【正文】 車載荷擺動的兩拍消擺策略。李偉等人是國內(nèi)從事防擺研究發(fā)表文章較多的學(xué)者，近年來，他們發(fā)表了多篇文章，分別在吊車的模型，控制方法等方面進行了研究。國內(nèi)最早從事吊車防擺控制研究的學(xué)者是中國民航學(xué)院的華克強等人，針對橋式吊車，給出了系統(tǒng)的簡化模型，根據(jù)此模型，射擊流最優(yōu)控制器，自適應(yīng)控制器、模擬控制器、并對三種控制器進行了比較分析。隨著電控技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子防搖急速越來越收到重視，國內(nèi)外學(xué)者采用各種控制方法做了大量的研究。如此反復(fù)數(shù)次，便將吊物的搖擺能量轉(zhuǎn)化為蹺板梁的轉(zhuǎn)動能量，并迅速吸收而使其緩沖，以達到減搖的目的。由于將向相反的方向擺動。吊物將擺向前方，從而使蹺板梁跟著傾斜，在這種情況下，蹺板梁的傾斜能量將由液力緩沖缸吸收。它由蹺板梁和裝在小車的液力緩沖缸組成。翹班梁式減搖裝置。當(dāng)小車停止運行后，起升或下降吊物時，前后兩組小車自行靠攏，這時起升繞組和不起升繞組都不致碰撞運載工具。分離小車減搖裝置。這種裝置當(dāng)小車停車后五秒內(nèi)，擺角幅度可撿到10cm，不影響起升繩的試用壽命，當(dāng)減搖鋼絲繩萬一發(fā)生折斷時，物體也不至于掉下。主要有以下幾種方式：交叉鋼絲繩減搖裝置。針對實際應(yīng)用的需求，研究吊車、集裝箱起重機等一類利用柔性繩索吊運重物時如何消擺的問題，不僅可以保證安全生產(chǎn)，而且會對提高貨物調(diào)運效率，縮短工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量帶來客觀的經(jīng)濟效益。這種方式不但耗費的時間長，而且消擺效果與吊車司機的操作經(jīng)驗有很大關(guān)系，阻礙了吊車工作效率的進一步提高。防擺裝置主要有機械式防擺和電子式防擺兩種形式。另外，隨著全球合作經(jīng)濟的快速發(fā)展，吊車運用的場合不斷擴大，貨物調(diào)運量也越來越大，單純依靠人工操作吊車來調(diào)運貨物的工作方式越來越成為阻礙貨物快速調(diào)運的瓶頸。如果由于吊車行走時擺動的原因，加大了吊車的運行時間，將會造成金屬液過早冷卻，從而降低產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，甚至?xí)?dǎo)致金屬液濺到澆注口外，引發(fā)生產(chǎn)事故。其次，在一些特殊的工作場合，對吊車運行過程中的擺動有嚴格的生產(chǎn)要求。過去，消除吊車擺動的方法大多是利用吊車司機的操作經(jīng)驗。吊車的體積和容量因應(yīng)用場合不同而異，但絕大多數(shù)場合都要求它們的運輸速度應(yīng)盡可能地快，這樣會提高生產(chǎn)效率。作為一種運載工具，它廣泛的運用于現(xiàn)代廠房、安裝工地和集裝箱工地等需要大量貨物調(diào)運的場所。從而避免了作業(yè)時，照成不必要的事故。運用增量型PID控制算法對PID控制策略進行了數(shù)字實現(xiàn)。本文首先建立了橋式吊車運動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并搭建了系統(tǒng)的仿真實驗?zāi)Ｐ?，設(shè)計了雙閉環(huán)PID控制器來實現(xiàn)吊車系統(tǒng)的防擺和定位控制。畢業(yè)設(shè)計天車吊鉤防擺控制器設(shè)計摘 要吊物的擺動是影響吊車裝卸效率的主要原因。電子防搖作為一種主動防搖方式，它將減搖和運行控制結(jié)合起來考慮，不依賴于司機的操作經(jīng)驗，可以有效的提高吊車的裝卸效率，減輕司機的工作強度，是實現(xiàn)港口、廠礦裝卸自動化的趨勢。針對常規(guī)PID控制器很難滿足橋式吊車這類控制參數(shù)變化很大的復(fù)雜系統(tǒng)對控制精度的要求，設(shè)計了非線性PID控制器（即PID參數(shù)隨誤差的變化而變化），該控制方案可以消除系統(tǒng)靜差，縮短系統(tǒng)響應(yīng)時間，抗干擾能力較強。本系統(tǒng)實現(xiàn)了吊車到達目的地吊鉤不在擺動的目的，使所吊重物在到達指定地點時，擺角為零。