摘要：大部分橋式起重機都有不同程度的大車跑偏或啃軌現象。工程中通常采用的糾偏方案或多或少都存在控制精度的問題，嚴重的甚至出現重大事故。鑒此情況，本文通過對起重機運行機構使用的自動糾偏方案的分析，并對傳統PID控制器方案和模糊控制器方案的優缺點和適用性進行分析比較，把模糊控制理論應用到起重機糾偏控制系統中，針對起重機運行機構的特點，提出了模糊PID智能糾偏的方案，以達到工業現場實際使用的要求。且系統具有較好的移植性，可以方便的應用在不同型號的橋式起重機上。
關鍵詞:起重機 糾偏  PID控制 模糊控制

Abstract: Most bridge crane has the defect of off-tracking at different level. The accuracy of rectify a deviation method used in practice is not satisfied, even a grave accident is occurred if the rectify a deviation is poor. in this paper, the auto rectify a deviation method applied to the run mechanism of crane is analyzed, the advantage and disadvantage of traditional PID controller and Fuzzy Controller is compared, then, a Fuzzy PID control strategy is presented. This method can reach the request of reality uses, and the portability of this method is fairly good. This Fuzzy PID controller has been used in some crane, the effect of correction is satisfied.
Key words: Crane   Rectify a Deviation   PID Control   Fuzzy Control

1．起重機糾偏的現狀
在現代化大生產中橋式起重機是許多工礦企業必不可少的生產設備。而在橋式起重機的使用中，由于其跨度大、剛度低，使得傳動機構的制造安裝精度難以保證，特別是運行頻繁的起重機其傳動機構的積累誤差更大。導致大部分橋式起重機都有不同程度的大車跑偏或啃軌現象。這極大的威脅著起重機的安全運行同時也會增加運行維護費用。因此，探究啃軌現象發生的原因并加以預防和消除具有十分重要的意義。

    工程上常用的解決方法是采用PID控制的自動糾偏方案，隨著變頻技術的不斷成熟與廣泛應用起重機的大車運行機構己越來越多的選用變頻調速的方案。使用變頻調速技術可以使大車運行機構具有較好的機械特性，良好的起、制動性能，補償機械加工中的不足，使運行更平穩。

    在起重機車架上安裝旋轉編碼器，由旋轉編碼器測量出起重機車架相對于軌道的偏斜角度，傳送到PLC，PLC采用PID算法得出偏移修正輸出并轉換為頻率輸出給剛性腿和柔性腿的兩套變頻器，由變頻器控制電動機調整驅動車輪的行速。設定按起重機的運行速度而改變，糾偏信號的保持周期與采樣間隔時間相等。變頻器在此控制頻率的作用下調整剛性腿（或柔性腿）側的電機，使剛性腿（或柔性腿）側車輪降低行駛速度。從而達到糾正車架偏斜，減少輪緣磨損的目的。

2．PID控制器的控制策略

    在工業過程控制的發展史上，PID控制是歷史最悠久、生命力最強的控制方法。它的原理簡明，參數物理意義明確，理論分析體系完整且應用經驗豐富;具有控制簡單、穩定性能好、易于實現等優點。在控制理論和技術飛速發展的今天，PID控制，對于大多數控制過程都具有良好的控制效果和魯棒性。仍廣泛的應用于冶金、機械、化工等工業過程控制之中。

    起重機運行系統由變頻器和交流電動機組成，作為整體控制對象，其傳遞函數為一階慣性環節。
在傳動系統中電動機軸上的轉矩平衡方程為

    式中:J—電動機和負載折合到電動機軸上的轉動慣量;

T_c—折合到電動機軸上的總負載轉矩。
起重機摩擦總阻力矩:

    但在起重機的運行過程中，由于吊起重物重量不同，小車位置的不同等，造成車輪的輪壓是不確定的。另外還有風阻、軌道的坡度等其他因素也會造成起重機傳動系統的特性發生變化。起重機本身質量較大，大型橋式起重機重量達幾百噸到幾千噸。不同型號的起重機其運動參數也有很大的差別，系統的控制參數也不同。

