桥式吊车防摆控制器设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

桥式吊车防摆控制器设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

86 结 论 88 参考文献 89 附录 90 致 谢 94 吉林化工学院毕业设计说明书 1 第 1 章 绪论 课题的背景及意义 桥式吊 车（如图 11），又名起重机，是一种利用连在活动架上的缆绳举起和移动重物的机械装置。 作为一种运载工具，它广泛的运用于现代厂房、安装工地和集装箱工地等需要大量货物调运的场所。 另外，吊车一般都在离地面很高的导轨上运行，占地面积小，省工省力，是工厂、仓库、码头必不可少的装卸搬运工具。 图 11 施工现场的桥式吊车 吊车 的体积和容量因应用场合不同而异，但绝大多数场合都要求它们的运输速度 应尽可能 地 快，这样会提高生产效率。 然而 由于吊车的吊绳是柔性的缆绳，所以吊车的吊具在运行过程中不可避免的会产生摆动 ，这种摆动不 仅可能损坏货物，而且容易 引发 生产事故。 过去，消除吊车摆动的方法大多是利用吊车司机的操作经验。 这种方式不但操作人员的劳动强度大，而且人工控制方式精度差、效率低，已经远远不能满足现代化生产、运输的需要。 其次，在一些特殊的工作场合，对吊车运行过程中的摆动有严格的生产要求。 例如：在冶金浇注车间，将盛着金属液的吊车运抵浇注口上方进行浇注，这一过程要求吊车的动作快速准确。 如果由于吊车行走时摆动的原因，加大了吊车的运行时间，将会造成金属液过早冷却，从而降低产品质量和生产效率，甚至会导致金属液溅到浇注口外，引发生产事故。 在港口作业中，常常要在码头、仓库和船、汽车之间装卸集装箱等货物，由于集装箱质量很大，稍有不慎，将会造成集装箱和船舱或汽车相撞，从而导致集装箱解体或者损坏汽车等运输工具，因此需要集装箱就位准确且无摆动。 桥式吊车防摆控制器设计 2 另外，随着全球合作经济的快速发展， 吊车运用的场合不断扩大， 货物调运量也越来越大，单纯依靠人工操作吊车来调运货物的工作方式越来越成为阻碍货物快速调运的瓶颈。 为了提高吊车的工作效率，目前大多数吊车都安装了吊具防摆装置。 防摆装置主要有机械式防摆和电子式防摆两种形式。 机械式防摆主要是通过机械手段来消耗摆动能量以达到 最终消除摆动的目的，因此是一种被动的防摆方式。 这种方式不但耗费的时间长，而且消摆效果与吊车司机的操作经验有很大关系，阻碍了吊车工作效率的进一步提高。 比较而言，电子式防摆是一种主动防摆方式，它能将防摆和小车的运行控制结合起来考虑，不依赖于司机的操作经验。 另外，随着人们生活水平的提高，迫切需要改善恶劣的工作环境，最终达到使司机离开驾驶室的目的。 为此，电子防摆技术越来越广泛的得到研究者的重视。 针对实际应用的需求，研究吊车、集装箱起重机等一类利用柔性绳索吊运重物时如何消摆的问题，不仅可以保证安全生产，而且会对提高 货物调运效率，缩短工业产品的生产周期，提高产品质量带来客观的经济效益。 本课题的立题正是以此为背景，研究柔性绳索的防摆控制技术。 国内外发展综述 要开发一套吊车防摆系统是一项很具有挑战性的工作，不仅由于吊车本身是一个非线性系统，而且系统本身的参数也是不断变化的（如绳长、负载质量等），同时外界诸如风等干扰对控制器的设计也有很大影响。 近几十年来，国内外大量的自控专家学者对这一难题开展了广泛的研究，按其控制方法的不同可分为： 开环控制技术 （ 1）输入整定（ inputshaping）。 这是目前最 成熟也最实用的防摆控制器设计技术之一，它是按照预定路径来自动调整或缩短运行周期的开环控制技术之一。 