CN109213002B - 一种非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真模型及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真模型及方法，采用的是基于MATLAB面向过程调速控制系统建模方法和基于Adams的多刚体运动分析的变幅工作机构的建模方法，两种模型可以无缝连接，应用此联合模型进行仿真模拟，可以替代实际的非线性动态逆控制的变幅调速系统及变幅运行机构进行性能分析和自动控制研究。
Description
技术领域
本发明属于机械设备及计算机技术领域，涉及一种起重机变幅调速系统仿真模型及方法，特别涉及一种适用于门座起重机的非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真模型及仿真方法。
背景技术
起重机的变幅方式包括小车式和摆动臂架式两种，其中小车式变幅机构中变幅电机的转速与起重机的变幅速度是固定的线性关系，而摆动臂架式变幅机构的变幅电机的转速与起重机的变幅速度之间的关系为非线性：同样的电机转速在不同的幅度下变幅速度呈非线性变化。近年来，人们对摆动臂架式起重机的变幅性能的要求越来越高，传统的简单开环式的调速方式正在逐步被新的智能化的控制方式取代。在新的控制方式下，变幅机构的速度调节不再与当前幅度完全无关，变幅过程中变幅速度的平稳性不再单靠司机根据经验随幅度进行有限的调控，而是在开环的变幅传动与调速系统之外串联一个逆模型控制器，这个控制器随时感应到当前的幅度并根据当前幅度对系统输入进行补偿，使臂架式变幅方式具有与小车式变幅方式几乎相当的线性变幅性能，让司机通过操作手柄获得“所设即所得”的变幅调速性能。如此，臂架式起重机的变幅调速控制系统就变得非常复杂，控制系统的设计开发的准确性和合理性难以通过较少的设计周期得到完全保证。一方面，这种非线性动态逆控制的变幅调速系统中的逆模型的建立需要繁复的推导和必要的简化，而系统的性能对这个模型的建模误差非常的敏感；另一方面，为进一步提高系统的控制性能，系统中可能需要尝试加入诸如PID式的补偿环节，而其可行性并不能提前保证。因此，对于非线性动态逆控制的变幅调速系统的开发实践，迫切需要在控制系统的设计初步完成后通过仿真的方法检验逆模型的建立是否正确无误，专门的补偿调节器是否达到了预期的效果，整体的变幅性能是否令人满意等。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真模型及方法。
本发明的模型所采用的技术方案是：一种非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真模型，其特征在于：包括调速系统模型和变幅机构模型；
所述调速系统模型模拟的对象包括依次连接的操纵手柄、动态逆模型串联补偿器、PID调节器、变频器和变幅电机，还包括对变幅电机转子转速和变幅电机转子绝对转角进行测量的编码器、反馈装置和变送装置；所述编码器将实际转速通过所述反馈装置反馈给PID调节器，进而调节所述变频器的给定频率；所述编码器还将实际绝对转角通过所述变送装置变送给动态逆模型串联补偿器，进而对操纵手柄产生的输入信号进行串联补偿；仿真时，实际转速与变幅电机的输出转速一致，实际绝对转角由变幅电机输出转速积分而得；
所述变幅机构模型模拟的对象是变幅电机输出轴之后实现变幅功能的工作机构，包括变幅齿轮齿条传动副和四连杆组合臂架；
所述仿真模型把变幅调速系统中的用数学模型表达的动态逆模型串联补偿器直接引用过来，把关键被控对象变频器和变幅电动机及编码器、反馈装置和变送装置用数学环节进行模拟，把变幅机构用Adams模型进行模拟；
所述仿真模型通过不同环节之间的联系以及各环节本身的特性来推导各环节的传递函数或建立恰当的数学方程；
所述环节包括逆模型串联补偿环节、PID补偿环节、变频器和变频变幅电机的等效电气传动环节、变幅机构的Adams模型的变速作用对门座起重机变幅调速造成的迟滞、超调、偏离的影响；
所述仿真模型的输入变量为操纵手柄产生的比例信号，代表期望的变幅速度，仿真模型的输出变量为实际的变幅速度。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定输入变量为操纵手柄产生的期望的变幅速度Vh0，输出变量为由变幅机构Adams模型的运动状态决定的实际变幅速度Vh，根据调速系统的输入与输出确定个环节之间的相互作用关系，构建对象控制流程；
步骤2：定制输入信号；
步骤3：按实际变幅调速系统中的近似动态逆模型建立逆模型串联补偿环节的数学模型；
步骤4：建立变频器的仿真模型，确定该环节的传递函数；
步骤5：建立变幅电机的仿真模型，确定该环节的传递函数；
步骤6：建立变幅电机转子绝对转角测量与变送装置的仿真模型，确定该环节的传递函数；
步骤7：对PID调节器参数进行整定，得出该PID调节器的各项参数；
