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刘通桥式吊车防摆控制器设计毕业论文 目 录 摘 要 I Abstract II 第1章 绪论 1 1.1 课题的背景及意义 1 1.2 国内外发展综述 2 1.2.1 开环控制技术 2 1.2.2 闭环控制技术 3 1.3 本文研究的主要内容 5 第2章 桥式吊车系统建模 6 2.1 引言 6 2.2 问题提出 6 2.3 建模机理 7 2.4 系统模型的建立 8 2.5 模型参数的确定 11 2.6 桥式吊车仿真实验模型的建立 11 2.7 本章小结 13 第3章 桥式吊车PID控制器的设计 14 3.1 桥式吊车常规PID控制器的设计 14 3.1.1 常规PID控制原理及规律 14 3.1.2 位置——摆角双闭环常规PID控制器的设计 15 3.1.3 PID控制参数的整定方法 16 3.1.4 常规PID控制器的控制仿真与干扰实验 21 3.2 基于非线性PID的吊车防摆控制器设计 26 3.2.1 非线性PID控制器的设计原理 26 3.2.2 位置——摆角双闭环非线性PID控制器的设计 29 3.2.3 非线性PID控制器的参数整定 30 3.2.4 非线性PID控制器的控制仿真与干扰实验 31 3.2.5 非线性PID控制器设计原理的仿真实验验证 34 3.3 数字PID控制器的设计 41 3.3.1 PID控制规律的离散化 42 3.3.2 吊车系统数字PID的实现 47 3.4 本章小结 49 第4章 桥式吊车状态反馈控制器的设计 50 4.1 系统模型的线性化及简化 50 4.2 吊车系统线性化模型的实用性验证 54 4.3 吊车系统线性化模型的特性分析 56 4.3.1 吊车系统的时域分析 57 4.3.2 吊车系统的根轨迹分析 59 4.3.3 吊车系统的频域分析 60 4.4 基于LQR的吊车防摆控制器设计 63 4.4.1 线性二次型问题 63 4.4.2 连续系统线性二次型最优控制 64 4.4.3 吊车系统LQR控制器的设计 66 4.4.4 吊车系统LQR控制器抗干扰性能的仿真实验 68 4.5 本章小结 72 第5章 三种控制器控制效果的比较与分析 73 5.1 理想条件下三种控制器控制效果的对比 73 5.2 三种不同控制策略的抗干扰性能对比 77 5.3 桥式吊车防摆控制器的选择 86 5.4 本章小结 86 结 论 88 参考文献 89 附录 90 致 谢 94 第1章 绪论 1.1 课题的背景及意义 桥式吊车（如图1-1），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、仓库、码头必不可少的装卸搬运工具。 图1-1 施工现场的桥式吊车 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。另外，随着人们生活水平的提高，迫切需要改善恶劣的工作环境，最终达到使司机离开驾驶室的目的。为此，电子防摆技术越来