Alsop 等人（ 1965 年）首次用输入整定技术设计摆幅控制器。 这个控制器用常值加速度加速（时间为半周期的整数倍），当摆角等于零的时候撤消加速度，然后小车匀速运动。 在减速阶段，重复该过程。 假设有两步加速度为常值，同时对摆的周期进行线性化估计， Alsop等人用迭代程序计算出小车的加速轨迹。 他们的结果表明，虽然能够保证小车在目标位置无摆动，但是在加速和减速期间摆幅达到 10。 Carbon（ 1976 年）分别利用该方案的一步和两步策略设计控制器并用在码头卸货的商用桥式吊车上。 Alzinger 和 Brozovic（ 1983年）用这种方法，通过数值仿真两步加速方案比一步加速方案能显著降低运行时间。 他们用两步加速方案设计出了商用吊车。 在实际吊车上检验得知两步加速方案既能 快速运吉林化工学院毕业设计说明书 3 动又能在目标位置降低摆幅。 实验结果还显示只要有任何和预定加速曲线的偏离就会产生高达 5 的摆角。 Hazlerigg（ 1972 年）提出了另一种输入整定方案，用对称的两 步加速 /减速轨迹来移动小车到目标位置，实验结果表明该方案能有效抑制负载摆动，但是它对绳长改变非常敏感。 Yamada 等（ 1983 年）提出一种开环整定技术，这种技术利用庞德里亚金的极大极小值原理来设计加速度曲线，获得了最小的运行时间，而且在目标位置时摆角为零。 Jones 和 Petterson 等人（ 1988 年）推广了 Alsop 等人（ 1965 年）的工作，对摆的周期进行非线性估计，实验结果表明在目标位置时的摆角可以控制在 到 之间，但是对有初始摆角的干扰却无能为力甚至可能放大它们。 Dadone 和 VanLaninghan等人（ 2020 年）运用多重标度技术对摆的周期进行了更好的估计，仿真结果表明它比基于线性估计和非线性估计都更为有效。 （ 2）最优控制（ optimal control）。 最先提出最优控制策略的是 Field（ 1961 年），他用模拟计算机对矿石卸载起重机的动力特性做了仿真。 经过尝试和修正，他们提出了最优速度曲线，它能够使小车和吊绳的运动时间最短，同时能够避开途中的障碍物。 但是，该方案不能控制载荷的摆动。 Beeston（ 1969 年）利用庞德里亚金最大值原理产生以时间最优为目标的加速度曲线。 这种方案对小车实施 bangbang 控制，在每段加速度曲线设置 3 个切换点。 然后用小车、载荷、速度的参数进行回归分析，但是这种方法不能很好地控制摆角。 Sakawa 和 Shindo（ 1982 年）将 Sakawa 在 1981 年提出的用于吊杆式吊车的最优控制方法运用到桥式吊车上，将桥式吊车模型在平衡点附近线性化，同时将它的运动过程分为上升运动、水平运动、下降运动三个阶段，然后对每个过程设计最优控制律，仿真结果表明虽然可以保证终点无摆动，但是在上升 、下降阶段有高达 7 的摆角。 李伟 [1] （ 2020 年）也提出了基于线性二次型最优的水平运动过程的控制策略，仿真结果表明该方法可以使速度最优，摆角收敛，但是鲁棒性和干扰性没有保证。 由于最优控制和输入整定技术都对模型名义值、初始条件及外部扰动非常敏感，要求“系统参数高度精确”以达到满意的系统响应，所以限制了他们的应用。 闭环控制技术 （ 1）线性控制（ linear control）。 Hazlerigg（ 1972 年）第一次对此采用反馈技术。 他利用二阶先导补偿器来抑制载荷摆角。 实验证明，尽管它能在绳 载荷装置的自然频率附近抑制摆角，但是在高频的时候会加大摆角。 Ohnishi 等人（ 1981 年）用两阶段方案来控制摆角。 