PID控制器在塔式起重机的应用探析

吕吉章

摘要:塔式起重机被广泛用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的安装。在运输和安装过程中由于外界阻力造成定位不精准和负载摆动幅度大等问题。PID控制是历史悠久、生命力强的控制方法，控制简单、稳定性好，易于实现等优点，有良好的控制效果。在塔式起重机上，可通过其他电气元件，对吊重高度检测、小车位置检测和摆角检测，收集信息，经过分析处理，通过PID控制对整个控制系统进行偏差调节，使被控变量进行调节，实现起重机运行状态有效控制，提高定位精准度、安全性和工作效率。

关键字：塔式起重机；PID控制器

中图分类号：TG231.1 文献标识码： A

为了做到塔式起重机启动及制动的平稳、变速迅速、停车准确、运行稳定可靠，没有良好的调速性能是难以实现的。特别是在港口盐雾、潮气、灰尘的恶劣环境下操作的起重机，频繁的调速往往会出现金属结构振动冲击、疲劳开裂等问题，导致塔式起重机寿命缩短及设备损坏，甚至会发生安全事故，由此可见塔式起重机调速系统的重要性。

1.塔机变频调速方式

变频器根据电动机的特性可以对供电电压、电流和频率进行适当的控制，不同的控制方式将得到不同的调速特性。变频器的控制方式主要包括 V/F 控制、转差频率控制和矢量控制。以上方法中，矢量控制方式的变频调速性能可与直流调速性能相媲美，在实际中的应用最为广泛。在采用矢量控制的交流电机调速系统中，由于传统PID 控制结构简单、易于实现，因此 PID 控制仍占据了主导地位。

塔机的工作特点是断续工作、频繁启动、制动；运行过程中有明显的振动和冲击；有时会过负荷；工作环境多尘土，环境温度变化范围大。

针对其工作特点，塔机工作机构的控制系统主要由控制器、传感器、变频器及塔机的工作机构组成。

2.PID控制系统

PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。但由于其在实际应用中受到参数整定方法繁杂的困扰，控制精度受到制约。PID 控制原理图见图1。

在连续控制系统中，PID 控制规律为

对应的模拟 PID 调节器的传递函数为

简单说来，PID 控制器各校正环节的作用如下：

1）比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

2)积分环节主要用于消除静差、提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，常数越大，积分作用越弱，反之则强。

3)微分作用能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调整时间。

在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。

由于位置式PID控制算法是全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对偏差进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，计算机输出将大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID控制算法。所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量。当执行机构需要的是控制量的增量(例如驱动步进电动机)时，可导出提供增量的PID控制算式：

上式成为增量式PID控制算法。

因为塔机需要达到就位准确、较高的控制精度，同时也为避免计算机发生故障，而导致发生故障的严重后果，所以采用增量式 PID 控制算法。

3.塔机起升机构数字PID仿真

电动机的型号为ZDY21-4B，转动惯量为0.2kgm2，额定电压为380V，同步转速为1500r/min，额定转速为1380r/min，电机极对数p=3,将参数数据代入到电机的公式中，计算得到Kr1＝5.024，变频器的控制电压范围设定为0V～10V，频率范围为0Hz～50Hz，所以Ks=5HZ/V，取加速时间为0.1s。

由此得到整个系统的开环传递函数为

闭环传递函数为

应用增量式PID控制器对起升机构进行控制，是通过调节 PID 控制器的 3个参数（Kp＝0.15；Ki＝0.01；Kd＝0.8）来实现的。如果给系统输入正弦信号 sin(πt)时，系统的跟踪及误差曲线如图2所示，从仿真图中可以看出，PID 控制系统可以达到比较好的跟踪效果。

在实际应用中，起重机起升（或下降）的实际运行过程为加速－匀速－减速过程，即输入信号为一梯形曲线。因此，当给系统输入梯形信号时，响应及误差曲线如图2所示，从仿真图中可以看出，跟踪过程误差很小，PID控制器具有较好的实际应用价值。

4.塔机起升机构变频调速实验

本课题的实验研究选用我校工程机械实验室自行设计的实验用塔机，它可以实现普通塔机的起升、变幅、回转功能，动力分别由3台普通三相交流异步电动机提供。根据塔机起升机构的电机选取了变频器，并简要介绍了其功能；根据变频器的内置PID控制器的反馈输入选择了光电编码器作为传感器；用变频器构成闭环控制系统，并根据实验要求设计了变频器的系统参数，完成了塔机起升机构的调速实验，并根据测得的数据对实验结果进行了分析。设定电机的输入频率恒定为50Hz时(阶跃信号)，根据测得的数据，加上PID控制以后，塔机的启动特性得到了明显的改善（见图3）。方便日常检查和维护。

5.用户注重检查维护 避免故障隐患

从调查发现，有的用户对所使用机器至出现故障时从未检查过螺栓的预紧力。为避免螺栓松动失效断裂，需要用户在使用过程中定期检查螺栓预紧力矩，在第一次使用100小时应普遍地均匀地检查1次螺栓并拧紧，以后每500小时间隔均应检查1次。破碎作业、工作情况恶劣的要缩短检查间隔。机器累计工作2000小时后，如果发现有螺栓松动到规定力矩的80%以下，则该螺栓和相邻的两个螺栓都要更换；如发现20%的螺栓松动到规定力矩的80%以下，则全部换新的；累计工作14000小时后，全部螺栓都要换新的。

针对目前我国塔机行业中起升机构调速方法不先进，造成起重机效率低、能耗高等缺点，通过计算机数字仿真的效果来看，加入PID控制后，系统在保持系统稳定的基础上，响应性有明显的好转，对塔机的起升机构进行了试验，结果也表明，加PID控制明显比不加PID控制具有更好的调速性能。

6.结语

现在因为我国塔式起重机行业中起升机构调速方法还不是很先进，以至于起重机有工作效率低、工作时消耗能源高等缺点。但是通过计算机数字仿真效果来看，在加入了PID控制后在系统能够维持原有的系统稳定性的系统上，在响应性方面都有了明显的改善。同时在对塔机的起升机构的实验也表明加PID控制的调速性能明显好于不加PID控制的调速性能。所以PID控制器在塔式其中起到十分重要的作用，通过PID控制对整个控制系统进行偏差调节，使被控变量进行调节，实现起重机运行状态有效控制，提高定位精准度、安全性和工作效率。

参考文献：

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[2]戴明宏，吴新佳，梁景成.塔式起重机变频调速控制系统[J].河南科技，2005,(1);29-34

[3]吕广明，胡长胜.基于SPWM的起重机变频调速技术研究[J].建筑机械化，2007,(5):21-24