环轨起重机多卷扬同步控制系统研究.pdf

硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 环轨起重机多卷扬同步控制系统研究环轨起重机多卷扬同步控制系统研究 Research on Synchronous Control System of Multi-winches for Ring-rail Crane 作 者 姓 名 张 彤 学科、 专业 微机电工程 学 号 21804160 指 导 教 师 高顺德 教授级高工 完 成 日 期 2021 年 5 月 4 日 大连理工大学 Dalian University of Technology 大连理工大学硕士学位论文 - I - 摘 要 近年来，随着吊装设备模块的大型化，起重机在朝着超大型化方向发展。环轨起重 机因其结构组成简单、承载能力强、接地比压小、可以集装箱式模块化设计以及起重力 矩大等优点被广泛应用于石油化工、核电及海洋工程等领域。起重机上通常使用液压驱 动的卷扬式主起升系统。但对于大吨位起重机而言，由于钢丝绳强度、卷扬尺寸、机械 元件强度及液压元器件等因素的限制，单卷扬系统已无法提供足够的起重力矩，工程上 常采用双卷扬甚至多卷扬单吊钩的形式来吊取重物。 但液压系统及卷扬机械系统的同步 误差会造成吊钩的倾斜，卷扬载荷分配不均，进而影响起重机吊载过程的安全性。 保证多卷扬系统同步运动的关键在于保证钢丝绳的出（收）绳量相等，即保持吊钩 处于水平状态。对于双卷扬同步控制系统，通常利用卷筒轴上安装的编码器采集卷筒转 角数据作为反馈量。 但该方法在吊钩存在初始角度误差和由于卷筒制造误差与钢丝绳换 层时最外层钢丝绳中心距卷筒中心的不一致时，并不能实现双卷扬系统的同步控制。因 此提出利用吊钩水平倾角数据和卷筒转角数据作为控制系统的反馈量。 相比于双卷扬控 制系统，四卷扬同步控制中系统的变量更多，影响因素更多，需要建立更为复杂的控制 系统。 本论文针对大连理工大学自主研发的 4000t 环轨起重机主起升系统的四卷扬结构形 式， 提出了特定的四卷扬同步控制系统。 对起重机主起升的闭式液压系统进行数学建模， 利用 MATLAB/Simulink 和 AMESim 分别建模仿真验证该控制系统的同步控制性能。 本论文提出将四卷扬系统两两分组， 两组系统所选的主卷扬间利用吊钩水平倾角数 据作为反馈量采用交叉耦合控制， 组内根据主卷扬的卷筒转角数据作为反馈量采用主从 控制， 并采用滑模变结构控制的非线性控制算法。 MATLAB/Simulink 的仿真结果表明滑 模变结构控制下的控制系统相较于常规 PID 控制的调节时间短，跟随性较好，鲁棒性强 且系统的同步控制性能较好，控制系统可将吊钩水平倾角控制在 0.063以内。通过 AMESim 中对卷筒转角差、高压腔压力差、主副卷扬回路中的流量及钢丝绳出绳长度等 的分析可得该四卷扬同步控制系统能有效的补偿液压参数不一致以及吊钩存在初始水 平倾角导致的同步误差。 本文设计的多卷扬同步控制系统，经仿真分析可以取得较为满意的同步控制效果， 可作为工程实际中超大吨位起重机多卷扬同步控制系统的研究参考。 关键字环轨起重机；多卷扬；同步控制；MATLAB/Simulink；滑模变结构控制 环轨起重机多卷扬同步控制系统研究 - II - Research on Synchronous Control System of Multi-winches for Ring-rail Crane Abstract In recent years, with the upsizing of hoisting equipment, the crane is developing in the direction of supersizing. Ring-rail crane has been widely used in petrochemical industry, nuclear power and ocean engineering industry because of its advantages such as simple structure, strong bearing capacity, small ground pressure ratio, container modular design, large lifting moment and so on. The main hoisting mechanism on the crane is composed of some hydraulically driven winch type systems. However, for large tonnage cranes, due to the limitations of hoist rope strength, hoisting size, hoisting mechanism and hydraulic pressure, single winch type system can no longer provide enough hoisting torque. In engineering, two winches or even multiple winches of single hook are often used to lift heavy objects together. However, the synchronization error of the hydraulic system and the hoist mechanism system will cause the tilt of the hook and the uneven distribution of the hoisting load, which will affect the safety of the crane. The key to ensure the synchronous movement of hoisting is to keep the same length of hoist rope, that is, to keep the hook in the horizontal state. For double winching synchronous control system, which is commonly used in engineering approach is to use the angle encoder installed on winding drum shaft to collect data as feedback quantity. But this doesnt achieve the synchronization control system when initial angle error exists in the hook and the center of the outermost hoist rope is inconsistent with the center of the drum due to the manufacturing error of the drum and the hoist rope replacement. Therefore, the horizontal dip angle of the hook is used as the feedback quantity of the control system. Compared with the double-winch control system, the four-winches synchronous control system has more variables and more influencing factors, so it is necessary to establish a more complex control system. In this paper, a specific control system is proposed for the four-winches structure of the main hoisting system of 4000t ring rail crane which is independently developed by Dalian University of Technology. Mathematical