基于分层滑模的桥式起重机防摆控制研究

摘要

起重机作为一种现代搬运机械，以其方便快捷、省时省力、占地面积小等优点，广泛应用于现代厂房、建筑工地、现代化仓库、集装箱货场等国民生产的各个领域。在工作过程中，起重机是以柔性绳索与负载连接，随着起重机运作状态的改变，负载会由于小车或大车的加减速的影响而来回摆动，这会严重影响生产效率，且负载摆动给高空作业工人带来了安全隐患。防摆控制的研究具有重要意义。
　　本文从几个方面对起重机防摆系统进行了控制器的研究与设计。
　　首先，本文对桥式起重机的工作原理、工作性质和拉格朗日动力学建模机制进行了研究分析，由于拉格朗日动力学建模广泛应用于桥式起重机这类欠驱动非线性系统上，因此对桥式起重机进行了拉格朗日三维动力学建模;针对实际操作规律，提出了桥式起重机模型线性化的规则，并对得到的模型进行仿真，以给予实际操作中的起重机指导防摆的理论依据。
　　其次，基于桥式起重机线性化模型，应用传统的PID控制方法对其进行控制器的设计。仿真结果表明，传统PID控制针对线性化起重机模型具有良好的控制效果，但稳定时间较长，对起重机负载系统的参数变化比较敏感、摆角较大、抑制扰动能力比较弱;而在实际工作过程中，由于起重机负载系统的非线性、绳长、风变等扰动的存在，很难精确建模，传统PID控制具有一定的局限性。
　　再者，针对传统PID控制的局限性，考虑到桥式起重机系统的非线性、时变性、不确定性，结合滑模变结构具有控制算法简单、鲁棒性好、参数变化不敏感、容易实现等优点，本文提出将分层滑模控制应用于起重机这样的欠驱动系统，采用分层的思想对位移和摆角分别进行滑模面设计，然后再对整个系统进行总体滑模面设计，最终完成滑膜控制器的设计。对缩小后的起重机负载系统运用Matlab软件进行仿真，仿真结果验证了该控制方法的有效性。
　　最后，对本文的研究内容进行了总结，并对未来的研究方向进行了展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景、目的与意义

1．2 桥式起重机防摆控制的国内外研究现状

1．3 本文的主要工作

第2章 桥式起重机的三维动力学建模

2．1 数学模型的建立

2．1．1 拉格朗日方程与分析力学

2．1．2 起重机模型的建立

2．2 桥式起重机模型的线性化

2．3 起重机动力学模型的仿真

2．3．1 绳长对负载摆角的影响

2．4 基于二维坐标系的非线性动力学模型的建立

2．5 本章小结

第3章 桥式起重机传统PID控制器的设计

3．1 PID控制

3．2 桥式起重机防摆系统的Simulink模型

3．3 桥式起重机防摆控制PID控制器的设计

3．3．1 摆角的扰动对系统的影响

3．3．2 绳长的变化对系统的影响

3．4 本章小结

第4章 桥式起重机分层滑模控制器设计

4．1 滑模变结构控制

4．1．1 滑模变结构控制的理论基础

4．1．2 基于起重机的滑模变结构控制的数学描述和到达条件

4．2 基于起重机的分层滑模控制

4．2．1 起重机防摆分层滑模控制的必要性分析

4．2．2 滑模控制器各层滑模表面渐近稳定性证明

4．3 起重机负载防摆系统欠驱动分层滑模控制器设计

4．4 仿真研究与分析

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 本文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