Fuzzy-PI控制器在钢轨同步吊运系统上的应用

Fuzzy-PI控制器在钢轨同步吊运系统上的应用
田海;王晓红;耿军令
【摘要】针对并车吊运100 m钢轨时要求2车各运行机构严格同步的情况,提出基于PLC的复合模糊PID控制算法,模糊控制器和PI调节器均由PLC编程来实现,既保留了PLC控制系统灵活、可靠、抗干扰能力的特点,还增强了控制系统的动态响应速度和智能化程度.实践结果表明:该系统同步控制精度高、适应性好、抗干扰能力强、鲁棒性好.%For the situation which requires strict synchrony of travelling mechanisms of the two cranes during the 100 m steel rail hoisting with two cranes, the PLC-based composite fuzzy PID control algorithm is proposed, both the fuzzy controller and the PI adjustor are achieved by the PLC programming, which retains the features like flexibility, reliability, and anti-interference capability of the PLE controlling system while strengthens the dynamic response speed and intelligentization extent of the control system. The practice results show that the system has high synchrony control precision, good adaptability, strong anti-interference ability and excellent robustness.
【期刊名称】《起重运输机械》
【年(卷),期】2011(000)002
【总页数】5页(P40-44)
【关键词】控制网络;模糊控制;吊运;同步;系统
【作者】田海;王晓红;耿军令
【作者单位】内蒙古科技大学,包头,014010;内蒙古科技大学,包头,014010;包头钢铁(集团)公司,包头,014010
【正文语种】中文
【中图分类】TM571
对于超长工件的吊装，现有的设备实现单车起吊工作较困难，需要2台吊车并车同步吊运100 m钢轨这样的超长工件。

因此，有必要开发和研制安全性好、动态响应快和同步控制精度高的对应起重设备。

成品100 m钢轨由制造厂通过滚道运输到100 m钢轨生产线末端台架上，因轨钢超长，需要2台磁盘起重机联合并车才能完成吊装和运输任务。

在并车运行时，2台起重机配合操作将成组重轨从台架上吊运到成品库进行堆垛存放，或由成品库吊运到火车上，在吊运成熟的条件下，也可直接从钢轨生产线台架上进行装车。

在此过程中，为避免发生钢轨损伤、变形和掉轨事故，要求2台磁盘起重机的大车机构、小车机构、起升机构必须严格同步运行，保证并车系统有较高的作业效率、操作精度和快速实时的动态响应，由此对2台磁盘起重机并车的电气控制系统、控制方式及软件设计提出了较高要求。

2台桥式起重机 (以下简称桥机)的并车结构如图1所示。

在起重机并车电控系统中，采用Profibus现场总线连接西门子S7系列PLC控制系统，用Profibus总线系统将2个CPU及CPU与各自I/O、变频器、激光测距仪和编码器等从站连接在一起，实现对并车相关设备的控制。

考虑2台桥机既可单车运行，又可并车运行，且操纵方式完全相同，2车控制系统间的通信采用无线通信。

2车的通信协议选取FDL(Field bus Data Link)Profibus通讯方式，它是1种非常方便的PLC－PLC间的数据通讯方式，支持SDA(Send Data with Acknowledge)数据发送应答功能，以保证联动信号的有效传递。

Profibus－FDL 通讯方式具有速率快、传送距离长的特点，在数据传输速率最大为12 M位/s情
况，单段总线长度可达100 m，完全满足2套电控系统间总线长度的工况要求。

由Profibus(FDL规范)总线连接2套控制系统处于平等地位，无主从关系，即采
用的是主站与主站之间的通信方式。

2桥机的 Simatic 300(1)、Simatic 300(2)主站通过CP342－5通讯处理器接口连接无线数传电台连接成FDL网，操作时需要选择好每台桥机操作台上的联动/单动及主动/从动方式选择开关，在2台桥机并车单动方式下，可单独在每台桥机各自的操作台上进行控制，此方式仅在并车运行前调整2台桥机小车与起升机构的相
对零位时使用。

而在2台桥机并车联动方式下，每台桥机均能充当主动桥机。

但2台桥机中只能1台作为主动桥机，1台作为从动桥机，在此方式下可在主动桥机的操作台上同时成组控制2台桥机各机构的起停运行。

2台桥机并车联动运行时，主动桥机上的控制操作指令数据除在本桥机的Profibus现场总线系统设备内传送外，还要通过主动桥机的Simatic 300主站由FDL网络将数据包发送给从动桥机的Simatic 300主站，再由从动桥机的Simatic 300主站进行处理后通过从动桥机的Profibus现场总线系统将控制操作指令数据传送给从动桥机的各个从站，使从动
桥机的各运行机构按主动桥机的同一指令起停运行，同时从动桥机的Simatic 300主站将从其主起升的起升高度、速度与小车运行速度数据通过FDL网络将数据包
发送给主动桥机的Simatic 300主站，与主动桥机的主起升的起升高度、速度与
小车运行速度比较进行Fuzzy－PID调节，以实现主动桥机与从动桥机的大车、小车与主起升机构同步运行。

