1、I毕业设计天车吊钩防摆控制器设计II摘 要吊物的摆动是影响吊车装卸效率的主要原因。电子防摇作为一种主动防摇方式，它将减摇和运行控制结合起来考虑，不依赖于司机的操作经验，可以有效的提高吊车的装卸效率，减轻司机的工作强度，是实现港口、厂矿装卸自动化的趋势。本文首先建立了桥式吊车运动系统的数学模型，并搭建了系统的仿真实验模型，设计了双闭环 PID 控制器来实现吊车系统的防摆和定位控制。针对常规 PID控制器很难满足桥式吊车这类控制参数变化很大的复杂系统对控制精度的要求，设计了非线性 PID 控制器（即 PID 参数随误差的变化而变化） ，该控制方案可以消除系统静差，缩短系统响应时间，抗干扰能力较强。
2、运用增量型 PID 控制算法对 PID 控制策略进行了数字实现。本系统实现了吊车到达目的地吊钩不在摆动的目的，使所吊重物在到达指定地点时，摆角为零。从而避免了作业时，照成不必要的事故。关键词：桥式吊车；防摆；非线性 PIDIIIAbstractGenerally speaking, the loading efficiency of crane is mainly influenced by swing of hanging objects. As an active method for avoiding swing, electronic anti-swing is not depende
3、nt on the drivers experience and can combine swing-decreasing with movement-control to improve the efficiency of crane, and lighten the intensity of drivers. Therefore, it will be used widely for loading of port and factory.In this thesis, the mathematical model of the overhead crane motion system i
4、s established and the simulation model is also built . The two closed-loop PID controller is designed to achieve the control of anti-swing and orientation. Comparing with the controlling results of using conventional PID algorithm as a controller on different disturbance conditions, we can find that
5、 it is difficult to meet the accuracy requirements of the practical operation of crane system which has easily variable control parameters in the process of running. So we design the nonlinear PID whose variable parameters change with error. The results of simulation indicate that the steady-state e
6、rror can be eliminated, and the response time of system can be shortened, in addition, the disturbance rejection ability of system can be strengthened. Then, we complish the digital realization of PID control strategy with increment PID control algorithm.This system has realized the crane hook is no
7、t swinging the purpose of arriving at our destination, make lifting heavy weights in got to the designated place, pendulum Angle is zero. Avoiding the homework, as into unnecessary accidents.Key Words：Overhead crane；Anti-swing；Nonlinear PIDIV目 录第 1章 绪 论 .11.1 课题的背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 本文研究主要内容 .4
