邵新陽(yáng)，馬溢堅(jiān)

（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，浙江 杭州 310020）

裝配式建筑建筑即預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑（簡(jiǎn)稱(chēng)PC建筑）是將組成建筑的構(gòu)件部分或者全部構(gòu)件在工廠預(yù)制加工完成，然后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，是一種模數(shù)化、集成化、組裝化建筑生產(chǎn)模式。與傳統(tǒng)建筑方式相比，裝配式建筑建筑有利于提高施工質(zhì)量、加快工程進(jìn)度、節(jié)約資源、文明施工及環(huán)境保護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在建筑行業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而，考慮到用于裝配式建筑施工的塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)需要頻繁的啟制動(dòng)并且在復(fù)雜的工況下精確就位對(duì)孔，目前的塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)大多仍是采用多速機(jī)構(gòu)或繞線電機(jī)串電阻進(jìn)行有極調(diào)速的方式，在進(jìn)行低速定位時(shí)，由于采取的是“倒拉反接制動(dòng)”的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)串聯(lián)大電阻，進(jìn)而造成機(jī)械特性發(fā)軟的情況，最終無(wú)法有效進(jìn)行低速定位工作，最低運(yùn)行速度5～8m/min，點(diǎn)動(dòng)移距離2～20mm，完全不能滿(mǎn)足裝配式建筑施工鋼筋孔對(duì)裝的要求。

1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式n=60f(1-S)/P可知改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)P、轉(zhuǎn)差率S和電源頻率f可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)調(diào)速方式調(diào)速范圍寬度窄且只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，隨著我國(guó)電子科技的迅速發(fā)展，極大得推動(dòng)了交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速和交流變頻系統(tǒng)的發(fā)展。本文中塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)電機(jī)速度控制閉環(huán)系統(tǒng)如圖1所示，給定電機(jī)速度與反饋的實(shí)際速度差值為速度誤差，通過(guò)PLC控制器計(jì)算生成控制量，并將其傳送至變頻器控制系統(tǒng)，從而更好地調(diào)控電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。然而塔機(jī)是一種在復(fù)雜多變工況下工作的工程機(jī)械，起升機(jī)構(gòu)升降過(guò)程受載重的擺動(dòng)、機(jī)械本體的振動(dòng)和滯后等主要原因，尤其是在外界風(fēng)力、壓力負(fù)荷等因素出現(xiàn)轉(zhuǎn)變情形下，傳統(tǒng)的增量式PID控制不具備自適應(yīng)的調(diào)整能力，仍不能滿(mǎn)足裝配式建筑施工中塔機(jī)精確就位的要求，故本文提出一種基于模糊控制理論的模糊PID控制器，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力，能夠滿(mǎn)足裝配式建筑施工中各種復(fù)雜工況下的就位精度要求。

圖1 電機(jī)速度控制系統(tǒng)

2 模糊PID控制技術(shù)

由于操作人員經(jīng)驗(yàn)不足等原因，在操控工作中，各類(lèi)信號(hào)和有關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)不易獲取，所以模糊理論，是妥善解決這一問(wèn)題的主要方式，因此有關(guān)操作人員，在正常操作過(guò)程中，通過(guò)模糊理論，將操作要求、操作數(shù)據(jù)通過(guò)模糊數(shù)集進(jìn)行體現(xiàn)，并將這些模糊集管理規(guī)則以及評(píng)價(jià)指標(biāo)等有關(guān)數(shù)據(jù)，納入到計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)中進(jìn)行保存，然后在根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際反應(yīng)狀況，通過(guò)模糊推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整，這就是所謂的模糊PID控制技術(shù)。

模糊PID控制器輸入變量主要包括偏差變化率ec以及偏差e，而該基礎(chǔ)就是通過(guò)模糊運(yùn)算，分析e、ec等參數(shù)之間的聯(lián)系，同時(shí)在運(yùn)算過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)得出e、ec，并在模糊控制理論引導(dǎo)下，對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而滿(mǎn)足e和ec等參數(shù)間的控制要求。自適應(yīng)模糊PID控制器內(nèi)部構(gòu)成以及操作系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)模糊PID控制結(jié)構(gòu)

2.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器設(shè)計(jì)工作，主要由模糊規(guī)則的制定、模糊推理、去模糊化及算法等部分構(gòu)成。

2.1.1 輸入變量及輸出變量的模糊化

輸入變量e、ec和輸出變量Δkp、Δki、Δkd相對(duì)應(yīng)的模糊語(yǔ)言變量為E、EC、Δkp、Δki和Δkd，設(shè)其離散模糊論域都為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)可得， 的基本論域?yàn)椋?6，6），則量化因子ae=6/6=1，計(jì)算公式e(t)=r(t)-y(t)，r(t)為系統(tǒng)設(shè)定值，y(t)為測(cè)量值；ec的基本論域?yàn)椋?0.3，0.3），則量化因子ace=6/0.3=20；計(jì)算公式ec(k)=e(k)-e(k-1)；Δkp基本論域?yàn)椋?10，10），則量化因子akp=6/10=0.6；Δki基 本 論 域 為（-0.2，0.2），則量化因子aki=6/0.2=30；Δkd基本論域?yàn)椋?1，1），則量化因子akp=6/1=6。

