龙门吊车重物防摆的鲁棒 PID 控制方案.pdfVIP

龙门吊车重物防摆的鲁棒 PID 控制方案 周耀龙 144173248 摘 要 龙门吊车作为一种运输工具，广泛应用在现代工厂、安装工地和集装箱货仓等的装卸与运输作业。他在离地 面很高的轨道上运行，具有占地面积小、省时省工的优点。 关键词 龙门吊车；双闭环；PID 龙门吊利用绳索一类的柔性体代替刚体工作。由于惯性，运动过程中会使吊重产生 摇摆，不利于起重机的快速对位。文中采用拉格朗日方程的方法建立了龙门起重机的动 力学模型，并用 MATLAB 仿真功能验证了数学模型的有效性。然后设计了防摇摆的双闭 环 PID 控制方案，并合理选择参数，使控制具有较强的鲁棒性。并用 Simulink 进行仿 真实验，验证控制方案的合理性。 一、 前言 桥式起重机或门式起重机广泛用于车站、码头、仓库、工厂等场所搬运物料，是工 厂、铁路、港口及其他部门实现物料搬运机械化的重要设备。尤其是轨行式集装箱龙门 式起重机是集装箱堆场的主要装卸机型，作为现代物流装备之一其应用得到逐步推广。 当起重机小车或大车运行时，控制起重机的起吊重物相对于小车中心竖直线的偏摆幅度， 可以减小吊重的晃动程度，从而实现起重机的快速对位，如吊具与集装箱对位，起吊集 装箱与底盘车对位等。以及集装箱在堆场的准确码放，以高装卸作业效率。控制吊重 摇摆程度的方法一种是采取防摇措施，主动控制小车或大车使吊重从静止运动到目标位 置过程中始终保持吊重在较小范围内摆动，另一种是采取减摇措施，当吊重偏角较大时， 被动控制小车或大车使吊重摇摆的幅度在最短时间内衰减到规定范围内。起重机的这种 主动防摇和被动减摇问题可归结为起重机的快速对位问题。 起重机吊重防摇控制系统就是使吊重的摆动能得到迅速衰减，在较短内使吊重相对 于小车的中心竖直线处于微动状态(即在规定的微小角度内摆动)，以利于吊具在工作空 间准确对位和集装箱等吊重准确、快速码放，达到起重机快速对位的目的，从而极大地 高起重机的装卸作业效率，明显改善装卸作业安全状态，减轻操作人员的工作强度， 消除操作人员之间的经验差别，减少甚至消除快速对位对操作人员经验的过分依赖性。 二、 系统建模 (一)机理建模 龙门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了一些负面影响，例如吊车负载——重物的摆动问题 一直是困扰吊车装运效率的一个难题。 为研究吊车的防摆动控制问题，需要对实际问题进行简化、抽象。吊车的“搬运— —行走——定位”过程可抽象为如图的模型： F(t) A m0 B L m 图 1 吊车系统的物理抽象模型 图中，小车的质量设为m ，受到水平方向的外力F (t ) 的作用，重物的质量为m ， 0 绳索的长度为 L，对重物的快速吊运与定位问题可以抽象为：小车在受到外力F (t ) 作 t D 用时，使得小车在最短的时间 由A 点运动到 B 点，且摆 q (t ) D, ， 为系统允许 s s 的最小摆角。 该问题为多刚体、多自由度、多约束的质点系动力学问题，若应用牛顿力学来分 析过于复杂，因此采用拉格朗日方程，将力学体系中运动方程从以力为基本单位的牛 顿形式，改变为以能量为基本概念的分析力学形式。拉格朗日的普遍形式为：