關(guān)鍵詞：橋式吊車；防擺；非線性PIDAbstractGenerally speaking, the loading efficiency of crane is mainly influenced by swing of hanging objects. As an active method for avoiding swing, electronic antiswing is not dependent on the driver’s experience and can bine swingdecreasing with movementcontrol 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 is established and the simulation model is also built . The two closedloop PID controller is designed to achieve the control of antiswing and orientation. Comparing with the controlling results of using conventional PID algorithm as a controller on different disturbance conditions, we can find that 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 steadystate error 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 plish the digital realization of PID control strategy with increment PID control algorithm.This system has realized the crane hook is not 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；Antiswing；Nonlinear PID目 錄第1章 緒 論 1 課題的背景及意義 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 本文研究主要內(nèi)容 4第2章 系統(tǒng)建模 5 問題的提出 5 建模機理 5 系統(tǒng)模型的建立 6第3章 方案論證 10 系統(tǒng)方案的論證 10 總體方案設(shè)計 11 傳感器的選型 11 轉(zhuǎn)換器的選型 13 單片機的選型 15 變頻器的選型 16第4章 硬件電路設(shè)計 17 數(shù)據(jù)檢測模塊 17 濾波電路模塊 19 轉(zhuǎn)換電路 20 單片機最小系統(tǒng) 20 變頻器調(diào)速模塊 21 鍵盤電路 22 電源電路 23第5章 軟件設(shè)計 25 系統(tǒng)流程圖 25 檢測控制流程圖 26 變頻器子程序 26 報警程序 27 PID控制的設(shè)計 28 非線性PID設(shè)計 29 仿真實驗驗證 32 增量型PID 38 吊車系統(tǒng)數(shù)字PID的實現(xiàn) 39第6章 總結(jié) 41參考文獻 42致 謝 43附錄Ⅰ 44附錄Ⅱ 46附錄Ⅲ 53V第1章 緒 論 課題的背景及意義橋式吊車，又名起重機，是一種利用連在活動架上的纜繩舉起和移動重物的機械裝置。另外，吊車一般都在離地面很高的導(dǎo)軌上運行，占地面積小，省工省力，是工廠、倉庫、碼頭必不可少的裝卸搬運工具。然而由于吊車的吊繩是柔性的纜繩，所以吊車的吊具在運行過程中不可避免的會產(chǎn)生擺動，這種擺動不僅可能損壞貨物，而且容易引發(fā)生產(chǎn)事故。這種方式不但操作人員的勞動強度大，而且人工控制方式精度差、效率低，已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)、運輸?shù)男枰?。例如：在冶金澆注車間，將盛著金屬液的吊車運抵澆注口上方進行澆注，這一過程要求吊車的動作快速準確。在港口作業(yè)中，常常要在碼頭、倉庫和船、汽車之間裝卸集裝箱等貨物，由于集裝箱質(zhì)量很大，稍有不慎，將會造成集裝箱和船艙或汽車相撞，從而導(dǎo)致集裝箱解體或者損壞汽車等運輸工具，因此需要集裝箱就位準確且無擺動。為了提高吊車的工作效率，目前大多數(shù)吊車都安裝了吊具防擺裝置。機械式防擺主要是通過機械手段來消耗擺動能量以達到最終消除擺動的目的，因此是一種被動的防擺方式。比較而言，電子式防擺是一種主動防擺方式，它能將防擺和小車的運行控制結(jié)合起來考慮，不依賴于司機的操作經(jīng)驗。第1章 TC0 施工現(xiàn)場的橋式吊車 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前在吊車系統(tǒng)防擺應(yīng)用方面，大多數(shù)吊車采用機械式防擺裝置。這是日本三菱重丁公司研制的，在行走小車上沿運行方向裝設(shè)兩組交叉懸掛的減搖鋼絲繩及其驅(qū)動裝置，分別驅(qū)動液壓泵，由于液力回路中安全閥的阻抗，使鋼絲繩產(chǎn)生張力，從而防止吊具搖擺。但這種減搖裝置正佳了一套減搖鋼絲繩卷繞系統(tǒng)，同時吊運貨物和不掉貨物時減搖性能差異很大。