涂 兵, 王思成, 刘杨玉, 钟 杰, 贺 燕

(1.湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳 414006; 2. 湖南理工学院 复杂系统优化与控制湖南省普通高等学校重点实验室, 湖南 岳阳 414006)

基于多传感器数据融合的电磁起重机控制算法与仿真分析

涂 兵1,2, 王思成1, 刘杨玉1, 钟 杰1, 贺 燕1

(1.湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳 414006; 2. 湖南理工学院 复杂系统优化与控制湖南省普通高等学校重点实验室, 湖南 岳阳 414006)

对电磁起重机的磁路与电磁吸力进行了仿真分析; 对电磁起重机吊运物体的电磁吸力与吊起物体的等效重力建立了数学模型, 设计了一种多位置传感器的电磁起重机控制算法. 现场实验结果表明: 设计的多位置传感器电磁起重机能有效的对物体吊运的整个过程实时监控, 能有效的根据多传感器的值来调节电磁起重机电流的大小, 大大提高了电磁起重机吊运物体时的安全性.

电磁起重机; 电磁吸力; 传感器; 控制算法

引言

随着当今社会的飞速发展, 起重机的应用越来越广泛, 电磁起重机的工作量和工作效率比以往普通的起重机高出数倍因而被广泛使用. 电磁起重机产生的强大磁场力可以实现几十吨不装箱不打包也不用捆扎的铁片、铁丝、铁定、废铁和其它各种铁料的收集和搬运, 不但操作省力, 而且工作过程简单. 由于电磁起重机系统是一个非线性系统, 电磁起重机与被吊运物体之间的有效接触面积, 接触面之间的碎屑以及被吊运物体重心的变化都会影响它们之间的平衡状态, 从而可能会导致发生事故的危险. 随着控制系统与控制策略的发展, 通过多位置电磁传感器与气隙传感器的设计, 可以对电磁起重机与被吊运物体之间的动态过程进行实时采集与分析, 从而达到对电磁起重机吊运物体过程中的安全问题提供保障.

1 电磁起重机磁路与电磁吸力数值仿真分析

1.1 电磁起重机磁路数值仿真分析

电磁起重机的一般结构如图1所示. 其内部带有铁芯, 利用通有电流的线圈使其像磁铁一样具有磁性,电磁铁在通电后有磁性, 断电后磁性就随之消失. 对电磁起重机进行磁路仿真分析如图2所示.

图1 电磁起重机设计图

图2 电磁起重机磁路仿真分析

1.2 电磁起重机电磁吸力数值仿真分析

图3 电磁起重机电磁吸力仿真分析图

图4 电磁起重机吊起物体的受力分析

2 电磁起重机吊起物体时受力分析

电磁铁受力分析图如图4所示. 图4中: x为钢材在临界吸合平衡位置的间隙, Δx为钢材在y方向上偏离平衡位置的位移, I0, i分别为电磁铁线圈的偏置电流和控制电流, F为电磁铁对钢材所产生的电磁力, mg为钢材所受重力. 由于电磁力F正比于(i为励磁电流, x为电磁铁气隙), 要使钢材稳定吸合在平衡位置上, 须满足合力f≥F−mg, 假设平衡状态输入电流为i0, 钢材与电磁铁间的气隙为x0, 此时动力学方程, 电磁力方程分别为

在平衡点有

将钢材作为单质点来处理, 当钢材质心在y方向上有向上的偏移量为Δx时, 电磁铁的吸力为

当钢材仅存在平移, 且无干扰力存在时, 钢材的中心运动方程可表示为

其中i是位移Δx而引起的控制电流, 在平衡位置处有x=0, i=0, f0=0将上式在平衡位置处用泰勒公式展开, 并去除二阶无穷小量得:

一般ki称之为电流力系数或电流刚度; kx称之为位移力系数或位移刚度, 最终可以得到钢材的运动微分方程:

