【摘要】：起重機常用于港口機械搬運集裝箱和貨物,對于制造業(yè)和運輸業(yè)的發(fā)展具有重要意義,但是隨著起重機的運行,吊重容易產(chǎn)生擺動,嚴重影響了起重機的工作效率。為了減小起重機在裝卸工作過程中發(fā)生的搖擺現(xiàn)象,保證安全生產(chǎn),提高生產(chǎn)效率,本文采用最優(yōu)控制算法對起重機系統(tǒng)進行防搖擺設(shè)計。本文通過實驗建模進行系統(tǒng)辨識和數(shù)據(jù)采集,得到重物擺角與速度的表達式,再對系統(tǒng)進行機理建模。分析系統(tǒng)力學(xué)結(jié)構(gòu),通過Lagrange方程得到起重機關(guān)于二維平面吊重搖擺非線性模型的表達式。然后對實際工作中的具體情況做出一些必要假設(shè),忽略了建模過程中的次要因素和干擾問題,進一步簡化了起重機系統(tǒng)的搖擺動力學(xué)模型,得到了起重機系統(tǒng)的傳遞函數(shù)以及狀態(tài)方程。經(jīng)過Matlab的特性分析,驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性和可觀性。針對已建立的模型,本文采用了三種最優(yōu)控制方法:時間最優(yōu)控制、時間和角度最優(yōu)控制、Bang-Bang控制,并對每一種方法分別進行了解析、推導(dǎo)和驗證。為消除起重機運行過程中重物的搖擺并使小車準(zhǔn)確到位,時間最優(yōu)控制解決了小車在啟動階段、勻速運動階段、制動階段的時間最佳控制點;時間和角度最優(yōu)控制通過建立優(yōu)化指標(biāo)和邊界條件,得到了最優(yōu)的速度控制曲線;Bang-Bang控制加快了小車的運行速度,通過能量的守恒與轉(zhuǎn)化,逐層建立優(yōu)化指標(biāo)與限制條件,有效地控制了吊重擺角。將三種控制方法分別進行多組Simulink實驗,仿真結(jié)果驗證了算法的正確性和可行性。基于貝加萊PCC的起重機實驗平臺,介紹了起重機實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成,包括硬件配置與軟件使用,并繪制了電氣原理接線圖,分析了起重機系統(tǒng)人機界面程序設(shè)計的思想和流程,對相應(yīng)步驟和功能使用情況進行了闡述。通過Automation Studio軟件進行C編程,將控制算法應(yīng)用于起重機實驗平臺進行多組實驗,分別采用時間最優(yōu)控制、時間和角度最優(yōu)控制,Bang-Bang控制的方法運行系統(tǒng)。為達到最佳狀態(tài),調(diào)整控制變量參數(shù),得到了三種不同的最優(yōu)防搖擺效果。實驗表明,三種控制算法均能保證系統(tǒng)運行過程中的擺角控制在10°以內(nèi),且均能準(zhǔn)確到達指定位置,位置誤差控制在0.2%以內(nèi);并且,當(dāng)起重機運輸貨物距離不同時,就近可選擇時間和角度最優(yōu)控制、Bang-Bang控制,就遠可選擇時間最優(yōu)控制或Bang-Bang控制。
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP273;U653.921
【圖文】：

(a) 龍門橋吊 (b) 門吊 (c) 港口橋吊圖 1-1 起吊設(shè)備起重機如今成為一種現(xiàn)代化的大型搬運工具，廣泛應(yīng)用于碼頭、港口，它有著如下優(yōu)點：占地面積小，搭建快速且靈活，為搬運物料節(jié)省時間，同時也減輕了工人的負擔(dān)。而且起重機的結(jié)構(gòu)非常簡單，不僅為駕駛員的操作帶來了方便，還能夠載重大質(zhì)量貨物。起重機的廣泛使用實現(xiàn)了貨物的方便運輸、增大了安全生產(chǎn)的保障力度、減輕了體力工人的勞動負擔(dān)，并且極大程度提高了工人的工作效率。隨著社會的發(fā)展，世界貿(mào)易已經(jīng)進入全球化，起重機作為港口運輸機械的主力軍，其發(fā)展與革新也將到達一個新的里程碑[1]。但是，隨著港口貨運行業(yè)的快速發(fā)展，需要對其自動化運行、快速有序化搬運和安全性能方面提出更高的要求，由此保障生產(chǎn)秩序的安全穩(wěn)定[2]。就目前而言，我國普遍使用的起重機控制系統(tǒng)，很大一部分還通過繼電器裝置來實現(xiàn)貨物的搬運，這種結(jié)構(gòu)不利于自動化生產(chǎn)，也不能保證運輸?shù)陌踩�，還容易造成事故帶來危險。另外，在起重機運行時，由于慣性導(dǎo)致吊重產(chǎn)生擺動，不利于大小車準(zhǔn)確定位，延長了工作時間，工作效率受到影響。起重機產(chǎn)生搖擺的主要因素有如下兩個：一是由于慣性作用，起重機大車、

要綜合考慮引起吊重搖擺的各種因素，然后分別采用進行處理，克服不確定情況。為了對起重機的防搖擺要對吊重擺動產(chǎn)生的原因及過程進行研究，這樣有利實現(xiàn)小車的精確定位。重系統(tǒng)介紹的小車和吊重機構(gòu)如圖 2-1 所示，它們之間通過非剛的。當(dāng)起重機的大車或者小車開始運動，也就是指當(dāng)時，而且暫時不考慮外界各種擾動因素的情況下，我兩種運動狀態(tài)：情況一，當(dāng)大車或小車獨立工作時，面內(nèi)，吊重產(chǎn)生的擺動與單擺的簡諧運動模式相仿；工作時，吊重將會以靜止?fàn)顟B(tài)的垂點為中心、以連接類似于曲面的衰減振蕩運動。許多研究人員和專家通況是由第一種情況組成的三維空間。ozxy橋架

起重機防搖擺最優(yōu)控制算法應(yīng)用研究度最小，即要求偏離鋼繩中心垂直線 h 的程度盡可能小。這樣就能滿足吊重擺角（與吊重連接的鋼繩 l 和垂線 h 的夾角）減小到零度或減小到預(yù)設(shè)的可接受范疇內(nèi)。如若吊重擺角不為零又或者遠大于可接受范疇時，所產(chǎn)生的擺幅能夠花費盡可能短的時間，減小到零或者減小到預(yù)設(shè)的可接受范疇內(nèi)。本文實驗使用的起重機防搖擺控制系統(tǒng)，是由貝加萊工業(yè)自動化有限公司所提供。它主要由各種模塊組合而成，包括伺服電機、伺服驅(qū)動器、X20 系列可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PCC)、直線導(dǎo)軌、擺錘、操作面板開關(guān)電源、導(dǎo)線等。起重機防搖擺系統(tǒng)分為兩個部分：正面是系統(tǒng)的機械部件和電機模塊，背面是系統(tǒng)的電氣模塊。實驗設(shè)備被牢固安放在特制電氣柜里，美觀且實用。電氣柜是由特制的鋁型材料作框架與透明有機玻璃作擋板組合而成，裝置配備了安全門，保證使用者的安全，同時也為系統(tǒng)正常工作提供了保障。起重機防搖擺系統(tǒng)實物如圖 2-2(a)(b)所示。

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