滑动模式起重机升降机的可变结构控制外文翻译资料

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滑动模式起重机升降机的可变结构控制

摘要

通过分析电机和起重机起重机的负载的相关关系，得到一个数学模型建立起重机系统。基于该模型，通过考虑负载来设计速度滑动模式控制器速度作为控制对象。为保证系统运行性能更高，采用转子磁通滑动模式控制器和转子磁通观测器。运行速度也根据不同而设计和规划运行条件。在Matlab / Simulink环境中提出了控制系统的仿真模型。仿真结果表明，控制系统满足动态性能和强大的干扰鲁棒性。

关键词：滑模式可变结构，速度控制，起重机升降机

1. 引言

起重机是用于提升，保持和传送材料和产品的工具，并且是不可或缺的大型机械设备，以提高国家生产的每个部门的生产率并实现生产过程。起重机在提高现代化水平，缩短生产周期，降低工程机械各部门的生产成本方面发挥重要作用。起重机系统是起重机的主要机构之一，包括异步电动机，负载，减速器和驱动机构。起重机运动的自动化对于提高操作的效率和安全性是期望的。目前，大多数起重机由熟练的操作者手动控制。起重机运动的自动化对于提高操作的效率和安全性是期望的。类似于为robotiu开发的起重机运动的自动控制是困难的，因为非结构化和动态环境。异步电动机是一种MIMO，强耦合，复杂非线性系统。在运动过程中，负载状态在升高，降低和停止之间频繁切换，同时动态负载随系统的运行状态变化而变化，并且动态负载的紫色变化[1,2]将具有很大的影响系统。这些条件说明了负载运动过程的复杂性。否则，一些工业领域要求系统不仅必须具有良好的高速性能和低速性能，而且还必须具有高精度的控制。如果考虑不确定性和环境外部干扰，控制系统的设计将变得更加困难。在保证系统安全性能的前提下，目前研究如何提高系统的运行性能是一个热点。

起重机的任务是提升负载并将其移动到指定位置。通过离线路径规划算法生成去除的轨迹。在牛顿和欧拉方程的数学模型上发展的系统的数学模型。导出的动力学模型由两个非线性耦合方程表示。刚性机器人的几个公知的控制结果不直接适用于起重机模型。起重机提升机的传统速度控制系统是转子串联电阻异步电机的调速技术[3,4]。该系统具有能耗高，控制精度低的问题，易于在控制过程中对系统产生较大的影响。随着变频控制技术的应用，运行性能起重机已大大改进。事实上，包括变频器和PLC的PID控制系统被广泛使用[5]。这种控制系统结构简单，设计容易，但由于其适应性差，鲁棒性和动态性能较差，因此只推荐低性能要求的应用。参考文献[6,7]采用模糊控制方法提高系统的控制效果，但是这种方法由于其对经验的强烈依赖而不容易系统化。在参考文献[8]提出了一种神经网络控制的方法，但由于神经网络控制本身的原因，这种方法在实践中很少使用。

由于其快速动态响应，对外部干扰的强鲁棒性等优点，滑模控制已经引起了越来越多的关注，并在各种控制领域，如电机控制[9-11]，机器人控制[12,13 ]和具有大量扰动和不确定因素的其他复杂非线性系统的控制。实际应用显示了良好的效果。在本文中，负载速度被视为控制目标，并且基于滑动模式设计控制系统。

1. 起重机系统的模型

图1是由电机，负载，减速器和驱动机构组成的起重机升降机系统的结构示意图

2.1电机型号

基于M-T两相同步的电机模型提出了旋转坐标[9]。 该模型如等式（1）所示。

同步转速如式（2）所示，

其中：Wr是电机的机械转速，W1是同步转速，Wr是转子磁通的模数分别是坐标轴中的定子电流，u} p}并且使用M和T别为M和T坐标轴的定子电压，L为定子电感。 I，是转子电感。 I是互感器，6是漏感电感的系数，尺寸定子电阻，Rr是转子电阻，nP是极对数，J1是电机的旋转惯量，T}是电机的输出机械转矩，B1是电机的粘性阻尼因子。 在M-T坐标轴中异步电动机的电磁转矩是等式（3）：