3 电磁起重机多传感器位置数据融合算法

电磁起重机在吊起物体时, 由于被吊运物体表面的不光滑导致与电磁起重机的有效接触面积发生变化从而导致被吊运物体的脱落. 通过电磁吸力数学建模仿真分析得知: 电磁吸力受到有效接触面积与空气隙磁感应强度的影响. 为了更加准确的确定被吊运物体与电磁起重机之间的相互关系, 在电磁起重机上设计了5个磁场传感器与1个气隙传感器值, 通过采用5个磁场传感器和1个气隙传感器的值来给电磁起重机的电流提供一个反馈值. 传感器设计的位置见图5. 图6为初始位置与物体脱落位置测量的磁场强度值与气隙传感器值. 反馈给磁场强度值

图5 电磁起重机各测试点位置

图6 各采样位置点与磁场强度测量值图

4 电磁起重机现场实验

设计的电磁起重机控制系统算法在岳阳科德电磁有限公司进行了实验验证, 图7是现场测试图片, 图 8是现场测试数据. 从图8中可以看出: 电磁起重机电流值的大小能很好的跟随计算出多传感器值的变化,从而通过电流的动态变化改变电磁吸力的大小, 保障起吊物体的安全性.

图7 现场测试图

图8 现场测试数据

5 总结

本文针对电磁起重机中的电磁吸力进行了数学仿真分析, 对电磁起重机起吊过程建立了数学模型,设计了一种多传感器数据融合算法, 对电磁起重机的动态过程进行有效的监控, 能实时根据传感器的值来调节电磁起重机电流的大小. 现场实验表明: 提出的算法能比较有效的符合工程实际应用的需求.

[1] 陈玉亭, 丁元喜. 强跟踪滤波器在电磁起重机系统中的应用[J]. 呼伦贝尔学院学报. 2010, 18(6): 91～94

[2] 孙承永, 王庆玉, 史沛柱. 电磁桥式起重机遥控系统设计[J]. 设计与制造. 2003, 3(1): 43～45

[3] 赵 青. 基于ANSYS有限元分析的伸缩导架结构优化设计[J]. 装备制造技术. 2014, 5(1): 193～196

[4] 刘 俊. 用于电磁起重机的无线遥控技术[J]. 武钢技术. 2013, 51(3): 38～42

[5] 林剑锋. 浅谈起重机的无线遥控[J]. 福建农机. 2007, 3(1): 58～59

[6] 徐国辉. 15t铁路起重机安全控制系统的研究[J]. 制造业信息化. 2014, 4(1): 150～151

[7] 何 坚, 宋 玥, 沈坤花, 等. 环绕智能环境多模态数据融合技术研究[J]. 传感技术学报. 2014, 27(7): 905～909

[9] 刘 涛. 信息融合算法及其应用研究[D]. 南京: 南京邮电大学硕士学位论文, 2013

[10] 张 阳, 沈明霞, 孙玉文, 等. 基于多传感器自适应加权融合的温室信息系统[J]. 传感器与微系统. 2014, 33(6): 100～103

Analysis and Simulation of Electromagnetic Crane Control Algorithm Based on Multi Sensor Data Fusion

TU Bing1,2, WANG Si-cheng1, LIU Yang-yu1, ZHONG Jie1, HE Yan1,
(1. College of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 2. Key Laboratory of Optimization and Control for Complex Systems, College of Hunan Province, Yueyang 414006, China)

This paper not only did an analysis and simulation about the magnetic path of electromagnetic crane and electromagnetic force, but also established a mathematical model of the electromagnetic force and the equivalent weight of the object, meanwhile, designed a control algorithm of electromagnetic crane based on a multi position sensor. And the results show that the design of electromagnetic crane based on a multi option sensor can be effectively to throughout the entire process of lifting objects, to adjust the currents of the electromagnetic crane according to the values of a multi position sensor, and to improve the security of electromagnetic crane while lifting the objects.

electromagnetic crane; electromagnetic force; sensor; control algorithm

TP212.9

A

1672-5298(2014)04-0024-04

2014-08-10

湖南省教育厅科研一般项目(14C0515); 湖南理工学院科研资助项目(2014Y30); 湖南理工学院大学生研究创新资助项目; 湖南省高校科技创新团队支持项目(湘教通[2012]318号); 湖南省高校产业化培育项目(13CY021);

涂 兵(1983− ), 男, 湖南岳阳人, 博士, 湖南理工学院信息与通信工程学院讲师. 主要研究方向: 信息处理与控制