第一阶段使用线性控制器使载荷在目标位置能稳定。 为了使载荷停住，小车分两个阶段减速。 第一个减速阶段是反馈控制阶段的一部分。 第二阶段用输入整定技术使负载到达目标位置。 该控制器在实际吊车上运用，实验结果表明它能使摆角最小，但是要比一个手工操作系统慢 30%。 Lee等人 [2] 于 1997年提出 PI和 PD相结合的控制方 案，桥式吊车防摆控制器设计 4 PI 用于位置控制， PD用来抑制摆角，该方案在比例吊车模型上的实验结果表明可以得到较好的位置精度和较小的摆角，但是抗外部干扰的能力较弱 ； 同年，他们又提出 PI、 PD的串级控制器，用一个 PI 速度控制器后串接一个位置 PI 位置控制器来保证定位精度和一个滞后 PD 角度补偿器来抑制摆角，但实验结果表明 PD 补偿器对绳长变化比较敏感。 （ 2）自适应控制（ adaptive control）。 Hurteau（ 1983 年）提出自适应控制方案，该方案运用一个线性状态反馈器来抑制摆 角，借助一个增益可调模块用极点配置的方法来调整增益适应绳长的变化。 Marttinen（ 1981 年）， Salminen（ 1990 年）， Virkkunen（ 1990年）提出一种与之相似的固定参数增益调整方案和一个参数方案（参数依绳长变化而变化）使控制器适应绳长变化。 两种方案都在一个模型上验证过，结果表明，位置有静差，在运动过程中摆角在 10 左右，而且时变参数方案在小车定位的时候会出现状态不稳定。 Lee（ 1997 年）引入一个 PI 控制器来跟踪绳长变化，还增加了一个增益 序列表，该表能改变摆角反馈控制器的增益。 这些增益值是每个绳长的最佳阻尼值，是关于绳长的函数。 实验表明该方案在低速运行时可以将摆角限制在 2 内，定位无静差，能抗外界干扰。 （ 3）模糊逻辑控制（ fuzzy logic control）。 由于模糊控制具有不需要精确的数学模型、鲁棒性较好等特点，所以它成为目前用的比较多的控制方案之一。 Yaunobu 和Hasegawa 方案能够使摆角和运行时间最小，而且能够避开途中的障碍物。 在模型和实际吊车的实验表明，该方案在效率、操 作时间、摆角和定位精度方面都比绝大多数的熟练工人要好。 此后大量文献均将模糊控制的方法运用于吊车系统，但是很难用模糊控制达到最佳速度，同时，模糊控制很难消除静差，这样定位精度的提高就成为一个需要解决的问题。 Amel Ouezri（ 2020 年）提出了一种 LQR 和模糊控制相结合的控制策略，但是实验结果发现垂直运动和水平运动不同步，这影响了它的效率。 易建强 [3] （ 2020 年）和（ 2020 年）也利用模糊控制做了一些尝试。 （ 4）非线性控制（ nonlinear control）。 由于吊车防摆系统本身就是个非线性系统，所以有很多学者直接从非线性角度研究问题，取得了丰富的研究成果。 Zinober（ 1979 年）提出一种滑模控制方案，能使运行时间最小，能消除静差，避开途中障碍物。 该方案不是一个关于模型参数的函数，因此对绳长和载荷变化不敏感。 它用一个线性开关函数来切换控制小车转矩的 bangbang 控制器，然后用一个低通滤波器来去除控制器输入信号的高频成分。 通过数字仿真可以看出，尽管运行时间比最优控制长 10%，但是它能抵抗外部干扰而不降低系统的性能。 Fliers 等人（ 1991 年， 1993 年）提出一种非线性动态反馈技术来线性化吊车的动力学方程。 这种技术被称为基于平面控制，因为它只适用于那些平面系统。 在平面系统中，输入和状态变量都可以用输出和输出的微分表示出 来。 所以，基于非线性平面系统的动态逆分析，就可以用系统的输出 和 载荷 的 位置写出系统的吉林化工学院毕业设计说明书 5 输入、提升和平移的加速度。 