其中：Te为电机的电磁转矩。

异步电动机的动力学方程如下所示方程（4）：

其中：Tm是电机的输出机械转矩通过驱动减速器驱动负载升高和降低驱动机构

2.2减速器和驱动机构的型号

减速器和驱动机构由驱动轴和多级减速齿轮组成，等等.Tm是输入，驱动负载在克服摩擦转矩后升高和降低。 为了简化研究，旋转惯性，粘性阻尼因子和负载转矩都等效于电机轴的值：等效惯性为J2，等效粘性阻尼因子为B2，等效负载转矩为TL。数学模型 的减速器和驱动机构表示为等式（5）：

2.3动态载荷模型

令v表示负载的运动速度，v表示比率负载的线性运动速度和电机的转速。 然后：

同时：

其中F是施加在负载上的向上拉力，其值等于系统的动态负载。根据牛顿第二定律，可以获得负载运动方程：

其中：m是载荷质量，g是加速度重力。

2.4起重机升降机的数学模型

在（1）中的等式（2）一（8）可以获得起重机升降机的数学模型方程（9）：

V和是系统输出，它们也是控制目标的系统。

3系统控制器的设计

3.1速度滑模式设计

考虑不确定因素和外部因素系统的扰动，方程（9）可以重写为（11）：

其中：磷是转子的参考值通量z1，z2，z3，z4是外部干扰，不确定因素。滑模控制器的设计思想是制造负载速度和参考速度的跟踪误差渐近地会聚并稳定在平衡点零。 首先，设计滑动模式表面带有跟踪误差的载荷速度和参考速度及其微分和积分; 第二，设计了基于Lyapunov稳定性的控制方案理论使滑模面渐近收敛到零; 然后，获得参考电压T坐标轴。

定义速度跟踪误差为公式（12）：

其中：v是跟踪误差。

积分滑动方程（13）：参考速度，速度模式表面[14-19]可以设计为式（13）

其中C1gt;0,C2gt;0

假设滑模面存在，方程（14）一（16）可以：

跟踪误差及其积分收敛到零滑动模式表面并稳定在其上是：都是指数形式滑模模式表面的表示为：

其中：

将Lyapunov函数定义为方程（18）

定义滑模控制方案为方程（19）：

其中:

因此:

如果仅满足条件E1gt; /Z/，则形式V1 lt;0将成立。因此，滑动模式表面在全局上是等边稳定的，并且S1 = 0是其平衡点。 也就是说，系统可以在有限时间内到达滑动模式表面。可以从等式（19）推导出如等式（20）所示的T坐标轴的参考电压：

在控制器的设计过程中，不确定因素和负载运动的外部干扰已被考虑，并相应采取措施，使控制器强鲁棒性

3.2转子通量滑模控制器的设计

磁通滑模控制器的设计思想是类似于速滑模式的设计控制器。 作为文章的长度限制，设计在此省略处理，并且仅给出设计结果。显示M坐标轴的参考电压如方程（21）：

其中：是参考磁通，e2（t）是磁通跟踪误差，S2是积分滑动模式表面[14-19]，Usm是M坐标轴的电压电动机C3gt; 0，C4gt; 0，K2gt; 0，E2gt; 0

3.3焊剂观察器的设计

由于转子磁通不能直接测量，因此建议使用磁通观测器[20]来观测转子磁通。 观察者可以从等式（1）和等式（2）的形式2被设计为等式（22），（23）。

其中：和模量和旋转观察转子磁通的速度。

3.4振动消除的测量

由于系统中的机械惯性和时间延迟，系统的轨迹容易在滑动模式表面周围颤动。 这种颤振可能对系统有很大的影响，因此必须采取措施尽可能多地抑制它。 在本文中，符号函数由饱和函数代替以减少颤振[13,17]。 饱和函数取为形式（24）。

这里：系统还采取控制超过区域的模式控制，以及在区域中的连续状态反馈控制。结果，有效地抑制了抖动。 因为饱和函数的值区域总是在符号函数的上限和下限之间的区域，从李亚普诺夫稳定性理论推导出的全局渐近稳定性的滑动模式表面仍然在区域之外。

