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1、. . .通桥式吊车防摆控制器设计毕业论文目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的背景及意义11.2 国外发展综述21.2.1 开环控制技术21.2.2 闭环控制技术31.3 本文研究的主要容5第2章 桥式吊车系统建模62.1 引言62.2 问题提出62.3 建模机理72.4 系统模型的建立82.5 模型参数的确定112.6 桥式吊车仿真实验模型的建立112.7 本章小结13第3章 桥式吊车PID控制器的设计143.1 桥式吊车常规PID控制器的设计143.1.1 常规PID控制原理及规律143.1.2 位置摆角双闭环常规PID控制器的设计153.1.3 PID控制参数的
2、整定方法163.1.4 常规PID控制器的控制仿真与干扰实验213.2 基于非线性PID的吊车防摆控制器设计263.2.1 非线性PID控制器的设计原理263.2.2 位置摆角双闭环非线性PID控制器的设计293.2.3 非线性PID控制器的参数整定303.2.4 非线性PID控制器的控制仿真与干扰实验313.2.5 非线性PID控制器设计原理的仿真实验验证343.3 数字PID控制器的设计413.3.1 PID控制规律的离散化423.3.2 吊车系统数字PID的实现473.4 本章小结49第4章 桥式吊车状态反馈控制器的设计504.1 系统模型的线性化及简化504.2 吊车系统线性化模型的实
3、用性验证544.3 吊车系统线性化模型的特性分析564.3.1 吊车系统的时域分析574.3.2 吊车系统的根轨迹分析594.3.3 吊车系统的频域分析604.4 基于LQR的吊车防摆控制器设计634.4.1 线性二次型问题634.4.2 连续系统线性二次型最优控制644.4.3 吊车系统LQR控制器的设计664.4.4 吊车系统LQR控制器抗干扰性能的仿真实验684.5 本章小结72第5章 三种控制器控制效果的比较与分析735.1 理想条件下三种控制器控制效果的对比735.2 三种不同控制策略的抗干扰性能对比775.3 桥式吊车防摆控制器的选择865.4 本章小结86结 论88参考文献89附
4、录90致 谢94.参考资料.第1章 绪论1.1 课题的背景及意义桥式吊车（如图1-1），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1-1 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
5、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
6、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。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
7、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。1.2 国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
8、扰对控制器的设计也有很大影响。近几十年来，国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：1.2.1 开环控制技术（1）输入整定（input-shaping）。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
9、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。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
10、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（2001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
11、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bang-bang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
12、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、下降阶段有高达的摆角。伟（2003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。1.2.2 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
13、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等人于1997年提出PI和PD相结合的控制方案，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
14、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
15、果表明，位置有静差，在运动过程中摆角在左右，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，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（2002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（2003年）和F.OMAR（2003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
