组合臂架门座起重机非线性变幅过程的最优化控制

摘要

门座起重机的组合臂架式变幅机构可以视为一个非线性的变速器，其传动比在变幅过程中随幅度的改变而不断地变化。常规的变幅调速系统是一个完全开环的系统，当变幅电机在司机的控制下保持匀速时，输出的变幅速度只能任由变幅机构非线性变速后非匀速地变化，导致变幅过程中存在着速度不稳定、机械冲击大等问题。匀速变幅控制模式是近年来出现的改善门机变幅特性的一种先进的调速控制方法。这种控制模式，以保证输出的变幅速度维持恒定为控制目标，实时地根据变幅的幅度调节变幅电机的转速。但是，目前的匀速变幅控制系统都只是直接给出一些孤立的解决方案，缺乏完整的、严密的理论体系，也看不到相应的优化控制策略，一些关键技术也有较大的改善空间。本文把门机变幅机构的动力学系统分析与非线性最优控制理论相结合，提出一种基于非线性状态逆模型结合PID调节的、能够实现自动匀速变幅的调速控制方案，对变幅系统最优控制器进行了具体实施方案设计和控制参数整定。该控制方案的有效性得到了基于Simlink的仿真试验的验证，并在缩小比例模型的门座起重机平台上进行了间接试验验证。论文涵盖以下主要研究工作： (1)对组合臂架式门座起重机的变幅机构进行了动力学分析，完成了变幅机构的形位信息的求解，将最终得到的变幅机构的等效传动比I与电机转角的函数关系运用Matlab进行数值采样并用多项式进行拟合，完成匀速变幅动态逆模型的建立。同时，为增加该调速方案的通用性开发了VB可视化界面，通过输入门机技术参数可直接得到I与电机转角的对应关系。 (2)从非线性最优控制理论出发，证明提出的变幅过程匀速调速方案符合最优控制理论，并对基于非线性动态逆模型的变幅调速系统最优控制器进行具体实施方案设计。为提高变频电机的随动控制的性能，采用工程上易于实现的PID调节让变频电机的输出转速更好地跟踪由动态逆控制律决定的期望的转速，并采用粒子群算法对PID参数进行整定。 (3)采用MATLAB/simulink仿真试验对提出的门机优化调速方案进行了有效性验证。首先根据优化调速方案建立变幅控制系统仿真模型，然后输入所需的各参数进行仿真，分别对电机转速为恒定及电机按理想曲线转动时的变幅速度变化情况进行仿真，得到象鼻梁端点水平速度曲线变化图，并对所得仿真结果进行分析，结果验证了门机变幅优化调速方案的有效性。 (4)为进一步验证此方案的有效性，设计了一缩小型组合臂架门座式起重机变幅速度测试实验，实验中变幅速度测量采用完全自主设计开发的基于超声波测速的试验装置。试验时分别对电机转速为恒定及电机按理想曲线转动时的变幅速度变化情况进行实测，实验结果验证了文章提出的优化调速方案的有效性。 本文提出的适用于组合臂架门座起重机非线性变幅过程的优化调速方案以非线性最优控制原理为理论基础，体系严密，易于理解也易于实现，且有清晰的优化策略，与现有的控制方案相比，该方案直接采用变频电机自带的编码器的输出信号作为逆模型的输入信号，无需臂架角度传感器，简化了结构，降低了成本，提高了可靠性。同时，采用了PID补偿，控制精度更加令人满意，变幅性能得到了进一步的提高，具有更好的应用前景。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1组合臂架式门座起重机变幅机构概况

1.2.2变幅机构的设计、控制、性能分析研究现状

1.2.3门机变频调速、系统仿真研究现状

1.3本文研究的主要内容

第2章 门座式起重机变幅控制方案分析

2.1门机变幅速度的非线性波动机理

2.2调速方案的优化

2.2.1变幅调速控制方案分析

2.2.2门机优化调速参照量的选择

2.2.3优化调速参照量整定方案

2.2.4门机优化调速方案设计

2.3变幅调速优化系统的说明

2.3.1控制方案原理框图

2.3.2 PLC控制系统

2.3.3变频调速系统

2.3.4优化调速方案关键参数分析

2.4本章小结

第3章 门机变幅机构形位信息求解

3.1调节系数I的函数求解

3.1.1速度瞬心法

3.1.2组合臂架门座式起重机简化模型建立

3.1.3臂架转角与齿轮转动关系求解

3.1.4调节系数与电机转角关系求解

3.2 MATLAB的M文件编程

3.2.1组合臂架门机技术参数

3.2.2 M文件编程

3.2.3 曲线拟合多项式

3.3门机匀速变幅VB软件设计

3.3.1系统开发环境

3.3.2系统设计与功能分析

3.3.3 VB系统功能应用

3.4本章小结

第4章 最优控制器设计

4.1变幅调速系统的最优化模型

4.2最优控制器的求解

4.3 PID参数优化

4.3.1 PID控制器结构及控制算法

4.3.2 粒子群优化算法介绍

4.3.3粒子群优化算法整定PID参数原理

4.3.4应用仿真研究及结果分析

4.4本章小结

第5章 门机变幅控制系统的建模与仿真

5.1 门机变幅机构建模

5.1.1 动力装置模型建立

5.1.2变幅调速模型建立

5.1.3动力装置仿真

5.2 门机变幅控制系统仿真

5.2.1 门机变幅机构控制系统模型建立

5.2.2 变幅速度仿真结果分析

5.3本章小结

第6章 实验分析

6.1实验门机技术参数

6.2门机实验过程介绍

6.3超声波测速装置设计

6.4变幅速度实验结果对比分析

6.5本章小结

第7章 全文总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

附录

附录A

附录 B