基于DSP的泵控液压缸变频调速系统.pdf

基于 D S P的泵控液压缸变频调速系统 戴长秋罗继庚 武汉工程大学 黄元峰李宁 武汉4 3 0 2 0 5 摘要变频泵控调速系统通过改变输入供电频率来改变电机的转速，从而改变定量泵的排量，实现对液 压缸的速度调节。相比于传统的阀控调速系统，无节流损失，效率高，结构简单 ，精度高，适用于对精度要求 高的大惯量液压提升机械。本文利用智能 I P M模块及 D S P控制器搭建 1 套基于 D S P的泵控液压缸调速系统平台， 通过 D S P输出 S V P WM波控制 I P M模块 ，实现泵控液压缸的变频调速。针对该系统的非线性、变负载等特 性 ，利用模糊 P I D作为系统的控制方案 ，实现 P I D参数的在线 自整定 ，以满足系统对动态特性以及鲁棒性 的要 求 。 关键词 泵控液压缸 ；变频调速 ；D S P ；模糊 P I D；S V P WM 中图分类号 T H 1 3 7 ． 5 1 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 1 1 0 0 0 4 8 04 Abs t r a c tThe p ump -c o n t r o l l e d v a r i a b l e f r e q ue n c y s pe e d c o n t r o l s y s t e m c ha ng e s t he mo t o r s p e e d b y c h a n g i n g t h e i n ． p u t f r e q u e n c y ，t h u s c h a n g i n g t h e c o n s t a n t p u m p d i s p l a c e m e n t a n d a c h i e v i n g t h e s p e e d a d j u s t m e n t o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r ． Co mp a r e d t o c o n v e n t i o n a l v a l v e c o n t r o l l e d s y s t e m ， t h e s y s t e m f e a t u r e s n o t h r o t t l i n g l o s s e s ， h i g h e ffic i e n c y， s i mp l e s t r u c t u r e a n d h i g h p r e c i s i o n， a n d i s s u i t a b l e f o r l a r g e i n e r t i a h y d r a u l i c l i f t i n g ma c h i n e r y wi t h h i g h p r e c i s i o n ． T h e p a p e r b u i l d s a DS P -b a s e d p u mp -- c o n t r o l l e d h y d r a u l i c c y l i n d e r s p e e d c o n t r o l s y s t e m p l a t f o r m wi t h t h e i n t e l l i g e n t I P M mo d u l e a n d DS P c o n t r o l l e r a n d r e a l i z e s p u mp c o n t r o l l e d h y d r a u l i c c y l i n d e r v a r i a b l e f r e q u e n c y s p e e d c o n t r o l b y S VP W M wa v e f r o m DS P c o n t r o l l i n g I P M mo d u l e ． F o r t h e f e a t u r e s l i k e n o n l i n e ari t y ， v a ri a b l e l o a d s o f t h e s y s t e m， t h e p a p e r u s e s f u z z y P I D c o n t r o l s c h e me t o a c h i e v e o n l i n e s e l f - a d j u s t i n g o f P I D p a r a m e t e r s ，t h u s t o m e e t t h e s y s t e m r e q u i r e m e n t s o n d y n a m i c c h a r a e t e r i s t i c s a n d r o bu s t n es s ． Ke y wo r d s p u mp c o n t r o l l e d h y d r a u l i c c y l i n d e r ； v a r i a b l e f r e q u e n c y s p e e d c o n t r o l ； DS P； f u z z y P I D； S VP W M 0 引言 传统的阀控调速 系统依 靠节流 阀调节 流量实 现执行机构 的速 度调节 ，其缺点是对油液 的要求 高，结构复杂，存在节流损失 ，发热量大，效率低 ， 仅适合小功率或速度变化不大的场合。