modeling of the closed hydraulic system of crane main lifting was carried out. And the control system was modeled and simulated by MATLAB/Simulink and AMESim to verify the effectiveness of the control strategy. In this paper, the four winches system is grouped in pairs. In the group, the master and slave control is adopted according to the motor rotation angle of the main winch as the feedback 大连理工大学硕士学位论文 - III - quantity. The cross-coupling control and the nonlinear control algorithm of sliding mode variable structure control are adopted between the selected main winch systems using the horizontal dip angle data of the hook as the feedback quantity. The simulation results of MATLAB /Simulink show that compared with the control effect of conventional PID controller, the control system of sliding mode variable structure control has short adjustment time, better following perance, strong robustness and better synchronous control perance of the system. The control system can control the horizontal inclination of the hook within 0.063. Through the analysis of the roll angle difference, the pressure difference of the high pressure chamber, the flow rate in the main and secondary winch circuits and the length of the wire rope in AMESim, it can be concluded that the four-winches synchronous control system can effectively compensate the synchronization error caused by the inconsistency of hydraulic parameters and the initial horizontal dip angle of the hook. The multi-winches synchronous control strategy designed in this paper can achieve satisfactory synchronous control effect through simulation analysis, which can be used as a reference for the research of multi-winches synchronous control system of super-large tonnage crane in engineering practice. Key words Ring-rail Crane; Multi-winches; Synchronous control; MATLAB/Simulink; Sliding mode variable structure control 环轨起重机多卷扬同步控制系统研究 - IV - 目 录 摘 要 ............................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................................. II 1 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 课题研究背景及意义 ....................................................................................... 1 1.2 环轨起重机的研究现状 ................................................................................... 3 1.2.1 环轨起重机国外研究现状 .................................................................... 4 1.2.2 环轨起重机国内研究现状 .................................................................... 8 1.3 起重机多卷扬同步控制的研究现状 ............................................................... 8 1.3.1 控制系统反馈信号的研究现状 ............................................................ 8 1.3.2 同步控制策略的研究现状 .................................................................. 11 1.3.3 同步控制算法的研究现状 .................................................................. 12 1.4 本文主要研究内容 ......................................................................................... 13 1.5 本文的论文结构 ............................................................................................. 13 2 液压系统的数学建模 ................................................................................................ 15 2.1 多卷扬系统的起升机构 ................................................................................. 15 2.2 电机械转换元件 ......................................................................................... 18 2.3 比例方向控制阀 ............................................................................................. 19 2.4 变量机构四通阀控制液压缸 ..................................................................... 20 2.4.1 液压放大元件 ...................................................................................... 