    因此起重機運行機構是一個大滯后、時變、非線性的系統，隨著負荷變化或干擾因素影響，其對象特性參數和結構發生變化。用準確的數學解析式表示其特性十分困難。我們對于起重機糾偏系統這類難以建立準確的控制模型的被控對象，采用傳統PID控制器這種對控制參數比較敏感的線性控制器達不到很好的控制效果。

    在工業控制過程中經常會遇大滯后、時變、非線性的復雜系統。其中有的參數未知或緩慢變化；有的存在滯后和隨機干擾；有的無法獲得精確的數學模型。使傳統的PID控制暴露出許多不足，最突出的一點就是有關PID參數的問題，使得傳統PID無自適應能力。這主要表現在三個方面:

（1）PID控制器的參數整定必須相對于某一模型己知、系統參數己知的系統;

（2）PID控制器參數一旦整定完畢，便只能固定地適用于一種工況。但事實上大多數的生產過程都具有非線性，且其特性隨時間的變化而變化。顯然固定的一組參數是不能滿足這種變化的。其次傳統的PID控制器的參數只能整定為滿足生產過程控制目標某一個方面的要求。在設計控制系統的過程中人們主要關心的問題是“設定值跟蹤特性”和“干擾抑制特性”，而傳統的PID控制器，只能通過整定一組PID制參數來滿足一個方面的要求。因此常常采用折中的辦法整定控制器參數，這樣得到的控制效果顯然不是最佳的。

（3）雖然現在一些改進型數字PID控制器提高了系統的響應速度、控制精度和控制效果，但是其控制器核心仍然要基于被控過程的精確數學模型。在精確數學模型難以得到或是被控過程具有高階、非線性等特性時控制效果有限。

    在實際調試過程中，系統的控制參數調整比較困難，容易出現超調現象， 導致運行過程中出現扭擺、振蕩，運行不平穩。控制算法的隨意性比較大，系統的控制參數不能適應不同水平剛性的起重機。

3．模糊控制的產生及特點

    模糊控制使以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制，其基本概念是由美國加利福尼亞大學著名教授（L.A.Zadeh）首先提出的，經過幾十年的發展，在模糊控制理論和應用研究方面均取得重大成功。

    模糊控制可以不需被控對象的數學模型即可實現較好的控制，這是因為被控對象的動態特性己隱含在模糊控制器輸入、輸出模糊集和模糊規則中。模糊控制器本質上是一種非線性控制器，它是將輸入量模糊化后根據設計的模糊推理規則進行模糊推理，再把推理結果反模糊化后輸出精確控制量的一種控制方式。

    模糊控制已經廣泛應用在工業過程中，它在實踐中之所以受到工程技術人員的如此歡迎主要歸結為模糊控制器的以下幾個特點:

（1）無須預先知道被控對象的精確數學模型，適用于對那些數學模型不易求取或無法求取的系統，對象越模糊，尤其是大滯后、時變、非線性的復雜系統。這種控制方法就越能反映出它比其它控制方法的優越性。

（2）由于控制規則是以人的經驗總結出來的條件語句表示的，所以即使是對模糊控制理論不熟悉的人來說，也是易學、易掌握的一種控制方法。

（3）由不同的觀點出發，可以設計幾個不同的指標函數。但對于一個給定系統而言，其語言規則是分別獨立的，且通過整個控制系統的協調可以取得總體的協調控制。

（4）易于實現和維護?？梢圆捎肞LC、單片機等來構造模糊控制系統，也可直接采用PLC廠家提供的模糊控制模塊，而且隨著模糊控制系統軟硬件的發展，模糊控制系統的設計變得越來越簡單，成本也越來越低。

