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1、吉林化工学院毕业设计说明书桥式吊车防摆控制器设计Anti-swing controller design of overhead crane学生学号： 05510113 学生姓名： 刘 通 专业班级： 自动0501 指导教师： 高兴泉 职 称： 副教授 起止日期： 2009.2.232009.6.12 吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology摘 要吊物的摆动是影响吊车装卸效率的主要原因。电子防摇作为一种主动防摇方式，它将减摇和运行控制结合起来考虑，不依赖于司机的操作经验，可以有效的提高吊车的装卸效率，减轻司机的工作强度，是实现港口、厂矿
2、装卸自动化的趋势。本文首先建立了桥式吊车运动系统的数学模型，并用MATLAB/Simulink搭建了系统的仿真实验模型，设计了双闭环PID控制器来实现吊车系统的防摆和定位控制。针对常规PID控制器很难满足桥式吊车这类控制参数变化很大的复杂系统对控制精度的要求，设计了非线性PID控制器（即PID参数随误差的变化而变化），该控制方案可以消除系统静差，缩短系统响应时间，抗干扰能力较强。运用增量型PID控制算法对PID控制策略进行了数字实现。最后，基于吊车系统的线性化模型设计了状态反馈控制器，控制器增益由LQR方法得到，仿真结果表明，该方法的控制效果也是令人满意的。关键词：桥式吊车；防摆；非线性PID
3、；增量型PID；LQRAbstractGenerally speaking, the loading efficiency of crane is mainly influenced by swing of hanging objects. As an active method for avoiding swing, electronic anti-swing is not dependent on the drivers experience and can combine swing-decreasing with movement-control to improve the effi
4、ciency of crane, and lighten the intensity of drivers. Therefore, it will be used widely for loading of port and factory.In this thesis, the mathematical model of the overhead crane motion system is established and the simulation model is also built with MATLAB/Simulink. The two closed-loop PID cont
5、roller is designed to achieve the control of anti-swing and orientation. Comparing with the controlling results of using conventional PID algorithm as a controller on different disturbance conditions, we can find that it is difficult to meet the accuracy requirements of the practical operation of cr
6、ane system which has easily variable control parameters in the process of running. So we design the nonlinear PID whose variable parameters change with error. The results of simulation indicate that the steady-state error can be eliminated, and the response time of system can be shortened, in additi
7、on, the disturbance rejection ability of system can be strengthened. Then, we complish the digital realization of PID control strategy with increment PID control algorithm.At last, the state feedback controller is designed based on linearized model of crane system and the controller gain can be obta
8、ined by the LQR method. The results of simulation show that the control strategy is also satisfactory. Key Words：Overhead crane；Anti-swing；Nonlinear PID；Increment PID；linear quadratic regulator目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的背景及意义11.2 国内外发展综述21.2.1 开环控制技术21.2.2 闭环控制技术31.3 本文研究的主要内容5第2章 桥式吊车系统建模62.1 引
9、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3
10、03.2.4 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
11、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附录90致 谢94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
12、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
13、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。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
14、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，
15、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：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