步骤8：建立变幅机构模型的Adams模型；
步骤9：将调速系统模型与变幅机构模型的Adams模型连接，组成完整的仿真模型进行仿真。
按照上述方法建立的起重机非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真模型可以在MATLAB软件中的SIMLINK模块和Adams仿真平台上直接应用，以获得可以反映变幅调速性能的仿真试验结果。
本发明把基于MATLAB面向过程的调速控制系统模型和基于Adams的多刚体运动分析模型进行无缝连接，建立完整的起重机非线性动态逆控制的变幅调速系统及变幅运行机构的联合模型，可以替代实物进行性能分析和自动控制研究，通过仿真实验可以检验该调速控制方法中的逆模型的建立是否正确无误，专门的补偿调节器是否达到了预期的效果，整体的变幅性能是否令人满意等。
附图说明
图1本发明实施例的非线性动态逆控制的变幅调速系统原理图；
图2本发明实施例的仿真模型输入信号；
图3本发明实施例的各环节传递函数或仿真模型图；其中(a)为动态逆模型，(b)为变频器，(c)为变幅电机，(d)为臂架系统，(e)为绝对转角测量与变送装置；
图4本发明实施例的非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真框图；
图5本发明实施例的仿真曲线图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真模型，包括调速系统模型和变幅机构模型；
调速系统模型模拟的对象包括依次连接的操纵手柄、动态逆模型串联补偿器、PID调节器、变频器和变幅电机，还包括对变幅电机转子转速和变幅电机转子绝对转角进行测量的编码器、反馈装置和变送装置；编码器将实际转速通过反馈装置反馈给PID调节器，进而调节变频器的给定频率；编码器还将实际绝对转角通过变送装置变送给动态逆模型串联补偿器，进而对操纵手柄产生的输入信号进行串联补偿；仿真时，实际转速与变幅电机的输出转速一致，实际绝对转角由变幅电机输出转速积分而得；
变幅机构模型模拟的对象是变幅电机输出轴之后实现变幅功能的工作机构，包括变幅齿轮齿条传动副和四连杆组合臂架；
仿真模型把变幅调速系统中的用数学模型表达的动态逆模型串联补偿器直接引用过来，把关键被控对象变频器和变幅电动机及编码器、反馈装置和变送装置用数学环节进行模拟，把变幅机构用Adams模型进行模拟；
仿真模型通过不同环节之间的联系以及各环节本身的特性来推导各环节的传递函数或建立恰当的数学方程；
环节包括逆模型串联补偿环节、PID补偿环节、变频器和变频变幅电机的等效电气传动环节、变幅机构的Adams模型的变速作用对门座起重机变幅调速造成的迟滞、超调、偏离的影响；Adams模型采用多刚体模型，由调速系统模型的变幅电机转速输出直接驱动，无需进行闭环机电联合仿真；
仿真模型的输入变量为操纵手柄产生的比例信号，代表期望的变幅速度，仿真模型的输出变量为实际的变幅速度。
本发明提供的一种非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真方法，包括以下步骤：
步骤1：确定输入变量为操纵手柄产生的期望的变幅速度Vh0，输出变量为由变幅机构Adams模型的运动状态决定的实际变幅速度Vh，根据调速系统的输入与输出确定个环节之间的相互作用关系，构建对象控制流程；
步骤2：定制输入信号；
本实施例的输入信号为一梯形曲线，包括3段，第1段变幅速度从0加速度接近最高速度，第2段速度维持恒定，第3段速度从恒定速度减速到0。
步骤3：按实际变幅调速系统中用线性插值处理的近似动态逆模型建立逆模型串联补偿环节的数学模型。
步骤4：建立变频器的仿真模型，确定该环节的传递函数；
本实施例中，变频器仿真模型采用一阶惯性环节，并通过MATLAB中的SIMLINK动态模拟方法确定时间常数和增益。
步骤5：建立变幅电机的仿真模型，确定该环节的传递函数；
本实施例中，变幅电机仿真模型也采用一阶惯性环节，并通过MATLAB中的SIMLINK动态模拟方法确定时间常数和增益。
步骤6：建立变幅电机转子绝对转角测量与变送装置的仿真模型，确定该环节的传递函数；
本实施例中，变幅电机转子绝对转角测量与变送装置的仿真模型采用一阶积分环节。
步骤7：对PID调节器参数进行整定，得出该PID调节器的各项参数；
本实施例中，PID控制器参数的整定采用粒子群算法。
步骤8：建立变幅机构Adams模型；
本实施例中，变幅机构Adams模型根据起重机的工程图按照多刚体模型的方式建立。
虽然采用多柔性体的方式建立该模型可以提高机械部分的仿真精度，但会导致建立仿真模型的难度大大提高，还要对上述各步骤中电气控制模块的建模做出更多的假定并降低模拟精度，导致整体的仿真精度不一定能够得到提高，所以采用多刚体模型进行运动分析的模式是最合适的。
