發(fā)布時間：2018-11-13 17:43

【摘要】：我國每年都會有多起有關塔式起重機(塔吊)的惡性事故發(fā)生,造成極大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。針對這一情況,本文提出了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡的群塔監(jiān)控方案,并對塔吊防擺控制器的設計和塔吊防碰撞算法進行了深入地分析和研究。首先,本文以基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)技術為基礎,結合GPRS技術、CAN總線技術和嵌入式技術,提出了一套塔吊監(jiān)控系統(tǒng)的新方案。系統(tǒng)由塔吊運行監(jiān)控終端和監(jiān)控中心平臺組成。為保證系統(tǒng)的實時性,分析和比較了集中式控制模式與分布式控制模式的優(yōu)缺點,提出了結合兩者優(yōu)點的混合式控制模式,并詳細介紹了系統(tǒng)的結構及功能。系統(tǒng)的無線組網(wǎng)方式采用星型拓撲結構,實時交互個體控制器之間的信息。該系統(tǒng)具有簡易、實時性好、低成本、高可靠性等特點。其次,針對塔吊工作時,吊重極易發(fā)生擺動的現(xiàn)象,需要設計防擺控制器對其進行控制。本文應用拉格朗日方程建立了吊重系統(tǒng)的數(shù)學模型,對系統(tǒng)的穩(wěn)定性,可控性和可觀測性進行了分析。采用分別控制小車定位和吊重擺角的控制策略降低了控制的復雜度,為克服常規(guī)PID控制在塔吊防擺控制的不足,通過確定系統(tǒng)論域、隸屬度函數(shù),建立模糊規(guī)則表和精確化計算,從而設計了系統(tǒng)的模糊自適應PID控制器。用MATLAB/Simulink軟件對防擺控制器進行了仿真實驗,并與常規(guī)PID控制進行了性能比較分析,仿真研究表明,模糊自適應PID防擺控制器能快速實現(xiàn)小車的精確定位并消除負載擺動,相比常規(guī)PID控制,該控制器提高了系統(tǒng)的控制精度并具有較強的魯棒性。最后,針對施工現(xiàn)場內部群塔交叉作業(yè)極易產(chǎn)生塔臂碰撞的問題,本文采用坐標齊次變換對各塔吊坐標進行了統(tǒng)一,通過四維時空狀態(tài)法建立塔吊運動的數(shù)學模型,借鑒層次包圍體算法的碰撞檢測思想建立了塔吊防碰撞模型,并設計了實時計算塔臂間距的塔吊防碰撞算法,并用MATLAB軟件仿真驗證了算法的有效性和實時性。仿真實驗證明該算法可以達到施工現(xiàn)場內群塔作業(yè)時防止碰撞的目的。綜上所述,本文提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡的群塔監(jiān)控方案,并對其防擺控制和防碰撞算法進行了詳盡的研究。仿真實驗研究表明：該系統(tǒng)能有效地控制吊重的擺動,并且能有效地防止塔吊間的碰撞,防止安全事故發(fā)生。
[Abstract]:There are many malignant accidents about tower cranes in China every year, which result in great casualties and property losses. In order to solve this problem, this paper puts forward a group tower monitoring scheme based on wireless sensor network, and deeply analyzes and studies the design of tower crane anti-swing controller and the anti-collision algorithm of tower crane. Firstly, based on the (WSN) technology of wireless sensor network based on ZigBee, combined with GPRS technology, CAN bus technology and embedded technology, a new scheme of tower crane monitoring system is proposed in this paper. The system consists of tower crane operation monitoring terminal and monitoring center platform. In order to ensure the real-time performance of the system, the advantages and disadvantages of centralized control mode and distributed control mode are analyzed and compared. A hybrid control mode combining the advantages of both is proposed, and the structure and function of the system are introduced in detail. The system uses star topology to exchange information between individual controllers in real time. The system has the characteristics of simple, good real-time, low cost and high reliability. Secondly, it is necessary to design anti-swinging controller to control the hoisting load which is easy to swing when the tower crane works. In this paper, the Lagrange equation is used to establish the mathematical model of the hoisting system, and the stability, controllability and observability of the system are analyzed. In order to overcome the deficiency of conventional PID control in tower crane anti-swing control, the system theory field and membership function are determined by using the control strategy of controlling vehicle positioning and hoisting angle respectively, and the complexity of control is reduced. The fuzzy rule table and accurate calculation are established, and the fuzzy adaptive PID controller is designed. The simulation experiment of the anti-swing controller with MATLAB/Simulink software is carried out, and the performance of the anti-swing controller is compared with that of the conventional PID control. The simulation results show that the fuzzy adaptive PID anti-swinging controller can quickly realize the accurate positioning of the vehicle and eliminate the load swing. Compared with the conventional PID control, the controller improves the control accuracy and has strong robustness. Finally, aiming at the problem that the cross operation of group tower in the construction site is easy to produce the collision of tower arm, this paper unifies the coordinates of each tower crane by coordinate homogeneous transformation, and establishes the mathematical model of tower crane motion by means of four-dimensional space-time state method. Based on the idea of collision detection of hierarchical bounding body algorithm, the anti-collision model of tower crane is established, and the anti-collision algorithm of tower crane is designed to calculate the distance between tower arms in real time. The effectiveness and real-time performance of the algorithm are verified by MATLAB software simulation. The simulation results show that the algorithm can prevent the collision during the operation of the tower group in the construction site. To sum up, this paper proposes a group tower monitoring scheme based on wireless sensor network, and studies its anti-swing control and anti-collision algorithm in detail. The simulation results show that the system can effectively control the swing of the crane, prevent the collision between the tower cranes, and prevent the occurrence of safety accidents.
【學位授予單位】：沈陽建筑大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TH213.3;TP277

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本文編號：2329904