將(-6，6)范圍內(nèi)的參數(shù)變量，劃分為不同的等級(jí)級(jí)別，且每個(gè)等級(jí)都可以視作單個(gè)的模糊變量，并組成一個(gè)系統(tǒng)、完整的模糊子集，可以分為正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）、零（Z0）、負(fù)?。∟S）、負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）7個(gè)不同等級(jí)，各模糊子集的隸屬度如表1所示。

表1 e、ec和Δkp、Δki、Δkd的隸屬度規(guī)則表

2.1.2 設(shè)計(jì)規(guī)則

當(dāng)e和ec不同時(shí)，系統(tǒng)中被控過(guò)程對(duì)Δkp、Δki、Δkd三參數(shù)的自整定要求規(guī)定如下。

1）當(dāng)e較大，為獲得更優(yōu)越的快速跟蹤性能，并考慮到偏差e的提升可能造成微分過(guò)大，甚至超過(guò)可控制范圍，因此應(yīng)當(dāng)取較大值kp或較小值kd。此外，為了將e控制在合理范圍內(nèi)，減少其因超過(guò)一定范圍，造成無(wú)法調(diào)控，因此采取限制積分的方式，此時(shí)取ki=0。

2）當(dāng)e和ec都為中等程度的值時(shí)，為盡可能地減少系統(tǒng)的超調(diào)量，kp、ki以及kd值也應(yīng)當(dāng)控制在一定范圍內(nèi)，而ki應(yīng)取值較小，kp以及kd也應(yīng)取中等大小的值，確保系統(tǒng)的快速響應(yīng)，其中kd的取值影響最大。

3）當(dāng)e取值較小時(shí)，為保證能夠在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，kp、kd取值較大，此外，為了減少系統(tǒng)在靠近預(yù)設(shè)值時(shí)的震動(dòng)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提升系統(tǒng)的抗干擾能力，kd取值應(yīng)遵循這樣的規(guī)定：如果ec取較小值，kd取中等值；而ec較大時(shí)，kd應(yīng)取較小值。

4）ec則是表征偏差變化速率快慢的物理量，ec取值越大，kp取值越小，ki則取較大值。

2.1.3 模糊推理規(guī)則及解模糊算法

通過(guò)公式(1)以及式(2)的輸入輸出計(jì)算方式進(jìn)行去模糊化的計(jì)算，或者用如式(3)的精度較高的公式，具體去模糊化規(guī)則如下。

規(guī)則1：IFA1ANDB1THENC1

規(guī)則2：IFA2ANDB2THENC2

………………………

規(guī)則n：IFAnANDBnTHENCn

輸入x0ANDy0結(jié)論z0

由前提“x0ANDy0”以及有關(guān)的模糊規(guī)則，“AiANDBiTHENCi(i=1,2,...，n)” 可 計(jì) 算 出激活后單條輸出模糊變量以及模糊子集C′i，計(jì)算公式為(1)，而總激活規(guī)則的模糊子集C′以及模糊變量公式為(2)，模糊變量輸出公式為(3）。

在日常應(yīng)用過(guò)程中，因根據(jù)輸出模糊控制規(guī)則、模糊推理原則以及去模糊化重心法等放手，獲取模糊控制表，其是在e、ec等領(lǐng)域中元素組合計(jì)算得出的控制變量，并在矩陣實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲得修正和調(diào)整，并將其保存于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在在運(yùn)算過(guò)程中獎(jiǎng)特定速度和反饋速度之間的偏差e以及偏差變化率ec值，轉(zhuǎn)換到各自領(lǐng)域中，并根據(jù)模糊控制表以及輸出變化表，調(diào)整PID參數(shù)。通過(guò)控制查詢(xún)表，計(jì)算在線控制量，從而滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)所要求。如圖3所示。本文模糊控制閥以及自適應(yīng)PID控制計(jì)算法如圖4所示。

圖3 模糊控制表的某一元素值生成流程

3 結(jié) 語(yǔ)

利用Matlab軟件中的SIMULINK模塊進(jìn)行系統(tǒng)仿真，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)參數(shù)的不斷調(diào)整，當(dāng)變頻器和異步電動(dòng)機(jī)共同作用的傳遞函數(shù)為20/(S2+3.6S+1)時(shí)，e、ec和u分 別 取 0.4、0.2和20，得到的仿真結(jié)果比較理想，如圖5為系統(tǒng)仿真得到的階躍響應(yīng)曲線，由此可知模糊PID控制調(diào)節(jié)時(shí)間較短且響應(yīng)具有較小的超調(diào)量，能夠?qū)崿F(xiàn)塔機(jī)運(yùn)行的精確就位，滿(mǎn)足裝配式建筑施工中準(zhǔn)確對(duì)孔的要求。若實(shí)際工況中對(duì)仿真結(jié)果不滿(mǎn)意可以通過(guò)調(diào)整該3個(gè)參數(shù)獲得較為滿(mǎn)意的結(jié)果。

圖4 模糊PID控制總體結(jié)構(gòu)

圖5 系統(tǒng)修復(fù)階斷響應(yīng)曲線