塔式起重机防摆控制与建模的微分几何方法

摘要

塔式起重机是现代工业与民用建筑的主要施工机械之一。在塔式起重机的工作过程中，由于吊绳的柔性连接，使起重机在起升、变幅和回转的过程中，不同程度地引起所吊重物的周期性摆动。如何消除重物在吊运过程中的摆动一直是困扰起重机快速吊运的一个难题。本文针对这个问题用一种新的方法设计了塔式起重机的防摆控制器，使塔式起重机在更大的动态范围内消除过程中的摆动，并同时实现指定位置的准停。 本文在塔式起重机简化模型的基础上，建立了塔式起重机二维运动的非线性数学模型，并给出了塔式起重机的加速度模型。在MATLAB/Simulink环境下搭建了非线性数学模型的仿真模型，为进一步控制器的设计奠定了基础。 基于塔式起重机系统的非线性加速度模型，本文通过非线性控制理论中较为成熟并已有实际应用的微分几何方法来进行控制器的设计。利用微分几何方法，通过反馈实现了输入输出解耦线性化，使系统变为部分解耦的线性系统，然后分别利用线性二次型性能指标的最优控制和经典的PD控制对线性化后的系统进行了防摆控制，并分析了零动态的稳定性。又设计了PID控制器来实现小车水平运动和塔臂回转运动的准确定位，并利用MATLAB/Simulink中的NCD模块对PID参数进行了优化。将防摆控制区作为内环，PID控制器作为外环构成整个塔式起重机控制系统。 仿真结果显示，防摆控制器的防摆效果显著，而且PID控制器也可实现准确定位。同时，控制器还有一定的鲁棒性。

目录

文摘

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第一章引言

1.1课题背景

1.2国内防摆控制的研究现状

1.3国外防摆控制的研究现状

1.4本课题研究的目的和意义

1.5论文的主要工作

第二章建立塔式起重机的数学模型

2.1塔式起重机绳长固定情况下的数学模型

2.2模型仿真

2.2.1用直接微分方程仿真法建立数学模型

2.3本章小结

第三章非线性系统反馈线性化方法

3.1引言

3.2反馈线性化方法

3.2.1精确线性化方法

3.2.2逆系统方法

3.3微分几何方法

3.3.1微分几何基础

3.3.2输入输出解耦线性化

3.3.3状态反馈精确线性化

3.3.4两种方法的关系

3.4零动态设计

3.4.1 MIMO非线性系统的零动态设计

第四章控制系统设计与仿真

4.1塔式起重机系统的状态方程

4.2反馈线性化方法应用分析

4.2.1状态反馈精确线性化应用分析

4.2.2输入输出解耦线性化应用分析

4.3防摆控制器设计

4.3.1输入输出解耦线性化方法

4.3.2控制器设计

4.4 PID控制器设计

4.4.1 PID控制及参数优化

4.5仿真结果

4.6本章小结

第五章结论

参考文献

致谢