相應的兩位四通常開式電磁截止閥來實 現(xiàn)主油缸的單缸操作閉鎖。 3實時計算機控制算法（1）一般PID控制算法PID調節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結構改變 靈活（PI、PD、）。長期以來被廣大科學技術人員及現(xiàn)場操作人

4、員所采用，并積累了大量 的 經(jīng)驗。過去PID的調節(jié)規(guī)律完全由DDZ單元組合儀表完成?，F(xiàn)在可以方便地由程序在微機上實 現(xiàn)。連續(xù)系統(tǒng)PID調節(jié)器為對誤差的比例、積分和微分控制，即 或 式中：Ti、Td分別為積分和微分時間常數(shù)；Kp、Ki、Kd分別為比例系數(shù)、積分 系數(shù)、微分系數(shù)。在計算機控制系統(tǒng)中使用的是PID數(shù)字調節(jié)器，就是對式（1）離散化 ，令 式中，T是采樣周期。由式（1）與式（3）可得 式（4）稱為位置式PID控制算法。在PID控制中，比例作用Kp加大將會減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。積分 控制可用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，因為只要存在偏差，它的

5、積分所產生的信號總是用來消除 穩(wěn)態(tài)誤差的，直到偏差為零，積分作用才停止。微分控制的作用，實質上是跟偏差的變化速 度有關，并且能在偏差達到很大值以前，就產生控制作用。微分控制能夠預測偏差，產生超 前的校正作用。因此，微分控制可以較好地改善動態(tài)性能。位置式PID數(shù)字調節(jié)器的輸出u（kT）是全量輸出，是執(zhí)行機構所應達到的位置，數(shù)字 調節(jié)器 的輸出跟過去的狀態(tài)有關，計算機的運算工作量大，需要對e（kT）作累加，而且計算機 的 故障很有可能使u（kT）作大幅度的變化，這種情況往往是生產實踐中不容許的，而且有 些 場合可能會造成嚴重的事故，因此增量式PID控制較位置式PID控制有廣泛的應用。所謂增 量式P

6、ID是指數(shù)字調節(jié)器的輸出只是增量u（kT）。 增量式算式中不需要作累加，增量只跟最近的幾次采樣有關，容易獲得較好的控制效 果。由于式中無累加，消除了當偏差存在時發(fā)生飽和的危險。在液壓同步提升系統(tǒng)的控制中，按式（5）的控制量u（kT）為計算機輸出的脈沖寬度 調制PWM，用于控制電液比例流量閥的電流，從而達到控制進入主液壓提升缸的流量即 同步 提升速度的目的。實際的工程實踐表明：積分項是不能加的，因此，Ki=0.設Kd=0，則 式（5）變?yōu)?#160;即 根據(jù)（7）式的算法在大型構件液壓同步提升試驗臺2上進行計算機實時控制試 驗得到的液壓缸 位置誤差及計算機輸出PWM變化曲線如

7、圖3中曲線1所示?？梢钥闯觯赫`差變化和PWM變化都 很 大，在同步提升過程中，結構件就象搖船似地被提升。因此，這樣的算法不能在現(xiàn)場施工中 使用，必須加以改進。(a)一般PID控制(b)雙限幅PID控制圖3兩種控制算法實時控制效果對比（2）改進的PID算法-雙限幅PID控制算法雙限幅PID控制算法是在PID控制算法基礎上改進得到的。它的基本思想是：由于調節(jié) 過程極快（10ms），如果每次PWM的變化太大的話，將造成比例閥超調。且由于比例閥的滯 環(huán)特性的影響，比例閥對電流的變化有一個滯后的響應過程。因此，在調節(jié)過程中要盡量避 開滯環(huán)的影響。也就是在一階段調節(jié)過程中比例閥的電流只能單調地增加或單調地

8、減少。比 如在液壓同步上升時，當高差為負的時候，說明此吊的提升速度比主令吊點提升速度慢。它的比例閥電流需要加大，但每個循環(huán)的PWM的增加是 有限的，即PWM(kT)=PWM(kT-T)+C（8） 式中，C為一固定值。  這樣就限制了每次循環(huán)（采樣時間）中PWM的增加量或減少量。另外，把比例閥的初始設 定P WM與根據(jù)當前誤差計算出的PID控制算法的控制增量相加之和作為這一循環(huán)比例閥電流增加 的最大限值。因此，隨著比例閥電流的不斷增加，誤差越來越小，根據(jù)誤差計算出的控制增 量也就越來越小，當某一循環(huán)比例閥的電流值等于比例閥初始設定PWM與控制增量之和時， 調節(jié)過程結束，系統(tǒng)達

9、到一個平衡狀態(tài)，維持一定的靜差。當高差為正時，調節(jié)過程與上述 步驟相反。根據(jù)這種控制思想進行的液壓同步提升實時試驗得到的曲線如圖3中曲線2所示。從圖中可以 看 出：與一般PID控制算法相比液壓缸的位置誤差和計算機輸出的PWM的變化都小得多，結構件 在提升過程中也顯得非常的平穩(wěn)。因此，這是一種非常實用的控制算法。 4結論大型構件液壓同步提升系統(tǒng)是一個龐大的物理系統(tǒng)，它綜合了機械、液壓、計算機、控制論及傳感器等多項技術。計算機控制系統(tǒng)的控制算法和控制策略是其關鍵技術之一，在經(jīng)過艱苦的探索和試驗后，上述雙限幅PID控制算法已成功地應用于多項國家重點工程的建設和施工中，是一種很有效的計算機控制算法。作者單位:陳健廣東工業(yè)大學機電系，廣州510643；徐鳴謙同濟大學機