对于100 m钢轨这样超长工件的吊装，由于2台起重机桥架距离较大 (可达35 m)无法进行2台起重机的刚性连接，铺设通讯电缆也有困难，无法实施短距离的并
车系统，只能采用远程无线并车控制系统来控制2台起重机的并车运行。

1)无线Profibus从站方案
该方案成本较高，可选择种类少，使用时需要硬件组态，它在有线网络中与本地网
络之间的速率可达12 Mbit/s，不影响本地网络的通讯，但无线从站之问的空中速率仅为2 400 bit/s，故无法满足并车同步数据传输控制的要求。

2)无线工业以太网方案
无线工业以太网采用类似移动通讯的手段，在一定距离内建立多个基站，形成小范围无线蜂窝网络，具有通讯速率高 (可达10 Mbit/s)的优点，需要硬件组态，若大车运行距离较远就需多个基站传递数据，技术上可满足要求。

只是考虑到其成本、技术复杂程度及维护等方面未予采用。

3)无线数传电台方案
该方案成本低、建立迅速，可选择种类很多。

其通讯速率也满足设备同步运行时所需大量数据传输的要求，便于地面监控站的建立。

在并车控制系统中，接口采用无线数传电台进行起重机间的高速网络连接，可完全满足控制要求。

在吊运100m钢轨并车同步控制系统中，核心为大车、小车及起升机构的同步。

由于系统控制机构比较复杂，控制精度较高，这对系统的安全性和可靠性提出了比较高的要求。

对于单纯采用PID闭环网络控制的PLC并车系统，在实际运行过程
中发现，在系统起制动和换挡加减速过程中，2台桥机的同步性较差、控制超调量大、调节时间长、控制效果不理想。

为了进一步提高并车系统各机构的同步运行的动态响应和控制精度，闭环控制器采用了Fuzzy－PI控制器。

二维模糊控制器具
有良好的动态性能、鲁棒性强、对参数变化及外界干扰具有良好的适应能力等优点，但存在着稳态误差无法消除的缺点，且在工作点附近容易产生极限振荡。

由线性控制理论可知，积分控制的作用能消除稳态误差，但动态响应慢。

因此将PI控制策
略引入Fuzzy控制器，构成Fuzzy－PI复合控制方式，其主要控制策略是:2台桥
机相应机构位移偏差 (设定1个阈值)较大时采用模糊控制，进行大范围的调节，
以加快响应速度;位移偏差较小，进入稳态过程时，由PLC根据程序判断切换到PI 控制器，消除静差，提高控制的精度。

另外，2种控制方法的结构都相对简单。

因
此从工程应用的角度分析，Fuzzy－PI控制器复合应用的方法具有良好的实用性。

控制切换时机由PLC程序根据事先给定的偏差范围自动实现。

并车同步Fuzzy－PI控制系统如图2所示。

图中PI为常规比例积分调节器，Fuzzy为模糊控制器，二者由控制算法切换开关转换，PI调节器和模糊控制器均
通过PLC编程来实现，这样可明显地提高系统的可靠性，获得良好的控制效果。

该系统各机构的位移同步控制均以主动车相应机构的位置作为跟随目标，采取主、从控制的闭环跟随方式。

主、从机构在某个挡位速度下并车运行时，该挡位对应的固定频率已经以主给定的方式同时加到主、从机构的2台变频器上;相应的Fuzzy
－PI控制器构造于主动车的PLC系统内，通过PI调节器或模糊控制器输出的转速补偿量以附加给定的方式加到从动机构的变频器上，调整其速度以达到主、从机构位移同步的效果，速度调节为基本控制方式，位移同步控制通过速度调节来实现。

对于主起升机构，由于吊具的2个吊点相距较远，每台桥机有2套独立起升机构，在对并车系统的主起升机构进行位移同步控制时，以主动车 (可通过地面监控站任选)上的1个起升机构位移作为跟随目标，其他3个起升机构作为从动机构要通过
各自的Fuzzy－PI控制器的输出值施加转速补偿量进行位置同步跟随。

大、小车
机构的同步控制与主起升机构的控制原理相同，只不过大车机构的同步位移效果是要保持大车的间距为30 m。

图3中的e为偏差，指主车与从车给定值与实际值的差值，主车起升与从车起升
的给定误差值与实际误差值的差值，主车小车与从车小车给定误差值与实际误差值的差值。

ec为偏差的变化率;r为输入量;y为输出量;Ke、Kec分别为偏差和偏差的变化率的量化因子;Ku为输出量化;E、ΔE为量化后的输入值;U为模糊控制的输出量;u为控制量。

根据控制的目标及经验，设定E、ΔE、U的模糊论域及模糊词集，并可得出如下
控制规则:IF E is x And ΔE is y Then U is z式中，x、y、z分别为输入、输出量模
糊词集中的元素。

将输入、输出模糊控制论域都量化设定为7挡:{－3，－2，－1，0，+1，+2，+3}，且令其模糊词集同为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，隶属度函数取三角形隶属函数，通过隶属函数可方便地求得输入语言的赋值表。