Cheng 和 Chen（ 1996 年）提出一种反馈线性化时滞控制策略让小车按预定光滑路径运动而且消除了静差。 从数字仿真可以看出系统无静差，并且可以使瞬时摆角最小不超过 3。 （ 1996 年）提出了基于饱和控制的非线性二维吊车控制策略。 他们先对吊车模型进行状态变换，使其变为典型的球一棒系统模型，然后按照球棒系统进行非线性控制器的设计。 使用非线性控制方法对吊车系统进行控制器的设计，从而解决了因线性化带来的简化误差，但控制器设计方法复杂，计算量大，不易于实验实现。 此外， Bartonili[4] （ 2020 年）将滑模控制，易建强，刘殿通等人 [5] （ 2020 年）将模糊二级滑模控制 运用到吊车防摆系统中，但是它们将吊车系统简单地线性化，甚至将绳长假定为常值，这使得问题大为简化。 本文研究的主要内容 针对国内外吊车防摆控制的研究现状，建立了桥式吊车系统的动力学模型，研究了桥式吊车系统的水平定位与防摆控制技术，具体内容包括以下几个方面： （ 1）系统动力学模型的建立与简化 根据理论力学的相关原理，应用拉格朗日方程对吊车系统进行分析，建立了 桥式 吊车运动 系统 的数学模型。 同时，为了便于控制器的设计，对系统模型进行 了 线性化，推导出了系统的简化模型。 （ 2）针对桥式吊车系统建立了基于 Simulink 的吊车 系统 仿真 实验 模型 Simulink 是一个图形化的建模工具。 从某种意义上讲，凡是能够用数学模型描述的系统，都可以用 Simulink 建模。 针对桥式吊车系统的动力学模型，运用 MATLAB/Simulink中的模块 搭建 了桥式吊车系统的仿真实验模型，并对其进行子系统封装。 （ 3）桥式吊车防摆控制器的设计 针对桥式吊车系统的特点，分别采用常规 PID 控制器、非线性 PID控制 器 、 LQR 控制器 设计了吊车水平运动过程 的 定位控制器。 同时利用 不同的控制策略设计了摆角前馈控制器，加速摆角的衰减速度， 以实现相应的控制目标。 （ 4）桥式吊车防摆控制器的仿真实验与结果分析 针对以上所采取的不同控制策略和算法，分别进行了仿真实验，并施加各种扰动以检验控制器的控制效果。 在对各种实验现象和结果进行比较、分析的基础上， 给出了桥式吊车防摆控制器的一些选择策略，以便更好的满足实际应用的要求。 桥式吊车防摆控制器设计 6 第 2 章 桥式 吊车系统 建模 引言 桥式吊车作为一种运载工具，广泛应用在车站、港口、工矿企业等部门的车间、货厂及仓库等场所，在固定空间内对各种物料进行起重、运输及装卸工作。 实际应用中的桥式吊车大多都由桥架、小车、大车运行机构、电气设备四部分组 成。 桥架为矩形框架，由四段箱形梁组合而成，其中长的两段叫主梁，短的两段叫端梁。 端梁的端部下面装有车轮，整个桥架由这四只车轮支承，可以沿厂房上空的轨道行走。 主梁上面也装有轨道，小车就在主梁上面行走。 桥架的行走方向是厂房的长度方向，小车的行走方向则是厂房的宽度方向。 小车上的卷扬机构收放钢丝绳，曳引着吊钩上下，实现对货物的提升。 大车运行机构的传动方式，主要分为集中驱动和分别驱动。 集中驱动又分为快速（高速）和慢速（低速）两种。 高速集中驱动的大车运行机构，由电动机通过制动轮直接与联轴器、传动轴联接，减速器在主梁走台 的两端。 这种运行机构的特点是传动轴转速较高，传递转矩小，而传动轴和轴系零件尺寸也较小、传动机构的重量轻。 低速集中驱动的大车运行机构的特点是传动轴转速低，比较安全，但传动轴转矩大，因而一些零件的尺寸较大，使整个机构较重。 分别驱动是在桥式吊车上装两套相同但又互不联系的。