步骤9：将调速系统模型与变幅机构Adams模型连接，组成完整的仿真模型进行仿真。
本实施例中，面向过程建立非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真模型，并应用MATLAB软件的SIMLINK模块对变幅电机调速控制系统进行仿真模拟，应用Adams对变幅工作机构的运动特性进行仿真模拟，将SIMLINK模型与Adams模型连接起来，完成对变幅速度的模拟。
以下结合附图对本实施例做进一步的阐述；
图1是非线性动态逆控制的起重机变幅调速系统原理图；非线性动态逆控制的起重机变幅调速系统包括闭环的变幅电机转速控制系统及与其串联的变幅工作机构，后者将电机转速进行非线性变幅运动传递后对变幅速度进行不可控地输出，该运动传递关系可以用比较精确的数学模型表达。对变幅速度的控制而言，这是一个半闭环的控制系统，因为变幅速度不可测量，因而整个变幅调速系统不能构成完全的闭环系统。为了保证变幅速度跟随操纵手柄的设定值成定比例地线性变化，引入一个与变幅工作机构数学模型互逆的逆模型对操纵手柄的设定值进行串联补偿，补偿后的信号为期望的电机转速信号，由此把非线性的变幅过程的调速控制问题转化为对线性的变频电机的转速随动控制问题。PID调节环节可以进一步提高变频电机的闭环随动控制的性能，保证电机的实际转速与由动态逆控制器决定的期望的电机转速趋向一致：当电机的实际转速高于期望的电机转速时，就降低变频器的频率；当电机的转速高于期望的电机转速时，就增加变频器的频率。保证电机的实际转速接近于期望的电机转速，也就保证了最终输出的变幅速度接近于期望的变幅速度。
图2为本实施例的非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真模型的输入信号，它由变幅操纵手柄产生，表示的是期望的变幅速度Vh0。取典型的梯形速度信号作为仿真实验的信号，包括变幅加速、变幅匀速维持和变幅减速三段。根据门座起重机的工作特点，现有的变幅机构的变幅工作速度大致在30m/min到50m/min之间，故梯形信号中匀速维持部分的值可取为45m/min。为便于在MATLAB中实现，该信号由变幅速度单位梯形图信号与45倍的放大倍数相乘而得。在单位梯形图信号中，在第3秒时，速度信号由0开始恒加速，到第7秒时达到最大值；自第7秒开始维持不变；一直到第39秒，开始均匀减速至0，4秒后变幅结束。
图3是本实施例的各环节传递函数或仿真模型图。本实施例的主要是采用基于MATLAB的面向过程的建模方法，仿真模型中把变幅调速系统中的用数学模型表达的控制器部分直接引用过来，把关键被控对象变频器和电动机及传感测量装置用数学环节进行模拟，把变幅机构用Adams模块进行模拟。
本实施例的仿真模型中变频器和电机均采用一阶惯性环节模拟，并采用SIMLINK动态仿真工具来分别辨识该环节的时间常数和增益；PID调节器的参数整定采用粒子群法。用一阶积分环节模拟电机转子的绝对转角测量与变送装置。
本实施例的变幅工作机构的仿真模型采用多刚体Adams模型。Adams由电机调速系统的输出转速驱动，最终输出是臂架端部的水平速度，即变幅速度。
得到各环节的仿真模型后，根据各环节之间的作用关系，得到本实施例的提供的如图4所示的非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真框图。按照此图，在MATLAB的SIMULINK中搭建变幅电机调速系统仿真框图，得到电机转子的转速响应曲线，以该曲线驱动变幅机构的Adams模型，得到变幅速度的响应曲线。图3中T1、T2均为一阶惯性环节时间常数，S为传递函数拉氏变换算子；图4中kp为比例常数，Ti为PID调节的积分时间常数，Td为PID调节的微分时间常数。
图5是本实施例的非线性动态逆控制的变幅调速系统的梯形仿真曲线图。将本实施例的提供的非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真模型用于SIMULINK和Adams中进行仿真，为全面考察系统的变幅性能，用梯形曲线作为期望的变幅速度输入信号，包括开始阶段的匀加速度变幅启动、中间阶段的匀速变幅和末了阶段的匀减速度变幅停止，得出非线性动态逆控制的变幅调速系统的实际输出变幅速度曲线。由图可知非线性动态逆控制的变幅调速系统能够保证实际的输出变幅速度可以稳定、准确、迅速地跟踪给定的变幅速度值，符合良好的起重机操纵性能对变幅速度控制品质的要求。由此可以认为仿真模型的特性基本符合实际采用非线性动态逆控制的变幅调速系统的运行特性。图中还可以看出采用非线性动态逆控制的变幅调速方式可以保证在变幅中段可以保持持续匀速变幅，在变幅操控性和稳定性方面比传统变频变幅调速方式更具优越性。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真模型，其特征在于：包括调速系统模型和变幅机构模型；