利用输入语言的变量的赋值及模糊控制规则，通过合成推理，可得1个模糊控制查询表，见表1。

Fuzzy－PI调节器和模糊控制器均通过安装在主控车上的PLC系统来实现，这样
可明显提高系统的可靠性，节约开发成本。

在控制系统中，选用西门子公司的S7
－300型PLC，CPU315－2DP内集成有多个PID模块(软件构成的PID控制器)，可通过PID编程向导或直接定义和填写PID控制回路参数表，方便地为每个需要
进行同步控制的机构设计1个PI调节器。

为了减少PLC用于模糊控制器算法的程序量，增加系统的实时性，首先借助于Matlab提供的模糊逻辑工具箱直接获取模糊控制查询表 (模糊控制的输出结果)，事先将该表存储于PLC的DB数据块内，系统大偏差范围内进行同步控制时，PLC 根据Fuzzy控制器的输入值再利用事先编好的查表子程序，直接获得模糊控制器
的输出值。

并车同步模糊控制程序设计流程如图4所示。

Siemens S7－300PLC的编程系统Step7提供了丰富的功能模块，为模糊控制算
法的实现提供了方便。

为了简化程序编写量，提高程序的通用性并且方便调试，PLC程序设计采用了模块化编程方法。

主模块OB1实现对子程序块的调用和数据的传递，0B35为中断服务程序模块。

FBl模块为模糊控制器，完成整个模糊控制
功能。

它由FCl～FC4等4个子程序块组成。

其中FCl完成大车位移偏差、小车位移偏差、起升位移偏差e和偏差的变化率ec的计算;FC2进行模糊化处理，即完成精确量e，ec到模糊量E，EC的转换;FC3完成控制量表的查询功能;FC4完成模糊控制量U到精确量u的转化，并输出u。

FBl依次调用4个子模块完成模糊控制各部分的功能，并实现他们之间的数据传递。

FBl模糊控制器编制完成后，保存在
Step 7标准库中，其具有很强的灵活性和通用性，如同Step 7中PID控制器(FB41)一样，方便调用。

针对不同的被控变量，只要对FBl输入输出端进行正确的组态即可对变量进行模糊控制。

数据块DB2作为FBl的背景数据块，存储量化因子Ke、Kec、Ku及其他参数。

程序设计的关键是模糊控制量表的查询部分，即FC3子程序块。

在编程前，将Matlab模糊逻辑工具箱直接获取模糊控制查询表中U的值按由上到下、由左到右的顺序依次置入数据块DBl中。

数据类型为 Word型，首地址为 DBW0，依次为DBW2、DBW4、…、DBW96(U的个数是7×7)。

采用指针寻址的查表方法。

为了简化设计，将输入模糊论域的元素［－3，－2，－1，0， +1，+2，+3］转化为［0，…，7］。

控制量的基址为0，偏移地址为2×(7×EC+E)，由EC和E可确定控制量的绝对地址为0+2×(7×EC+E)。

通过指针变量获得地址中存储的U的模糊值。

然后再通过解模糊运算得出精确控制量u，通过模拟通道输出，从而控制执行机构输出。

本文以桥机的大车、小车、起升机构的同步问题为研究对象，搭建了主从式同步控制系统，采用基于模糊PID的同步控制算法实现对2吊车同步运行系统的研究。

该系统具有模糊控制灵活而适应性强和PID控制精度高的特点。

由实验仿真表明，与常规PID同步控制算法相比，采用模糊PID同步控制算法的系统同步性能更好，速度响应能力和鲁棒性能也都得到了显著的提高，能够较好地满足被控对象高精度的要求，完全满足设计和实际使用要求。

［1］曾光奇，胡均安，王东，等.模糊控制理论与工程应用［M］.武汉:华中科技大学出版社，2000.
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［3］易春晖，李天石，李建华.PLC的数据通讯技术在两台桥机同步并车监控系统中的应用［J］.自动化信息，2005(11).
［4］崔坚，李佳.西门子工业网络通信指南［M］.北京:机械工业出版社，2006. ［5］阳宪惠.工业数据通信与控制网络［M］.北京:清华大学出版社，2003. ［6］龚联方.变频器在桥机上的应用［J］.机械与电子，2008(23).
［7］刘锴，周海.深入浅出西门子S7－300PLC［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.
［8 ］ Ordonez R，Passino K M.Stable Multi—Input Multi—Output Adaptive Fuzzy/Neural Control［J］.IEEE Trans.on Fuzzy Systems，1999，7(3):345－353.
【相关文献】
［1］曾光奇，胡均安，王东，等.模糊控制理论与工程应用［M］.武汉:华中科技大学出版社，2000.
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Abstract:For the situation which requires strict synchrony of travellingmechanisms of the two cranes during the 100 m steel rail hoistingwith two cranes，the PLC-based composite fuzzy PID control algorithm is proposed，both the fuzzy controller and the PIadjustor are achieved by the PLC programming，which retains the features like flexibility，reliability，and anti-interference capability of the PLC controlling system while strengthens the dynamic response speed and intelligentization extent of the control system.The practice results show that the system has high synchrony control precision，good adaptability，strong anti-interference ability and excellent robustness.。