同时，的值可以足够小以保证滑动模式表面的稳定性。

4速度计划

实际上，系统的给定速度总是齿轮位置V.当齿轮位置V改变时，为了尽可能快地跟踪V，系统在加速过程中非常大。大的加速度容易引起动态负载的剧烈变化，这可能对系统具有很大的影响。所以在加速过程中系统的速度曲线需要合理的规划。考虑到动载荷的变化程度在不同载荷下是不同的，在轻载或重载下的不同运行速度都可以以提高系统的运行效率。负载通过钩子附接到起重机的提升电缆。起重机的常见任务是将载荷从初始位置移动到指定的最终位置。在传送期间，载荷的摆动应保持尽可能小。最初假定负载悬挂在处于静止位置的电缆的端部。因此，假定电缆是垂直和直的（没有弯曲）。有效载荷的位置由世界坐标系中其中心（图3中的点Pi）的坐标指定。在正常操作条件下，起重机的动载荷与其提升重量的比值必须不大于动载荷系数[21]。电机的额定功率是恒定的，为了保证系统的正常运行和安全性，负载的均匀上升速度必须小于速度Vmax，速度Vmax满足条件 其中：是系统的驱动效率; pN是电机的额定功率。在本文中，电机的额定功率为11 kw，驱动效率为0.9，动态系数为1.2，系统运行速度如图2所示。 2.当负载质量小于200kg时，系统的参考速度曲线为速度曲线1和8，最大速度为3m / s，加速度的绝对值为3m / s2;当负载 质量在200-400kg范围内，系统参考速度曲线为速度曲线2和7，最大速度为2.5 m / s，加速度绝对值为2 m / s2;当载荷质量在400-650kg范围内时，参考速度曲线为速度曲线3和6，最大速度为1.Sm / s，加速度绝对值为1 m / s2;当载荷质量在650-1000kg范围内，参考速度曲线为速度曲线4和5，最大速度为lm / s，加速度绝对值为0.5 m / s2

5.系统的仿真研究

起重机升降机的速度控制系统图如图3所示：

模拟参数为：

在图3中，扰动z1的主要部分是在操作过程中由电缆和梁的弹性变形引起的小幅度高频振荡干扰。 这种扰动的幅度随着系统运行速度的减慢而迅速减小。

扰动z2主要由转子磁通随转子参数的波动的变化引起。 这种干扰的幅度总是小的，频率也不高。 它可以描述为阶跃函数。

干扰z3和z4主要由电源电压的振动引起。 这种扰动的振幅非常高，频率相似到哪个电源电压。

5.1正常运行实验

实验1：重载质量：m = 1000吨，运行采样曲线4和5，z1 = 2sin（40PI t)，

z2 = 3step（t），z3 = z4 = 120士60脉冲（100PIt）。 在时间t = 1.Ss之后，转子电阻的值变为前者电阻的值的2倍。

实验2：轻载质量m = 100kg，在速度曲线1和8下运行，其他条件与实验1相同。实验1和2的模拟结果如图4（a）和 图4（b）。

5.2低速运行实验

实验1：重载质量m = 1000吨，运行速度v = 0.001m / s，z2 = 0.02sin（40PI*t)，其他条件与正常速度运行实验的实验1相同。

实验2：轻载质量m = 100吨，其他条件与实验1相同。实验1和2的模拟结果如图4（c）和图4（d）所示。

仿真结果如图1所示。 4表明该系统在正常运行速度或低运行速度下具有良好的稳定性和快速的动态响应; 该系统对电源电压的波动和转子电阻的变化具有很强的鲁棒性; 通过在加速和减速过程中规划速度曲线有效地抑制对系统的影响。

5.结论

本文提出了起重机升降机的数学模型，以负载转速为控制目标，设计了滑移模式控制器和转子磁链滑模控制器。负载提升电缆在吊杆末端处的运动可以被认为是由三个虚拟关节的运动引起的。这允许确定悬挂的有效载荷的位置以及定向考虑了外部干扰和参数扰动等不确定因素，基于李亚普诺夫稳定理论的设计过程理论上保证了系统良好的动态性能。总之，公共控制=计算扭矩方法不直接起重机i系统的控制应用此外，由于系统模型的性质，不能获得静态反馈线性化控制器。仿真结果表明该系统具有较强的鲁棒性和良好的动态性能。

参考文献

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