龙门吊车重物防摆的鲁棒 PID 控制方案.pdf

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1、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，

2、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，以提高装卸作业效率。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

3、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，从而极大地提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

4、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)Am0BLm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Ft()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Ft()作用时，使得小车在

5、最短的时间ts由A点运动到B点，且摆q()ts

6、扰，如小车与导轨之间的干摩擦、风力的影响等。为了便于分析，需对实际系统进行进一步的简化。简化为图所示的物理模型：图2龙门吊车的物理模型重物通过绳索与小车相连，小车在行走电机的水平拉力F（N）的作用下载水平轨1道上运动，小车的质量为m（kg），重物的质量为m（kg），绳索的长度为L（m），重物0可在提升电机的提升力F（N）的作用之下进行升降运动；绳索的弹性、质量、运动的2阻尼系数可忽略；小车与水平轨道的摩擦阻尼系数为D（kg/s）；重物摆动时的阻尼系数2为h(/Kgms)，其他扰动可以忽略。取小车的位置为x1，绳子长度为x2，摆角为x3作为系统的广义坐标系

7、，在此基础上对系统进行动力学分析。由上图的坐标系可知，小车的位置和重物的位置坐标为：ìxx=m01ïïy=0m0íïxxxx=-sinm123ïîyxx=cosm23所以小车和重物的速度分量为：ìxx=m01ïïy=0m0íïxxxxx=-sin-xxcosm123233ïîyxxx=cos-xxsinm23233系统的动能为：1122Tm=+vmv0mm022112222=mxy（+）+mxy（+）0mm00mm22112222=(mmxmxxxxxxxxxx+++)(-2sin-2cos)01223123123322此系统的拉格朗日方程组为：ìdTT

8、¶¶ï()-=FD-x11dt¶¶xxï11ïdTT¶¶í()-=+Fmgxco