对于对速度 和精度要求较高的场合 ，不适合应用节流调速。 泵控 液压调 速系统 没有节 流 阀等 复杂元 件 ， 系统结构简单 ，无节流损失 ，效率高 ，发热量低 ， 节能效果显著 ，适合于对速度和精度要求较 高 的 大 陨量液压提升机械 ，如液压电梯等。 近年来 ，随着变频技术 的发展 ，变频液 压技 术已经开始应用 于容积调速系统。变频液 压调速 是利用变频器对 电机进行调节 ，改变定量 泵的工 作转速 ，从而调节定量泵 的输 出流量 ，电机始终 处在高效率的工作状态 ，因而节能效果好 ，调速 系统具有更好 的控制性能 ，降低 了变量泵 的成本 ， 提高 了系统的可靠性。 一 4 8 一 常规 P I D控制算 法简单 ，被广泛应用 于工业 控制 中。但是对 于非线性 、变 负载 、时变复杂 系 统 ，因常规 P I D控制不能根据 实际情况在线整 定 参数 ，不能很好地满足 系统对 动态特性和鲁棒 性 的要求。因此 ，近年来 提 出了许 多不 同的控制 策 略。模糊 P I D控制是将模糊算 法和 P I D控制算 法 相结合 ，使 P I D参 数能够在 线 自整 定。模 糊 P I D 控制使系统 的鲁棒性更 强 ，动态 特性更好 ，大大 减弱干扰对 系统的影响。由于本 系统是 1个 非线 性 、时变 、变负载的复杂系统 ，本文采用模糊 P I D 控制 以改善系统的动态特性及鲁棒性 。 1 系统 的组成及原 理 基本原理如 图 1所示。采用 D S P与变频系统 对交流 电动机转速进行调节 ，从而改变定 量泵 的 排量 ，实现对液 压缸的速度调节 。系统将 给定 的 速度与光 电编码器返 回的速度值进行 比较 ，经过 D S P运算 ，输 出相应的 S V P WM信号 ，再将信号进 起重运输机械 2 0 1 1 1 O 行光 电耦合 ，控制变频 系统 中 I P M 模块实 现 电动 机的变频调速 ，对执行机构的速度进行调节。 图 1 系统原理图 系统硬件结构 主控制器选用 T I 公司 的高性 能 3 2位定点 D S P T MS 3 2 0 L F 2 8 1 2 ，它具有强 大 的 运算能力及丰富的外设模块 ；2个事件管理器模块 E V A和 E V B；4个 1 6位通用定时器 ，1 6个 1 6位 P WM通道 ，能够实现对称和非对称 P WM波形 ；3 个捕获单元和片 内光电编码器接 口电路 ；1 6通道 的 A ／ D转换器 ；三菱公司的 P S 2 1 8 6 7 I P M模块。 系统的总体 结构如 图 2所示 ，主要 由整流 电 路 、滤波 电路 、逆 变 电路、D S P控 制 电路 组 成。 D S P接收到控制信号后 ，运用 空间矢量控 制算法 得到 S V P WM信 号 ，经过光耦 隔离后 驱动 I P M 模 块 。电动机的转速通过光电编码器反馈给 D S P ，与 给定的速度值进行比较，如果实际速度与给定速 度不同 ，运用模糊 P I D算法进行调节。 三相 3 8 0V 图 2系统结构图 2 模糊 控制器的设计 模糊 P I D控制通过找出输入误差 e以及误差变 化率 e c之间的模 糊关系 ，实 现对 P I D 3个 参数 的 在线修改。模糊 P I D控制器采用 2输入 3输出的方 式，输人为误差 e 以及误差变化率 e c ，输出为 P I D 3个参数的调整量 A K △ Ki 、△ K a 。 针对液压调速系统 ，设定误差 e 的基本论域为 [ 0 ． 9 ，1 ． 1 ] ，误差变化率 e c的基本论域为 [一3 ， 3 ] 。系统误差 e以及误 差变化率 e c模糊论域均取 起重运输机械 2 0 1 1 1 0 为 {一3 ， 一2 ， 一1 ，0 ，1 ，2 ，3} ，E E C { N B，N M，N S ，z ，P S ，P M，P B} 。输 出量 △ 的模糊 论域 为{一6 ， 一4 ， 一2，0，2 ，4 ，6} ， A K ； 的模糊论域为{ 一 0 ． 0 6 ， 一 0 ． 0 4 ， 一 0 ． 0 2 ，0， 0 ． 0 2 ，0 ． 0 4 ，0 ． 0 6} ，△ 的模 糊论域为{一 0 ． 6 ， 一 0 ． 4 ， 一0 ． 2，0，0 ． 