大型构件计算机控制液压同步提升系统的实时控制算法
大型构件计算机控制液压同步提升系统的实时控制算法陈 健 徐鸣谦 2001-4-181 引言大型构件液压同步提升技术是一项新颖的的建筑施工安装技术。它与传统的提升方法 不同，采用柔性钢铰线或刚性立柱承重、提升器集群、计算机控制、液压同步提升新原理， 结合现代化施工方法，将成千上万吨的构件在地面拼装后，整体地提升到预定高度安装就位 。在提升过程中，不但可以控制构件的运动姿态和应力分布，还可以让结构件在空中长 期滞留和进行微动调节，实现倒装施工和空中拼接，完成人力和现有设备难以完成的施工任 务，使大型构件的起重安装过程既简便快捷，又安全可靠。
在我国，这项技术从八十年代末开始，先后应用于上海石洞口第二电厂和外高桥电厂六座24 0m钢内筒烟囱倒装施工、上海东方明珠广播电视塔钢天线桅杆整体提升、北京西客站主站 房钢门楼整体提升、北京首都机场四机位机库网架屋面提升以及上海大剧院钢屋架整体提升 等一系列重大建设工程中，获得了巨大成功，取得了显著的经济效益和社会效益。工程实践 证明，它是一项具有良好应用前景的新技术。
在大型构件液压同步提升系统的控制中，计算机控制系统的控制算法和控制策略是保持 同步提升的精度的关键。采用一般的PID控制算法，静态误差大，且误差变化也大，不能应 用于工程实际。本文结合工程实际，介绍了一种改进的PID控制算法-双限幅PID控制算法， 试验和实际工程应用表明，它是一种有效的算法。
2 液压同步提升及计算机控制原理
四个液压顶升油缸的同步控制是通过自整角机组测量油缸间的相对位移偏差实现的（见图1 ）。
图1 四缸同步顶升控制系统原理图四油缸1、2、3、4中1缸为主令缸，其比例阀电流设为恒定。它通过齿条齿轮带动自整角发 讯机，2缸、3缸、4缸则通过齿条齿轮带动自整角变压器。2、1（3、1及4、1）两缸的位移 偏差以自整角变压器激磁线圈上的电压反应出来。将该偏差交流电压进行相敏解调变成直流 后，经A/D变换输入微机，通过微机数字调节运算，再经D/A变换和功率放大后控制电液比 例 调速阀的开度，从而调节2、3、4缸的运动速度，达到与1主令缸同步目的。因此，同步顶升 系统为一速度控制的位置反馈闭环系统。
液压同步提升系统的工作装置都是液压驱动的，其液压提升原理如图2所示。液压系统由提 升主系统和锚具辅助系统组成。锚具辅助系统主要用于锚具油缸的松锚、紧锚动作。主液压 系统由主电机、主液压泵、电磁换向阀、溢流阀、电液比例流量阀桥式换向回路、主阀块、 提升油缸等组成。
图2 大型构件同步提升液压系统原理主液压缸在同步顶升和同步下降时都要有相同的同步位置精度，因为电液比例流量阀不能实 现双向调速，为简化控制系统，降低造价，采用了液压桥式换向回路，以实现主液压缸的双向速度控制。主液压缸需要在一定的行程内往复运动，它通过软管进、回油，但一旦软管爆裂，后 果将不堪设想。为确保安全，在每个主液压缸的缸体上都安装了液控单向阀，这不仅解决了 安全问题，还为顶升作业带来了方便，可以允许主液压缸能在任何位置停留，这在施工过程 中是十分必要的。
为了便于系统调试和同步下降控制，调试主系统通过相应的两位四通常开式电磁截止阀来实 现主油缸的单缸操作闭锁。3 实时计算机控制算法
（1）一般PID控制算法
PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变 灵活（PI、PD、…）。长期以来被广大科学技术人员及现场操作人员所采用，并积累了大量 的 经验。过去PID的调节规律完全由DDZ单元组合仪表完成。现在可以方便地由程序在微机上实 现。
连续系统PID调节器为对误差的比例、积分和微分控制，即
或
式中：Ti、Td分别为积分和微分时间常数；Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分 系数、微分系数。在计算机控制系统中使用的是PID数字调节器，就是对式（1）离散化 ，令
式中，T是采样周期。由式（1）与式（3）可得
式（4）称为位置式PID控制算法。