8、第 2章 系统建模 .52.1 问题的提出 .52.2 建模机理 .52.3 系统模型的建立 .6第 3章 方案论证 .103.1 系统方案的论证 .103.2 总体方案设计 .113.3 传感器的选型 .113.4 转换器的选型 .133.5 单片机的选型 .153.6 变频器的选型 .16第 4章 硬件电路设计 .174.1 数据检测模块 .174.2 滤波电路模块 .194.3 转换电路 .204.4 单片机最小系统 .204.5 变频器调速模块 .214.6 键盘电路 .224.7 电源电路 .23第 5章 软件设计 .255.1 系统流程图 .255.2 检测控制流程图 .265.3
9、 变频器子程序 .265.4 报警程序 .275.5 PID 控制的设计 .285.5.1 非线性 PID 设计 .29V5.5.2 仿真实验验证 .325.5.3 增量型 PID.385.5.4 吊车系统数字 PID 的实现 .39第 6章 总结 .41参考文献 .42致 谢 .43附录 .44附录 .46附录 .531第 1章 绪 论1.1 课题的背景及意义桥式吊车，又名起重机，是一种利用连在活动架上的缆绳举起和移动重物的机械装置。作为一种运载工具，它广泛的运用于现代厂房、安装工地和集装箱工地等需要大量货物调运的场所。另外，吊车一般都在离地面很高的导轨上运行，占地面积小，省工省力，是工厂、
10、仓库、码头必不可少的装卸搬运工具。吊车的体积和容量因应用场合不同而异，但绝大多数场合都要求它们的运输速度应尽可能地快，这样会提高生产效率。然而由于吊车的吊绳是柔性的缆绳，所以吊车的吊具在运行过程中不可避免的会产生摆动，这种摆动不仅可能损坏货物，而且容易引发生产事故。过去，消除吊车摆动的方法大多是利用吊车司机的操作经验。这种方式不但操作人员的劳动强度大，而且人工控制方式精度差、效率低，已经远远不能满足现代化生产、运输的需要。其次，在一些特殊的工作场合，对吊车运行过程中的摆动有严格的生产要求。例如：在冶金浇注车间，将盛着金属液的吊车运抵浇注口上方进行浇注，这一过程要求吊车的动作快速准确。如果由于吊
11、车行走时摆动的原因，加大了吊车的运行时间，将会造成金属液过早冷却，从而降低产品质量和生产效率，甚至会导致金属液溅到浇注口外，引发生产事故。在港口作业中，常常要在码头、仓库和船、汽车之间装卸集装箱等货物，由于集装箱质量很大，稍有不慎，将会造成集装箱和船舱或汽车相撞，从而导致集装箱解体或者损坏汽车等运输工具，因此需要集装箱就位准确且无摆动。另外，随着全球合作经济的快速发展，吊车运用的场合不断扩大，货物调运量也越来越大，单纯依靠人工操作吊车来调运货物的工作方式越来越成为阻碍货物快速调运的瓶颈。为了提高吊车的工作效率，目前大多数吊车都安装了吊具防摆装置。防摆装置主要有机械式防摆和电子式防摆两种形式。机
12、械式防摆主要是通过机械手段来消耗摆动能量以达到最终消除摆动的目的，因此是一种被动的防摆方式。这种方式不但耗费的时间长，而且消摆效果与吊车司机的操作经验有很大关系，阻碍了吊车工作效率的进一步提高。比较而言，电子式防摆是一种主动防摆方式，它能将防摆和小车的运行控制结合起来考虑，不依赖于司机的操作经验。针对实际应用的需求，研究吊车、集装箱起重机等一类利用柔性绳索吊运重2物时如何消摆的问题，不仅可以保证安全生产，而且会对提高货物调运效率，缩短工业产品的生产周期，提高产品质量带来客观的经济效益。图 1.1 施工现场的桥式吊车1.2 国内外研究现状目前在吊车系统防摆应用方面，大多数吊车采用机械式防摆装置。
13、主要有以下几种方式：交叉钢丝绳减摇装置。这是日本三菱重丁公司研制的，在行走小车上沿运行方向装设两组交叉悬挂的减摇钢丝绳及其驱动装置，分别驱动液压泵，由于液力回路中安全阀的阻抗，使钢丝绳产生张力，从而防止吊具摇摆。这种装置当小车停车后五秒内，摆角幅度可捡到 10cm，不影响起升绳的试用寿命，当减摇钢丝绳万一发生折断时，物体也不至于掉下。但这种减摇装置正佳了一套减摇钢丝绳卷绕系统，同时吊运货物和不掉货物时减摇性能差异很大。分离小车减摇装置。这种装置的工作原理是，当小车行走时，前后凉组小车通过螺杆驱动机向两头分离，使起升钢丝绳成 V 字型，从而祈祷减摇效果。当小车停止运行后，起升或下降吊物时，前后两
14、组小车自行靠拢，这时起升绕组和不起升绕组都不致碰撞运载工具。这种减摇装置使小车重量增大，构造也比较复杂。翘班梁式减摇装置。它是由日本日立制作所研究的。它由跷板梁和装在小车的液力缓冲缸组成。当行走小车以额定速度行走时，吊物将大致位于行走小车的中心线上，当行走小车减速时，由于惯性的作用。吊物将摆向前方，从而使跷板梁跟着倾斜，在这种情况下，跷板梁的倾斜能量将由液力缓冲缸吸收。由于吊物前进方向的摆动受到阻力。由于将向相反的方向摆动。此时，跷板梁也跟着向相反的方向倾斜，并迅速吸收吊物摇摆能量。如此反复数次，便将吊物的摇摆能量转化为跷板梁的转动能量，并迅速吸收而使其缓冲，以达到减摇的目的。这种减摇装置结构
15、简单，操作容易，工作平稳，而且减摇效果较为理想。第 1章 TC03随着电控技术和信息技术的飞速发展，电子防摇急速越来越收到重视，国内外学者采用各种控制方法做了大量的研究。与国外学者在这个问题研究相比，国内学者在研究内容在深度上、规模上、还与国外学者有很大的差距。国内最早从事吊车防摆控制研究的学者是中国民航学院的华克强等人，针对桥式吊车，给出了系统的简化模型，根据此模型，射击流最优控制器，自适应控制器、模拟控制器、并对三种控制器进行了比较分析。山东建筑工程学院的李伟等人在吊车防摆控制领域也开展了研究。李伟等人是国内从事防摆研究发表文章较多的学者，近年来，他们发表了多篇文章，分别在吊车的模型，控制