2 ，0 ． 4 ，0 ． 6} ，模糊集 皆为 { N B ，N M，N S ，Z ，P S ，P M，P B} 。各变量的隶属 函数选择灵敏度较高的三角形函数 ，如图 3所示 。 图 3 三角形函数 根据工程经验 以及 P I D参数调整规则 ，可 以 分别得到 △ K p 、A K i 、△ 3个参数 的模糊规则表 ， 如表 1～ 3所示 。 表 1 A K p的模糊规则表 eC e NB NM NS Z PS PM PB NB PB PB PM PM P S Z Z NM PB PB PM PS P S Z NS NS PM PM PM PS Z NS NS Z PM PM PS Z NS NM NM PS PS PS Z NS NS NM NM PM PS Z NS NM NM NM NB P B Z Z NM NM NM N B NB 表 2 △ 的模糊规则表 eC e NB NM NS Z P S P M P B NB NB NB NM NM N S Z Z NM NB NB NM NS NS Z Z NS NB NM NS NS Z PS PS Z NM NM NS Z P S P M P M P S NM NS Z P S P S P M P B P M Z Z P S P S P M P B P B PB Z Z PS PM PM PB P B ．．． 49 ．．- 表 3 A 的模糊规则表 eC e NB NM NS Z P S PM PB N B P S NS NB NB NB NM P S NM P S N S NB NM NM NS Z NS Z N S N M NM NS NS Z Z Z N S NS N S NS NS Z PS Z Z Z Z Z Z Z PM PB NS PS PS PS PS PB PB PB PM PM PM PS PS PB 根据表 1 ～3的模糊规则 ，将得到的模糊量反 模糊化 ，可得到 A K p 、A K 、△ 的精 确量 ，将其 与给定 的 K p 、K i 、K d 相加 ，即可得 到实时在线调 整的 P I D参数。 3 仿真试验 为 了验证模糊 P I D控制器 的效果 ，利用 Ma t l a b中的 S i m u l i n k工具箱搭建如图 4所示 的仿真平 台。 图4 仿真平台 选 用 Y 1 6 0 一M 6 型 电 动 机 ，液 压 缸 直 径 2 0 0 m m，假设其负载为 1 0 0 0 k g 。系统的开环传递 函数为 ，、 81 0 0 0 L 丽 利用 S i mu l i n k工具 箱分别对 被控对象进 行常 规 P I D控制 和 自整 定模糊 P I D控制进行仿 真，比 较 2种控制器作用下的曲线特性见 图 5～ 8 。 图5 常规 P I D仿真曲线 一 5O 一 图6 模糊 P I D仿真曲线 l O O 5 1 0． 9 9 5 0 0 自0 ．9 8 5 殛 0 ． 9 8 删 0 9 7 5 干扰信号情况下系统常规 P I D仿真曲线 图8 有干扰信号情况下系统模糊 P I D仿真曲线 从 图5和图6中可以看出，模糊 P I D控制 比常 规 P I D控制超调量 明显减少 ，调节 时间也大幅缩 短 ，系统的动态特性 得到 了明显 改善。由图 7和 图 8可 以看 出，在系统中增加 1 个幅值为 1的干扰 信号下模糊 P I D控制 系统调节 时间明显少 于常规 P I D控制 ，鲁棒性更强。 起重运输机械 2 0 l l 1 O 防摇控制系统在集装箱起重设备中的研究与应用 单磊费国 上海振华重工 集团股份有限公司 上海2 0 0 1 2 5 摘要 对集装箱起重设备中小车定位及负载摇晃问题进行了研究。通过拉格朗 日分析法，建立了小车负 载的动态模型，提出了采用 2段加速及叠加防摇速度分量驱动小车从而抑制负载摆动的方法，并在 S i m u l i n k环 境中对以上分析进行 了仿真验证。在此基础上 ，实际开发了 I 套防摇控制系统并进行 P L C编程，实现了小车手 动和 自动防摇运行功能。该系统已成功应用于集装箱场桥和岸边集装箱装卸桥，应用结果表明系统具有良好的 定位性能和 防摇效果 。 关键词 集装箱起重设备 自动运行；防摇控制系统 ；拉格朗E t 建模 ；S i m u l i n k 仿真 中图分 类号 T H 2 1 3 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 1 1 0 0 0 5 1 0 5 Ab s t r a c t T h e p a p e r c a r r i e s o u t s t u d i e s o n p r o b l e ms o f t h e c o n t a i n e r c r a n e s s u c h a s t r o l l e y p o s i t i o n i n g a n d l