20 2.4.2 液压控制阀静态特性 .......................................................................... 21 2.4.3 液压缸流量连续性方程 ...................................................................... 22 2.4.4 液压缸和负载的力平衡方程 .............................................................. 22 2.4.5 变量泵和比例阀简化建模 .................................................................. 23 2.5 泵控液压马达系统的数学建模 ..................................................................... 23 2.6 卷扬部分机械系统的数学建模 ..................................................................... 25 2.6.1 卷扬的受力分析 .................................................................................. 25 2.6.2 吊钩的受力分析 .................................................................................. 26 2.6.3 吊钩的位置变换分析 .......................................................................... 26 2.7 系统数学模型的状态空间描述 ..................................................................... 27 2.8 液压系统数学模型的反馈线性化 ................................................................. 28 大连理工大学硕士学位论文 - V - 2.9 本章小结 ......................................................................................................... 29 3 四卷扬系统的同步控制系统 .................................................................................... 30 3.1 同步误差产生的原因 ..................................................................................... 30 3.2 同步控制策略 ................................................................................................. 30 3.2.1 同等方式（Synchronized Master Command Approach，SMCA） .. 30 3.2.2 主从控制Master-slave Control，MSA ............................................. 31 3.2.3 交叉耦合控制 Cross-coupled Control，CCC ................................. 32 3.3 同步控制算法 ................................................................................................. 32 3.3.1 经典 PID 控制算法 ............................................................................. 32 3.3.2 专家 PID 控制算法（Expert Control System，ECS） ..................... 33 3.3.3 模糊控制算法（Fuzzy Control， FC） ............................................ 33 3.3.4 神经元网络控制（ANN-Based Control） ......................................... 34 3.3.5 滑模变结构控制（Sliding Mode Control，SMC） .......................... 35 3.4 本文设计的控制策略 ..................................................................................... 36 3.4.1 四卷扬同步控制原理 .......................................................................... 36 3.4.2 MATLAB/Simulink 建模仿真 ............................................................. 38 3.5 控制原理的稳定性 ......................................................................................... 39 3.5.1 控制系统的时域分析单位阶跃响应 .............................................. 39 3.5.2 控制系统的频域分析伯德图的绘制 .............................................. 40 3.6 本章小结 ......................................................................................................... 41 4 基于滑模变结构控制的四卷扬同步控制系统 ........................................................ 42 4.1 滑模变结构控制的基本理论 ......................................................................... 42 4.1.1 滑模变结构控制的动态品质 .............................................................. 42 4.1.2 滑模变结构控制设计思路 .................................................................. 43 4.2 单卷扬泵控马达系统的动态特性分析 ......................................................... 44 4.2.1 阶跃输出响应分析 .............................................................................. 44 4.2.2 正弦信号跟随响应分析 ...................................................................... 46 4.3 多卷扬控制系统 MATLAB/Simulink 建模及仿真结果分析 ....................... 47 4.3.1 阶跃响应分析 ...................................................................................... 