16、方法等方面进行了研究。应用最优控制理论，提出了天车电动消摆和全程消摆等控制策略。并提出了基于时间最优的小车载荷摆动的两拍消摆策略。作者采用几点配置技术，以激愤二次型性能指标提出最优消摆策略，同时实现消摆、提高了运行速度两个目标。但这些研究都只局限于理论与软件仿真，而没有进行实验验证。山东大学的楚军、陈志坚等人在此方面也进行了一定的研究，建立了桥式吊车数学模型，并依据此模型，应用最优控制理论，提出了桥式吊车水平规律，并对抓斗进行了防摆控制器研究。坐着提出了桥式吊车水平规律和抓斗摆动规律，提出了一种抓斗防摆的方法。该方法通过控制桥式吊车行走的时间顺序实现其停车与抓斗消摆的同步控制。楚军等人提出的控
17、制策略大多与李伟等人具有一致性，都是以最优秀的理论最为基础提出的，同样也只能做理论仿真而无实验验证。在吊车防摆控制的研究上，国外学者的控制方法多种多样，既有比较传统的经典理论控制、现代控制理论、最优控制理论、也有比较心的自适应控制理论、模糊控制、神经网络、非线性控制、PID 控制等方法。韩国学者的控制方法采用传统的控制理论与现代人工智能理论向结合设计吊车防摆与定位控制器。Lee 采用根轨迹，频域法等常规分析方法，结合只能控制设计了吊车的防摆、定位控制器。Lee 提出了一种基于 Lyapunov 稳定性的吊车防摆控制器。虽然在文献中，Lee 分别采用模糊神经网络等进行防摆控制，但整个设计思想仍旧
18、是采用经典控制。日本学者 Yamada 将模糊控制试用于吊车的防摆控制中，取得了教好的效果。Hans 设计了模型参考只适应控制器，但参考模型的选择比较困难，当参考模型悬着不适合时，控制效果大大降低。由于吊车防摆系统本身就是个非线性系统，所以很多学者直接从非线性角度研究问题，取得了丰富的研究成果。Burg 等人提出了基于饱和控制的非线性二维吊车控制策略。他们先对吊车模型进行状态变换，使其变为典型的一棒系统模型，然后按照球棒系统进行非线性控制的设计。试用非线性控制方法对吊车系统进行4控制器的设计解决了因线性化带来的简化误差，但控制器设计方法复杂，计算量大，不易于实验实现。由于国外学者的研究，国内学
19、者大多采用最优控制、PID 控制模糊控制等方法，并只有仿真效果，而无实验结果，可信度，可行性都不能完全确信，而国外的学者研究比较严禁，实验条件也比较好，采用的控制策略也很多，大多数学者在理论分析的研究上，进行了实验仿真实验。学术参考价值超高。1.3 本文研究主要内容针对国内外吊车防摆控制的研究现状，建立了桥式吊车系统的动力学模型，研究了桥式吊车系统的水平定位与防摆控制技术，具体内容包括以下几个方面：（1）系统动力学模型的建立与简化根据理论力学的相关原理，应用拉格朗日方程对吊车系统进行分析，建立了桥式吊车运动系统的数学模型。同时，为了便于控制器的设计，对系统模型进行了线性化，推导出了系统的简化模
20、型。（2）针对桥式吊车系统建立了吊车系统仿真实验模型针对桥式吊车系统的动力学模型，运用 MATLAB/Simulink 中的模块搭建了桥式吊车系统的仿真实验模型，并对其进行子系统封装。（3）桥式吊车防摆控制器的设计针对桥式吊车系统的特点，分别采用常规 PID 控制器、非线性 PID 控制器、设计了吊车水平运动过程的定位控制器。（4）桥式吊车防摆控制器的仿真实验与结果分析。针对以上所采取的不同控制策略和算法，分别进行了仿真实验，并施加各种扰动以检验控制器的控制效果。在对各种实验现象和结果进行比较、分析的基础上，给出了桥式吊车防摆控制器的一些选择策略，以便更好的满足实际应用的要求。5第 2 章 系
21、统建模2.1 问题的提出桥式吊车利用绳索一类的柔性体代替刚体工作，以使得吊车的结构轻便，工作效率高。但是，采用柔性体吊运也带来一些负面影响，例如吊车负载重物的摆动问题一直是困扰提高吊车装运效率的一个难题。为研究吊车的防摆控制问题，需要对实际问题进行简化、抽象。吊车的“搬运行走定位”过程可抽象为如图 2-1 所示的情况。图 2.1 吊车系统的物理抽象模型图中，小车的质量为 ,受到水平方向的外力 的作用，重物的质量为 ，mc ()Ft lm绳索的长度为 。对重物的快速吊运与定位问题可以抽象为：求小车在所受的外l力 的作用下，使得小车能在最短的时间 由 A 点运动到 B 点，且 ，()Ft st ()st为系统允许的最大摆角。2.2 建模机理该问题为多刚体、多自由度、多约束的质点系动力学问题。由于牛顿经典力学主要是解决自由质点的动力学问题，对于自由质点系的动力学问题，是把物体系拆开成若干分离体，按反作用定律附加以约束反力，而后列写动力学方程。显然，对于桥式吊车运动系统的动力学问题应用牛顿力学来分析势必过于复杂。对于约束质点系统动力学问题来说，1788 年拉格朗日发表的名著分析力学一书中以质点系统为对象，应用虚位移与虚功原理，消除了系统中的约束力，得出了质点系平衡时主动力之间的关系。拉格朗日给出了解决具有完整约束的质点lmcmA Bl Ft