o a d s wa y ． B y L a g r a n g i a n a n a l y s i s ，t h e p a p e r e s t a b l i s h e s d y n a mi c mo d e l o f t r o l l e y l o a d，p r o p o s e s t o s u p p r e s s t h e l o a d s w a y b y d r i v i n g t h e t r o l l e y v i a me t h o d s o f t wo s t a g e a c c e l e r a t i o n a n d a n t i s wa y v e l o c i t y c o mp o n e n t ， a n d p e r f o r ms s i mu l a t i o n v a l i d a t i o n i n t h e S i mu l i n k e n v i r o n me n t ． On t h e b a s i s ．t h e p a p e r a c t u a l l y d e v e l o p s a s e t o f a n t i s wa y c o n t r o l s y s t e m a n d c o n d u c t s P L C p r o g r a mmi n g ， a c h i e v i n g t h e t r o l l e y ma n u al a n d a u t o ma t i c a n t i s way f u n c t i o n ． T h e s y s t e m h a s b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o r u b b e r t y r e d g an t r y c r a n e s a n d s h i p t o s h o r e c r a n e s ， a n d t h e a p p l i c a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m h a s g o o d p o s i t i o n i n g p e r f o rm an c e a n d a n t i s w a y e ff e c t ． Ke y wo r dsc o nt a i ne r c r a n e a u t o ma t i o n；a nt i s way c o nt r o l s y s t e m； La gra n g i a n mo d e l i ng；Si mu l i n k s i mula t i o n 随着集装箱运输业不断发展，码头对装卸效 率要求越 来越高 ，装 卸操作 已成为一项 越来越繁 重的工作。为了满足装卸效率 要求 ，同时减轻 司 机的工作强度 ，集 装箱起重设备正 朝着 自动化运 行方 向不断发展。其 中需要解决 的一个关键 问题 是实现小车 自动快速 运行 ，精 确定位 ，且抑制负 载摇 晃 。 截止 目前 ，对 这个 问题 已有 了多项 研究 ，并 提出了采用 如乓 一乓控制 、最优控制 、模糊控制 等方法来 实现小车防摇 自动运行 。有 些方法应用 效果不佳 ，还有一些 只停 留在理论仿 真阶段 ，并 没有进行 实际应 用。本文对小 车负载系统进行建 4 结论 2变 00 转 3 速 泵 1 控 ． 液压缸试验仿真分析 液压 本文将变频技术与模糊 P I D控制相结合实现 对液压系统的速度调节。利用 T I 公 司的 D S P以及 三菱公司的 I P M模块 搭建平 台，以实现液压缸 的 变频 调 速。试 验证 明，相 对 于传 统 的阀控 系统 ， 变频泵控液压 系统 的效率高 ，能量损 失少 ，精度 更高 。 [ 4 ]石辛民 ． 模糊控制及其 MA T L A B仿真[ M] ．北京清 华大学出版社 ，2 0 0 8 ． [ 5 ]张化光 ． MA T L A B ／ s I Mu L I N K实用教程 [ M] ．北京 人 民邮电出版社 ，2 0 0 9 ． [ 6 ]申听．基于 D S P的模糊控制在调速中的应用 [ J ] ．微 计算机信息 ，2 0 0 7 ． 作 者 戴长秋 参考文献 地 址湖北武汉市江夏区流芳大道特 1号武汉工程 [ 1 ]沈岩 ．自整定 P I D模糊控制器在泵控马达系统中的应 大学 用[ J ] ．机床与液压，2 0 0 6 1 O ． 邮 编4 3 0 2 0 5 [ 2 ]彭天好 ．变频泵控马达调速系统节能试验研究 [ J ] ． 收稿 日期2 0 1 1 0 50 5 煤炭学报 ，2 0 0 4 ，2 9 1 ． 起重运输机械 2 0 1 1 1 0