在PID控制中，比例作用Kp加大将会减小稳态误差，提高系统的动态响应速度。积分 控制可用来消除系统的稳态误差，因为只要存在偏差，它的积分所产生的信号总是用来消除 稳态误差的，直到偏差为零，积分作用才停止。微分控制的作用，实质上是跟偏差的变化速 度有关，并且能在偏差达到很大值以前，就产生控制作用。微分控制能够预测偏差，产生超 前的校正作用。因此，微分控制可以较好地改善动态性能。
位置式PID数字调节器的输出u（kT）是全量输出，是执行机构所应达到的位置，数字 调节器 的输出跟过去的状态有关，计算机的运算工作量大，需要对e（kT）作累加，而且计算机 的 故障很有可能使u（kT）作大幅度的变化，这种情况往往是生产实践中不容许的，而且有 些 场合可能会造成严重的事故，因此增量式PID控制较位置式PID控制有广泛的应用。所谓增 量式PID是指数字调节器的输出只是增量Δu（kT）。
增量式算式中不需要作累加，增量只跟最近的几次采样有关，容易获得较好的控制效 果。由于式中无累加，消除了当偏差存在时发生饱和的危险。
在液压同步提升系统的控制中，按式（5）的控制量u（kT）为计算机输出的脉冲宽度 调制PWM，用于控制电液比例流量阀的电流，从而达到控制进入主液压提升缸的流量即 同步 提升速度的目的。实际的工程实践表明：积分项是不能加的，因此，Ki=0.设Kd=0，则 式（5）变为
即
根据（7）式的算法在大型构件液压同步提升试验台［2］上进行计算机实时控制试 验得到的液压缸 位置误差及计算机输出PWM变化曲线如图3中曲线1所示。可以看出：误差变化和PWM变化都 很 大，在同步提升过程中，结构件就象摇船似地被提升。因此，这样的算法不能在现场施工中 使用，必须加以改进。
图3 两种控制算法实时控制效果对比 （2）改进的PID算法--双限幅PID控制算法
双限幅PID控制算法是在PID控制算法基础上改进得到的。它的基本思想是：由于调节过程极快（10ms），如果每次PWM的变化太大的话，将造成比例阀超调。且由于比例阀的滞环特性的影响，比例阀对电流的变化有一个滞后的响应过程。因此，在调节过程中要尽量避 开滞环的影响。也就是在一阶段调节过程中比例阀的电流只能单调地增加或单调地减少。比如在液压同步上升时，当高差为负的时候，说明此吊的提升速度比主令吊点提升速度慢。它的比例阀电流需要加大，但每个循环的PWM的增加是有限的，即
PWM(kT)=PWM(kT-T)+C （8）式中，C为一固定值。
这样就限制了每次循环（采样时间）中PWM的增加量或减少量。另外，把比例阀的初始设定P WM与根据当前误差计算出的PID控制算法的控制增量相加之和作为这一循环比例阀电流增加的最大限值。因此，随着比例阀电流的不断增加，误差越来越小，根据误差计算出的控制增 量也就越来越小，当某一循环比例阀的电流值等于比例阀初始设定PWM与控制增量之和时， 调节过程结束，系统达到一个平衡状态，维持一定的静差。当高差为正时，调节过程与上述 步骤相反。
根据这种控制思想进行的液压同步提升实时试验得到的曲线如图3中曲线2所示。从图中可以 看 出：与一般PID控制算法相比液压缸的位置误差和计算机输出的PWM的变化都小得多，结构件 在提升过程中也显得非常的平稳。因此，这是一种非常实用的控制算法。
4 结论
大型构件液压同步提升系统是一个庞大的物理系统，它综合了机械、液压、计算机、控制论及传感器等多项技术。计算机控制系统的控制算法和控制策略是其关键技术之一，在经过艰苦的探索和试验后，上述双限幅PID控制算法已成功地应用于多项国家重点工程的建设和施工中，是一种很有效的计算机控制算法。
作者单位:陈 健 广东工业大学机电系，广州510643；
徐鸣谦 同济大学机械学院，上海200092
参考文献
［1］陈 键.大型构件液压同步提升系统的稳定性研究.同济大学博士学位论文， 1998.10
［2］陈 键.徐鸣谦.液压同步提升系统加载试验台.工程机械,1998(6)
［3］乌建中等.石洞口电厂240m钢内筒烟囱液压顶升同步控制.同济大学学报.Vo 1.21,1993,增刊
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