4．模糊PID控制器的設計

    通過上面的比較我們發現模糊控制不要求被控對象精確的數學模型，它能避開控制對象的數學模型。而且算法具有一定的智能性， 可以做到有很好的可維護性， 操作的簡便性， 魯棒性， 能通過自學習適應不同運動參數的起重機運行系統。然而，模糊控制的精度受到量化等級的制約。另外，對于普通的模糊控制而言， 它類似于比例微分的控制方式，還有一個非零的穩態誤差， 屬于有差調節。將模糊控制和PID控制器兩者結合起來，發揮兩者的優點。既具有模糊控制靈活而適應性強的優點，又具有PID控制精度高的特點，這種模糊PID控制器。對非線性和時變性的控制對象具有良好的控制效果。完全可以滿足起重機工業現場實際使用的要求。

    模糊控制系統由模糊控制器、執行機構、被控對象、傳感器等環節組成。模糊控制器在模糊自動控制系統中具有舉足輕重的作用。通常按照以下步驟來設計模糊控制器:

（1）確定模糊控制器的結構，即根據具體的系統確定其輸入變量和輸出變量（即控制量），用語言變量進行描述;

（2）設計模糊控制器的控制規則;

（3）用模糊合成推理來描述被控系統輸入、輸出變量間復雜關系的算法特征;

（4）通過模糊關系方程的求解，獲取合適的輸出控制量（反模糊化）;

（5）編制模糊控制算法的應用程序;

（6）合理選擇模糊控制算法的采樣時間。

在工程實際中可以采用以下三種方案：

（1）模糊PID控制器采用與傳統PID控制器相同的硬件結構，用PLC等來組成硬件部分，而在軟件上用模糊PID算法取代原來的PID控制算法，這樣就組成了一個PLC的模糊PID控制系統。顯然采用了這種做法，模糊PID控制器組成簡單、開銷少、靈活性高、應用范圍廣。

（2）使用專用的PLC模糊控制單元。PLC的上位機上安裝模糊支持軟件，用戶不需要專門的編程工具就能對模糊單元編程、建立知識庫，并且還可以在線監視模糊單元的運行狀況。顯然，采用了這種專門的模糊單元方便了用戶，計算機的操作都可以由菜單提示，即使是初學者也能夠很容易掌握。采用專用的硬件模糊控制器是用硬件來直接實現模糊推理，優點是推理速度快、控制精度高；但與使用軟件方法相比，PLC模糊控制模塊成本相對較高，使用范圍受到限制。

（3）PLC的上位機軟件集成開發，運算、顯示（也可加入操作）由上位機完成，電氣控制由PLC完成，尤其可以把主鉤、副鉤、小車等的電氣部分的控制和操作整合起來，系統達到最優。并具有易于整體調試、通用性較好等優點。

    經理論分析、仿真實驗及調試結果證明， 本系統控制性能良好。糾偏控制精度能夠達到設計要求，有較好的抗干擾能力和魯棒性。由于采用了適合于起重機運行系統的模糊控制算法，在系統的控制精度、運行平穩性，系統的可靠性方面都有較大的提高，完全可以達到工業現場實際使用的要求。且系統具有較好的移植性，可以方便的應用在不同型號的橋式起重機上。

5．結論與展望

    在實際生產現場中，由于受到參數整定方法繁雜的困擾，常規PID控制器往往整定不良、性能欠佳，對運行工況的適應性很差。針對這些問題，長期以來，人們一直在尋求PID控制器參數的自動整定技術，以適應復雜的工況和高指標的控制要求。隨著微處理機技術的發展和數字智能式控制器的應用這種設想已變為現實。同時，隨著現代控制理論（諸如智能控制、自適應模糊控制和神經網絡技術等）研究和應用的發展和深入，為控制復雜無規則系統開辟了新途徑。出現了許多新型的PID控制器，如自適應PID、智能PID、模糊PID、神經網絡PID、預測PID等等。對于復雜對象，其控制效果遠遠超過常規PID控制。當把這些成果應用于起重機上時，到時很多常規的操作都可以由起重機自動完成，起重機的智能化將得到很大的發展。目前，在國內外一些自動倉庫里已經出現了一定意義上的全自動起重機。起重機運行機構的智能化作為未來智能起重機的一個重要部分必將得到更大的發展。

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