塔式起重机的定位防摆控制

发布时间：2020-07-05 07:46

【摘要】：塔式起重机具有占地面积小,安装运输方便等优点,它成为现代化下各类工业和建筑业应用的主要机械。它广泛应用于现场货物运输,负载与小车之间使用电缆进行连接运输的,因此,它在运行过程中容易受到环境干扰。在负载运输过程中会出现摆动现象,给塔式起重机的自动控制带来困难。目前都是通过人工操作当负载摆动时先减速等负载摆动衰减到一定程度后,再进行定位操作。这样不仅会影响工作效率而且存在安全隐患。本文以INTECO公司的塔式起重机(Tower Crane)实验系统为研究对象进行定位防摆控制的研究。根据塔式起重机的运行特点,它的运动包括变幅运动、旋转运动以及升降运动。为了简化复杂性,本文针对变幅控制进行研究,实现了定位防摆的双重目标,主要完成的工作如下:第一,为了实现小车准确定位同时抑制负载摆动,采用多目标粒子群(PSO)算法同时优化两个PID控制器的参数达到了控制目标。当参数不准确或外界有不确定的干扰存在时小车会偏离跟踪的期望位置且负载摆角较大。因此,传统PID控制在塔式起重机系统的应用中存在局限性。第二,针对欠驱动塔式起重机无法实现完全反馈线性化的问题,采用部分反馈线性化方法对非线性模型进行线性化并稳定其Qg部动力学。仿真和实验结果表明了该方案的有效性。该控制器能快速、准确地控制起重机的大幅度摆动。第三,设计了综合定位防摆控制的传统滑模变结构控制器(SMC)和分层滑模控制器(HSMC)并进行实验验证。利用双曲正切函数代健符号函数解决抖动问题。SMC在参数的不确定性和扰动的上限已知时依然可以很好的达到控制要求。第四,在实际应用中,参数的不确确定性和扰动的上限往往不为人所知。因此，SMC和HSMC应用这种情况受到限制。为此提出了一种自适应反步滑模控制(ABSMC)方法来估计模型的不确定性和外部扰动,以获得更好的鲁棒性。第五,起重机的精确模型通常难以获得,利用RBF神经网络和滑模变结构控制不需要模型也可以实现对象控制,本文实验验证了基于RHF神经滑模控制器的塔式起重机定位防摆。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH213.3;TP273
【图文】：

塔式起重机

起重机系统进行理论分析，需要先建立控制系统的数学模型。受到外界环境，小车与导轨之间的摩擦力等各种不确定因素的较复杂。在本章中建模时做出了一些必要的假设，忽略一部分建立系统动力学模型的运动方程，本文使用拉格朗日方法。在性能分析很重要。对系统进行了三个特性的分析，即稳定性，对系统性能的认识。重机模型简介及工作原理重机模型简介 INTECO 公司的塔式起重机实验系统为研究对象如图 2-1 所示沿机械臂径向移动，机械臂在水平面内旋转以及负载的升降。小车能够定位，从而使负载可以降落在工作空间中的任何一点放下负载、使其远离障碍物是很重要的。它也可以作为控制策略

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其通过 PC 机进行控制。因此与它相关的软硬件可以方便的安装在实验室。其机械单元包括电源、与 PC 机的接口和专用数字板卡。在 Windows MS 操作系统下使用 MATLAB 和RTW 工具箱进行控制。塔吊工作过程中，5 个状态变量分别由五种测量编码器测量：极坐标平面中小车的坐标，升降线的长度，负载的两个偏离角。测量运动的编码器分辨率高达每转 4096 脉冲数。这些编码器连同特定的机械解决方案，构成了独立的测量单位。负载偏离角的测量精度高达 0.0015 弧度。作用于直流电机前由 PC 机产生的控制信号要通过电源接口放大。PC 机与电源接口通信是通过 RT-DAC / PCI 多功能数字 I/O 板卡。所有必须的逻辑信号均通过配置在RT-DAC / PCI 板卡上的 Xilinx 芯片产生。这些逻辑信号包括：启动信号，读取编码器的信号以及产生用于控制直流电机的特定 PWM 脉冲序列。板卡所有功能都可以直接在MATLAB / Simulink 环境下通过塔吊工具箱实现。塔式起重机的所有的仿真和实时控制都在 MATLAB / Simulink 环境中，区别在塔式起重机的实时控制是 MATLAB / Simulink RTW 环境下的实时软件控制。控制器仿真界面如图 2-2 所示，实时控制操作界面如图 2-3 所示。

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