起重机双马达同步控制策略分析

刘勇求

（广东科技学院，广东 东莞 523083）

0 引言

液压起升系统是起重机重要的组成部分，它的安全性、可靠性直接决定了整机的工作性能。为了保证起升安全，大型起重机常采用两个马达共同提升一个负载，这就要求两个马达的转速一致，或者转速差在一定的范围内。但由于泄漏，摩擦等因素的影响，常出现同步误差，使起重机的工作状态发生改变，容易引起安全事故。基于此，通过分析起重机起升系统动态特性，找出影响其同步的因素，并把模糊控制与传统PID控制相结合，提出一种模糊PID控制方法用于起重机起升系统。仿真及实验结果表明了该控制方案能提高起重机控制精度。

1 起重机起升系统动态特性分析

1.1 起升系统结构

本文所研究的起重机起升系统由两组独立泵控马达系统组成，以其中一个独立的系统为研究对象，结构主要由变量泵，变量马达、电磁换向阀，平衡阀等元件组成，如果1所示。

图1 起重机起升系统结构

1.2 起升系统的数学模型

由流体力学可知，假设变量马达排量不变，此时若要实现马达速度同步，只需改变变量泵的排量即可，液压泵变量机构由比例阀和变量油缸组成，建立数学模型。

（1）液压缸的流量连续性方程：

式中：

V1—液压缸无杆腔容积；V2—液压缸y有杆腔容积；Cig—液压缸内泄漏系数；Ctg—液压缸内泄漏系数；Q1，Q2—液压缸进、回油腔流量；βe—液压油弹性模量。

（2）液压缸受力平衡方程：

式中：

m—活塞与负载的质量和；B—粘性阻尼系数；X—活塞位移；FL—负载力；K—弹簧刚度；A—活塞有效工作面积。

（3）阀芯动态平衡方程：

式中：

mν—阀芯质量；Ki—电流力增益；I—控制电流；Ky—位移力增益；Y—阀芯位移；Kν—弹簧刚度；Bν—为阻尼系数。

2 双马达同步控制技术研究

2.1 模糊PID控制

传统PID控制结构简单，易于实现，但是参数不能在线调整，所以应用范围受到一定限制。为了获得更好的控制效果，补偿同步系统因时变性和非线性带来的同步误差，在PID参数的整定中应用模糊推理。图2为模糊PID控制器结构。

模糊控制器的基本原理：是将输入的数字信号经过模糊化模块变成模糊量，送入含有模糊规则的模糊推理模块，经过近似推理得出结论—模糊集合，然后反模糊化化模块变成清晰量，再输入到下一级去调节被控对象。

图2 模糊PID控制器结构

2.2 模糊控制规则

选取两个马达转速偏差e和偏差变化率ec为模糊控制器的输入变量，ΔKp，ΔPi，ΔPd为输出变量。在保证系统稳定的前提下，充分考虑系统的抗干扰能力和响应速度，其制定模糊控制规则如表1～3所示。

表1 模糊控制规则表

表2 Ki模糊控制规则表

表3 Kd模糊控制规则表

3 仿真分析

把模糊PID控制策略应用于双马达液压起升系统，并与传统PID控制相对比，进行MATLAB仿真。在仿真过程中，以两个马达的工作压力仿真目标，选取变量泵排量为135mL／r，发动机的转速1000r／min，吊重5000kg，结果如图3，图4所示

图3 传统PID控制仿真曲线

图4 模糊PID控制仿真曲线

从仿真结果可以看出，在同步控制过程中，两种控制策略控制效果都较为理想。与传统PID控制策略相比，模糊PID控制策略具有更高的控制精度和响应速度快等优点。

4 实验研究

以某大型起重机为研究对象，对控制方法的实用性仿真分析的正确性进行验证，采用进行实验参数与仿真相同，其实验结果如图5，图6所示。

图5 传统PID控制实验曲线

图6模糊PID控制实验曲线

5 结论

通过对双马达液压起升系统的动态特性进行分析，找出各参数之间的关系，为控制变量的选取提供依据。把模糊控制与传统PID相结合，提出模糊PID控制策略，从而克服了传统PID控制策略不能在线整定的缺点。仿真和实验结果表明，该方法具有较好的动态响应特性和稳态特性，控制精度高，达到设计预期。

［1］ 温有东.电动汽车用永磁同步电机的研究 ［D］.黑龙江：哈尔滨工业大学，2012.

［2］ 张峰.纯电动汽车用永磁同步电机控制器的研究 ［D］.江西：南昌大学，2013.

［3］ 佟诚德.电动车用复合结构永磁同步电机控制系统的研究 ［D］.黑龙江：哈尔滨工业大学，2009.

［4］ 吴世华电动汽车用永磁同步电机设计方法及相关问题的研究 ［D］.黑龙江：哈尔滨工业大学，2010.

［5］ 张达伦，桥式起重机的选型策略分析 ［N］.辽宁工程技术大学学报，2007.