起重机防摇摆最优控制算法应用研究

发布时间：2020-08-08 13:57

【摘要】：起重机常用于港口机械搬运集装箱和货物,对于制造业和运输业的发展具有重要意义,但是随着起重机的运行,吊重容易产生摆动,严重影响了起重机的工作效率。为了减小起重机在装卸工作过程中发生的摇摆现象,保证安全生产,提高生产效率,本文采用最优控制算法对起重机系统进行防摇摆设计。本文通过实验建模进行系统辨识和数据采集,得到重物摆角与速度的表达式,再对系统进行机理建模。分析系统力学结构,通过Lagrange方程得到起重机关于二维平面吊重摇摆非线性模型的表达式。然后对实际工作中的具体情况做出一些必要假设,忽略了建模过程中的次要因素和干扰问题,进一步简化了起重机系统的摇摆动力学模型,得到了起重机系统的传递函数以及状态方程。经过Matlab的特性分析,验证了系统的稳定性、可控性和可观性。针对已建立的模型,本文采用了三种最优控制方法:时间最优控制、时间和角度最优控制、Bang-Bang控制,并对每一种方法分别进行了解析、推导和验证。为消除起重机运行过程中重物的摇摆并使小车准确到位,时间最优控制解决了小车在启动阶段、匀速运动阶段、制动阶段的时间最佳控制点;时间和角度最优控制通过建立优化指标和边界条件,得到了最优的速度控制曲线;Bang-Bang控制加快了小车的运行速度,通过能量的守恒与转化,逐层建立优化指标与限制条件,有效地控制了吊重摆角。将三种控制方法分别进行多组Simulink实验,仿真结果验证了算法的正确性和可行性。基于贝加莱PCC的起重机实验平台,介绍了起重机实验系统的结构组成,包括硬件配置与软件使用,并绘制了电气原理接线图,分析了起重机系统人机界面程序设计的思想和流程,对相应步骤和功能使用情况进行了阐述。通过Automation Studio软件进行C编程,将控制算法应用于起重机实验平台进行多组实验,分别采用时间最优控制、时间和角度最优控制,Bang-Bang控制的方法运行系统。为达到最佳状态,调整控制变量参数,得到了三种不同的最优防摇摆效果。实验表明,三种控制算法均能保证系统运行过程中的摆角控制在10°以内,且均能准确到达指定位置,位置误差控制在0.2%以内;并且,当起重机运输货物距离不同时,就近可选择时间和角度最优控制、Bang-Bang控制,就远可选择时间最优控制或Bang-Bang控制。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP273;U653.921
【图文】：

起吊设备

(a) 龙门桥吊 (b) 门吊 (c) 港口桥吊图 1-1 起吊设备起重机如今成为一种现代化的大型搬运工具，广泛应用于码头、港口，它有着如下优点：占地面积小，搭建快速且灵活，为搬运物料节省时间，同时也减轻了工人的负担。而且起重机的结构非常简单，不仅为驾驶员的操作带来了方便，还能够载重大质量货物。起重机的广泛使用实现了货物的方便运输、增大了安全生产的保障力度、减轻了体力工人的劳动负担，并且极大程度提高了工人的工作效率。随着社会的发展，世界贸易已经进入全球化，起重机作为港口运输机械的主力军，其发展与革新也将到达一个新的里程碑[1]。但是，随着港口货运行业的快速发展，需要对其自动化运行、快速有序化搬运和安全性能方面提出更高的要求，由此保障生产秩序的安全稳定[2]。就目前而言，我国普遍使用的起重机控制系统，很大一部分还通过继电器装置来实现货物的搬运，这种结构不利于自动化生产，也不能保证运输的安全性，还容易造成事故带来危险。另外，在起重机运行时，由于惯性导致吊重产生摆动，不利于大小车准确定位，延长了工作时间，工作效率受到影响。起重机产生摇摆的主要因素有如下两个：一是由于惯性作用，起重机大车、

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要综合考虑引起吊重摇摆的各种因素，然后分别采用进行处理，克服不确定情况。为了对起重机的防摇摆要对吊重摆动产生的原因及过程进行研究，这样有利实现小车的精确定位。重系统介绍的小车和吊重机构如图 2-1 所示，它们之间通过非刚的。当起重机的大车或者小车开始运动，也就是指当时，而且暂时不考虑外界各种扰动因素的情况下，我两种运动状态：情况一，当大车或小车独立工作时，面内，吊重产生的摆动与单摆的简谐运动模式相仿；工作时，吊重将会以静止状态的垂点为中心、以连接类似于曲面的衰减振荡运动。许多研究人员和专家通况是由第一种情况组成的三维空间。ozxy桥架

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起重机防摇摆最优控制算法应用研究度最小，即要求偏离钢绳中心垂直线 h 的程度尽可能小。这样就能满足吊重摆角（与吊重连接的钢绳 l 和垂线 h 的夹角）减小到零度或减小到预设的可接受范畴内。如若吊重摆角不为零又或者远大于可接受范畴时，所产生的摆幅能够花费尽可能短的时间，减小到零或者减小到预设的可接受范畴内。本文实验使用的起重机防摇摆控制系统，是由贝加莱工业自动化有限公司所提供。它主要由各种模块组合而成，包括伺服电机、伺服驱动器、X20 系列可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PCC)、直线导轨、摆锤、操作面板开关电源、导线等。起重机防摇摆系统分为两个部分：正面是系统的机械部件和电机模块，背面是系统的电气模块。实验设备被牢固安放在特制电气柜里，美观且实用。电气柜是由特制的铝型材料作框架与透明有机玻璃作挡板组合而成，装置配备了安全门，保证使用者的安全，同时也为系统正常工作提供了保障。起重机防摇摆系统实物如图 2-2(a)(b)所示。

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