48 4.3.2 正弦信号跟随响应分析 ...................................................................... 52 4.4 本章小结 ......................................................................................................... 54 5 AMESim 建模与仿真 ................................................................................................ 55 环轨起重机多卷扬同步控制系统研究 - VI - 5.1 AMESim 建模过程 ......................................................................................... 55 5.2 液压系统参数对同步控制的影响 ................................................................. 57 5.2.1 液压系统参数不一致对同步控制系统的影响 .................................. 57 5.2.2 初始角度误差对同步控制系统的影响 .............................................. 63 5.3 四卷扬同步控制系统的 AMESim 仿真 ........................................................ 64 5.4 本章小结 ......................................................................................................... 66 结 论 .......................................................................................................................... 67 参 考 文 献 .................................................................................................................... 69 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 .......................................................................... 73 致 谢 .......................................................................................................................... 74 大连理工大学学位论文版权使用授权书 ...................................................................... 75 大连理工大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论 1.1 课题研究背景及意义 随着国内外吊装领域中超大型设备吊装需求的不断增加， 要求吊装用起重机起重能 力更强，对作业安全性能和工作灵活性的要求也更高。为了得到更大的起重能力，超大 吨位起重机应运而生，其超大的起重能力尤其适合石油化工、核电、海工等领域。石油 化工新能源产量的增多以及核心生产设备的大型化势必会对石油化工领域的吊装设备 提出更高的要求。随着核电装机功率的增大，核电模块直径也越来越大，迫切需要起重 能力更强、作业范围更大和起吊高度更高的核电吊装设备。海工装备产业也即将迎来巨 大的市场，要求有更多的海洋工程设备投入使用。 超大吨位起重机主要有履带起重机、液压提升/顶升系统起重机和环轨起重机这三 大种类，且各类起重机的最大起重能力均已达到 5000t 级及以上[1-4]。在三种大吨位起重 机中，环轨起重机结构组成形式简单、直径大的特点可以很大程度上提高整机的稳定性 能和整机的承载能力。其起重力矩大、接地比压小、工作范围广、运行平稳、回转平稳 性高、 抗风载能力强及集装箱式模块化设计的优点使其在超大吨位起重机中得到广泛的 应用。环轨起重机的特点是其环形轨道位于起重机行走装置的外围，整机的配重和臂架 都铰接于环形轨道上，整机所受载荷全部作用于环形轨道上；整机的臂架系统采用组合 臂架的结构形式，起升、变幅及回转运动都是由液压系统进行驱动[5]。自主设计的环轨 起重机的三维模型图如图 1.1 所示。 图 1.1 环轨起重机三维模型图 Fig. 1.1 Three-dimensional model of ring rail crane 环轨起重机多卷扬同步控制系统研究 - 2 - 起重机的主要运动包括起升、伸缩、回转及变幅运动等。其中起升机构是起重机上 完成重物起升最主要的机构。目前工程上通常采用卷扬式的起升机构，也存在着顶升式 等其它形式的起升机构[6]。液压驱动系统因其传动比大、传递功率大、运行平稳、易于 实现速度控制和方向控制等优点被广泛应用于起重机的驱动系统中。 电液比例闭式液压 系统因其工作可靠，满足控制精度的要求被广泛应用于起重机的起升系统。液压驱动的 起升系统由发动机、泵组、液压马达、减速器、卷筒、钢丝绳、滑轮组、吊钩组、安全 保护装装置及辅助装置等元器件组成。 变量泵接收控制器发出的电信号进行功率放大后 控制比例方向阀，变量泵变量机构中的液压缸活塞产生相应的位移，变量泵的斜盘倾角 改变相应的角度以产生相应的流量，液压油驱动马达产生相应的转速，马达的转速需要 经过减速器进行力矩放大后驱动卷筒进行转动，卷筒释放相应长度的钢丝绳，钢丝绳通 过起重机臂架头部的定滑轮组与吊钩上铰接的滑轮组相连完成重物的起升[7]。 对于大吨位起重机而言，单卷扬系统由于液压系统和机械元器件的限制，已无法提 供足够的起重力矩来吊取重物。 工程上一般都是通过选用强度更高的钢丝绳或者选用较 大倍率的滑轮组以增加缠绕钢丝绳的股数等方法来增大起重力矩。 选用强度更高的钢丝 绳，对应钢丝绳的半径和卷筒直径会相对应的增加，造成卷筒缠绕钢丝绳后卷筒整体体 积变大， 这种方法对于超大吨位起重机多个卷扬机构的布置而言是不可实现的。 如图 1.2 所示为 SGC-120 环轨起重机上多卷扬排布形式，图 1.3 所示为 Mammoet 公司环轨起重 机上多卷扬的排布形式。选用较大的滑轮组倍率会增加卷筒上缠绕的钢丝绳层数，缠绕 层数过多会造成钢丝绳之间的挤压磨损等[8]。对于大吨位起重机而言，针对增加钢丝绳 强度或增大滑轮组倍率的方法不能解决起重力矩不足的问题， 目前常采用的方法是采用 多卷扬系统通过滑轮组共同提升吊钩， 极大地提高起重机的吊重量与起重机的工作安全 性能。目前，千吨级以上的起重机至少都具备四卷扬机构[9, 10]。 a）SGC-120 环轨起重机上多卷扬排布形式 b）SGC-120 环轨起重机上多卷扬排布形式 图 1.2 SGC-120 环轨起重机上多卷扬排布形式 Fig. 1.2 Multi - winches arrangement in SGC-120 ring rail crane 大连理工大学硕士学位论文 - 3 - 图 1.3 Mammoet 公司环轨起重机上多卷扬排布形式 Fig. 1.3 Multi - winches arrangement in Mammoet ring rail cranes 虽然多卷扬系统能有效地增加起重力矩，但液压系统的压力波动、系统泄露、外部 干扰、系统排绳情况不同、多套卷扬系统钢丝绳出绳速度不一致及缠绕层数的不一致等 因素的影响，导致卷扬系统之间的转动速度不等，出绳速度不等，进而导致提升重物的 多股钢丝绳长度存在着同步误差，使得吊钩存在水平倾角，钢丝绳受力不均。吊钩存在 的水平倾角也会造成钢丝绳与相对应的滑轮绳槽之间的偏角加大， 势必会造成钢丝绳的 磨损。当其中一侧的卷扬机构发生超载时会发生钢丝绳的断裂。因此，多卷扬同步控制