所述调速系统模型模拟的对象包括依次连接的操纵手柄、动态逆模型串联补偿器、PID调节器、变频器和变幅电机，还包括对变幅电机转子转速和变幅电机转子绝对转角进行测量的编码器、反馈装置和变送装置；所述编码器将实际转速通过所述反馈装置反馈给PID调节器，进而调节所述变频器的给定频率；所述编码器还将实际绝对转角通过所述变送装置变送给动态逆模型串联补偿器，进而对操纵手柄产生的输入信号进行串联补偿；仿真时，实际转速与变幅电机的输出转速一致，实际绝对转角由变幅电机输出转速积分而得；
所述变幅机构模型模拟的对象是变幅电机输出轴之后实现变幅功能的工作机构，包括变幅齿轮齿条传动副和四连杆组合臂架；
所述仿真模型把变幅调速系统中的用数学模型表达的动态逆模型串联补偿器直接引用过来，把被控对象变频器和变幅电动机及编码器、反馈装置和变送装置用数学环节进行模拟，把变幅机构用Adams模型进行模拟；
所述仿真模型通过不同环节之间的联系以及各环节本身的特性来推导各环节的传递函数或建立恰当的数学方程；
所述环节包括逆模型串联补偿环节、PID补偿环节、变频器和变频变幅电机的等效电气传动环节、变幅机构的Adams模型的变速作用对门座起重机变幅调速造成的迟滞、超调、偏离的影响环节；
所述仿真模型的输入变量为操纵手柄产生的比例信号，代表期望的变幅速度，仿真模型的输出变量为实际的变幅速度。
2.根据权利要求1所述的非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真模型，其特征在于：所述Adams模型采用多刚体模型，由调速系统模型的变幅电机转速输出直接驱动，无需进行闭环机电联合仿真。
3.一种非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真方法，应用于权利要求1所述的非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真模型中；其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定输入变量为操纵手柄产生的期望的变幅速度Vh0，输出变量为由变幅机构Adams模型的运动状态决定的实际变幅速度Vh，根据调速系统的输入与输出确定个环节之间的相互作用关系，构建对象控制流程；
步骤2：定制输入信号；
步骤3：按实际变幅调速系统中的近似动态逆模型建立逆模型串联补偿环节的数学模型；
步骤4：建立变频器的仿真模型，确定该环节的传递函数；
步骤5：建立变幅电机的仿真模型，确定该环节的传递函数；
步骤6：建立变幅电机转子绝对转角测量与变送装置的仿真模型，确定该环节的传递函数；
步骤7：对PID调节器参数进行整定，得出该PID调节器的各项参数；
步骤8：建立变幅机构Adams模型；
步骤9：将调速系统模型与变幅机构Adams模型连接，组成完整的仿真模型进行仿真。
4.根据权利要求3所述的非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真方法，其特征在于：步骤2中，输入信号为一梯形曲线，包括3段，第1段变幅速度从0加速到接近最高速度，第2段速度维持恒定，第3段速度从恒定速度减速到0。
5.根据权利要求3所述的非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真方法，其特征在于：步骤3中，采用线性插值方法确定近似动态逆模型。
6.根据权利要求3所述的非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真方法，其特征在于：步骤4中，变频器仿真模型采用一阶惯性环节，并通过MATLAB中的可视化仿真工具SIMU LINK动态模拟方法确定时间常数和增益。
7.根据权利要求3所述的非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真方法，其特征在于：步骤5中，变幅电机仿真模型也采用一阶惯性环节，并通过MATLAB中的可视化仿真工具SIMULINK 动态模拟方法确定时间常数和增益。
8.根据权利要求3所述的非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真方法，其特征在于：步骤6中，变幅电机转子绝对转角测量与变送装置的仿真模型采用一阶积分环节。
9.根据权利要求3所述的非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真方法，其特征在于：步骤7中，PID控制器参数的整定采用粒子群算法。
10.根据权利要求3所述的非线性动态逆控制的变幅调速系统仿真方法，其特征在于：步骤8中，变幅机构Adams模型根据起重机的工程图按照多刚体模型的方式建立。
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