這種裝置的工作原理是，當(dāng)小車行走時，前后涼組小車通過螺桿驅(qū)動機向兩頭分離，使起升鋼絲繩成V字型，從而祈禱減搖效果。這種減搖裝置使小車重量增大，構(gòu)造也比較復(fù)雜。它是由日本日立制作所研究的。當(dāng)行走小車以額定速度行走時，吊物將大致位于行走小車的中心線上，當(dāng)行走小車減速時，由于慣性的作用。由于吊物前進方向的擺動受到阻力。此時，蹺板梁也跟著向相反的方向傾斜，并迅速吸收吊物搖擺能量。這種減搖裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，工作平穩(wěn)，而且減搖效果較為理想。與國外學(xué)者在這個問題研究相比，國內(nèi)學(xué)者在研究內(nèi)容在深度上、規(guī)模上、還與國外學(xué)者有很大的差距。山東建筑工程學(xué)院的李偉等人在吊車防擺控制領(lǐng)域也開展了研究。應(yīng)用最優(yōu)控制理論，提出了天車電動消擺和全程消擺等控制策略。作者采用幾點配置技術(shù)，以激憤二次型性能指標(biāo)提出最優(yōu)消擺策略，同時實現(xiàn)消擺、提高了運行速度兩個目標(biāo)。山東大學(xué)的楚軍、陳志堅等人在此方面也進行了一定的研究，建立了橋式吊車數(shù)學(xué)模型，并依據(jù)此模型，應(yīng)用最優(yōu)控制理論，提出了橋式吊車水平規(guī)律，并對抓斗進行了防擺控制器研究。該方法通過控制橋式吊車行走的時間順序?qū)崿F(xiàn)其停車與抓斗消擺的同步控制。在吊車防擺控制的研究上，國外學(xué)者的控制方法多種多樣，既有比較傳統(tǒng)的經(jīng)典理論控制、現(xiàn)代控制理論、最優(yōu)控制理論、也有比較心的自適應(yīng)控制理論、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、非線性控制、PID控制等方法。Lee采用根軌跡，頻域法等常規(guī)分析方法，結(jié)合只能控制設(shè)計了吊車的防擺、定位控制器。雖然在文獻中，Lee分別采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等進行防擺控制，但整個設(shè)計思想仍舊是采用經(jīng)典控制。Hans設(shè)計了模型參考只適應(yīng)控制器，但參考模型的選擇比較困難，當(dāng)參考模型懸著不適合時，控制效果大大降低。Burg等人提出了基于飽和控制的非線性二維吊車控制策略。試用非線性控制方法對吊車系統(tǒng)進行控制器的設(shè)計解決了因線性化帶來的簡化誤差，但控制器設(shè)計方法復(fù)雜，計算量大，不易于實驗實現(xiàn)。學(xué)術(shù)參考價值超高。同時，為了便于控制器的設(shè)計，對系統(tǒng)模型進行了線性化，推導(dǎo)出了系統(tǒng)的簡化模型。（3）橋式吊車防擺控制器的設(shè)計針對橋式吊車系統(tǒng)的特點，分別采用常規(guī)PID控制器、非線性PID控制器、設(shè)計了吊車水平運動過程的定位控制器。針對以上所采取的不同控制策略和算法，分別進行了仿真實驗，并施加各種擾動以檢驗控制器的控制效果。第2章 系統(tǒng)建模 問題的提出橋式吊車利用繩索一類的柔性體代替剛體工作，以使得吊車的結(jié)構(gòu)輕便，工作效率高。為研究吊車的防擺控制問題，需要對實際問題進行簡化、抽象。 吊車系統(tǒng)的物理抽象模型圖中，小車的質(zhì)量為,受到水平方向的外力的作用，重物的質(zhì)量為，繩索的長度為。 建模機理該問題為多剛體、多自由度、多約束的質(zhì)點系動力學(xué)問題。顯然，對于橋式吊車運動系統(tǒng)的動力學(xué)問題應(yīng)用牛頓力學(xué)來分析勢必過于復(fù)雜。拉格朗日給出了解決具有完整約束的質(zhì)點系動力學(xué)問題的具有普遍意義的方程，被后人稱為拉格朗日方程，它是分析力學(xué)中的重要方程。為了分析其本質(zhì)，必須對實際吊車系統(tǒng)做進一步抽象和必要的簡化處理，因此給出如下假設(shè)：（1）對于橋式吊車，由于吊車在進行裝卸作業(yè)時，大車一般處于靜止?fàn)顟B(tài)，故建立力學(xué)模型時，可不考慮大車運動。（3）鋼絲繩的剛度足夠大，其長度變化可以忽略不計。（5）不計風(fēng)力和空氣阻尼。 橋式吊車的物理模型重物通過繩索與小車相連，小車在行走電機的水平拉力的作用下在水平軌道上運動，小車的質(zhì)量為,重物的質(zhì)量為，繩索的長度為，重物可以在提升電機的提升力的作用之下進行升降運動；繩索的彈性、質(zhì)量、運動的阻尼系數(shù)均可忽略；小車與水平軌道的摩擦阻尼系數(shù)為，其他擾動可忽略。，小車的位置和重物的位置坐標(biāo)為： （21） 所以小車和重物的速度分量為： （22）系統(tǒng)的動能為： （23）此系統(tǒng)的拉格朗日方程組為：