【摘要】：起重機(jī)常用于港口機(jī)械搬運(yùn)集裝箱和貨物,對于制造業(yè)和運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展具有重要意義,但是隨著起重機(jī)的運(yùn)行,吊重容易產(chǎn)生擺動(dòng),嚴(yán)重影響了起重機(jī)的工作效率。為了減小起重機(jī)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(jī)系統(tǒng)進(jìn)行防搖擺設(shè)計(jì)。本文通過實(shí)驗(yàn)建模進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)和數(shù)據(jù)采集,得到重物擺角與速度的表達(dá)式,再對系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)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(jī)關(guān)于二維平面吊重?fù)u擺非線性模型的表達(dá)式。然后對實(shí)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(jìn)一步簡化了起重機(jī)系統(tǒng)的搖擺動(dòng)力學(xué)模型,得到了起重機(jī)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(yàn)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(shí)間最優(yōu)控制、時(shí)間和角度最優(yōu)控制、Bang-Bang控制,并對每一種方法分別進(jìn)行了解析、推導(dǎo)和驗(yàn)證。為消除起重機(jī)運(yùn)行過程中重物的搖擺并使小車準(zhǔn)確到位,時(shí)間最優(yōu)控制解決了小車在啟動(dòng)階段、勻速運(yùn)動(dòng)階段、制動(dòng)階段的時(shí)間最佳控制點(diǎn);時(shí)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(yùn)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?cái)[角。將三種控制方法分別進(jìn)行多組Simulink實(shí)驗(yàn),仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的正確性和可行性�；谪惣尤RPCC的起重機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),介紹了起重機(jī)實(shí)驗(yàn)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(jī)系統(tǒng)人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)的思想和流程,對相應(yīng)步驟和功能使用情況進(jìn)行了闡述。通過Automation Studio軟件進(jìn)行C編程,將控制算法應(yīng)用于起重機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn),分別采用時(shí)間最優(yōu)控制、時(shí)間和角度最優(yōu)控制,Bang-Bang控制的方法運(yùn)行系統(tǒng)。為達(dá)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(shí)驗(yàn)表明,三種控制算法均能保證系統(tǒng)運(yùn)行過程中的擺角控制在10°以內(nèi),且均能準(zhǔn)確到達(dá)指定位置,位置誤差控制在0.2%以內(nèi);并且,當(dāng)起重機(jī)運(yùn)輸貨物距離不同時(shí),就近可選擇時(shí)間和角度最優(yōu)控制、Bang-Bang控制,就遠(yuǎn)可選擇時(shí)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(jī)如今成為一種現(xiàn)代化的大型搬運(yùn)工具，廣泛應(yīng)用于碼頭、港口，它有著如下優(yōu)點(diǎn)：占地面積小，搭建快速且靈活，為搬運(yùn)物料節(jié)省時(shí)間，同時(shí)也減輕了工人的負(fù)擔(dān)。而且起重機(jī)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(jī)的廣泛使用實(shí)現(xiàn)了貨物的方便運(yùn)輸、增大了安全生產(chǎn)的保障力度、減輕了體力工人的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，并且極大程度提高了工人的工作效率。隨著社會(huì)的發(fā)展，世界貿(mào)易已經(jīng)進(jìn)入全球化，起重機(jī)作為港口運(yùn)輸機(jī)械的主力軍，其發(fā)展與革新也將到達(dá)一個(gè)新的里程碑[1]。但是，隨著港口貨運(yùn)行業(yè)的快速發(fā)展，需要對其自動(dòng)化運(yùn)行、快速有序化搬運(yùn)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(jī)控制系統(tǒng)，很大一部分還通過繼電器裝置來實(shí)現(xiàn)貨物的搬運(yùn)，這種結(jié)構(gòu)不利于自動(dòng)化生產(chǎn)，也不能保證運(yùn)輸?shù)陌踩�，還容易造成事故帶來危險(xiǎn)。另外，在起重機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于慣性導(dǎo)致吊重產(chǎn)生擺動(dòng)，不利于大小車準(zhǔn)確定位，延長了工作時(shí)間，工作效率受到影響。起重機(jī)產(chǎn)生搖擺的主要因素有如下兩個(gè)：一是由于慣性作用，起重機(jī)大車、

要綜合考慮引起吊重?fù)u擺的各種因素，然后分別采用進(jìn)行處理，克服不確定情況。為了對起重機(jī)的防搖擺要對吊重?cái)[動(dòng)產(chǎn)生的原因及過程進(jìn)行研究，這樣有利實(shí)現(xiàn)小車的精確定位。重系統(tǒng)介紹的小車和吊重機(jī)構(gòu)如圖 2-1 所示，它們之間通過非剛的。當(dāng)起重機(jī)的大車或者小車開始運(yùn)動(dòng)，也就是指當(dāng)時(shí)，而且暫時(shí)不考慮外界各種擾動(dòng)因素的情況下，我兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：情況一，當(dāng)大車或小車獨(dú)立工作時(shí)，面內(nèi)，吊重產(chǎn)生的擺動(dòng)與單擺的簡諧運(yùn)動(dòng)模式相仿；工作時(shí)，吊重將會(huì)以靜止?fàn)顟B(tài)的垂點(diǎn)為中心、以連接類似于曲面的衰減振蕩運(yùn)動(dòng)。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(jī)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?cái)[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?cái)[角不為零又或者遠(yuǎn)大于可接受范疇時(shí)，所產(chǎn)生的擺幅能夠花費(fèi)盡可能短的時(shí)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(shí)驗(yàn)使用的起重機(jī)防搖擺控制系統(tǒng)，是由貝加萊工業(yè)自動(dòng)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(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)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(jī)防搖擺系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：正面是系統(tǒng)的機(jī)械部件和電機(jī)模塊，背面是系統(tǒng)的電氣模塊。實(shí)驗(yàn)設(shè)備被牢固安放在特制電氣柜里，美觀且實(shí)用。電氣柜是由特制的鋁型材料作框架與透明有機(jī)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(shí)也為系統(tǒng)正常工作提供了保障。起重機(jī)防搖擺系統(tǒng)實(shí)物如圖 2-2(a)(b)所示。

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