回转塔式起重机动力学模型及时滞控制研究.pdf

《回转塔式起重机动力学模型及时滞控制研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、增刊应用基础与工程科学学报Supplement2005年10月JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERINGOctober2005文章编号:1005-0930(2005)-0070-06中图分类号:TP271;TN713文献标识码:A回转塔式起重机动力学模型及时滞控制研究1,22董明晓,刘伟民(1.山东建筑工程学院机械电子工程系,山东济南250014;2.西安交通大学机械工程学院,陕西西安710049)摘要:回转塔式起重机是包含3个刚性模态的柔性系统,3个刚体的运动使载荷产生空间摆运动,变幅和回转运动

2、影响摆动的幅值,起升运动改变了摆动的频率和阻尼1本文提出通过控制一个柔性模态来消除载荷的摆动,另一个柔性模态由机械结构来消除的控制方案,并且设计最优时滞控制器消除载荷的残留振荡,使摆动能量最小,仿真结果证明了这一控制策略的有效性1关键词:起重机;时滞控制;摆动;优化起重机含有挠性机械环节,在工作过程中频繁起、制动,易于引起载荷摆动,为了消除这一[1]摆动,有大量研究者正在进行深入的研究1SakawaY于1985年将回转起重机在平衡点附近[2]将模型线性化,应用最优控制策略实现消摆控制;MoustafaKAF于1988对小车运

3、动和起升运动引起的载荷摆动,设计线性反馈控制器,通过计算机仿真验证方法的有效性,这项技术适[3-4]合于线性时变系统;ParkerGG设计命令整形器,对输入加速度进行整形,并用于炼钢厂桥[5-8]式起重机,实现钢水无溅泼运输;NayfehAH从2001年开始对各种起重机的动力学特性和消摆控制策略进行了深入地研究,分别提出适合于起重机动力学特性的模糊逻辑控制、滞后位[9]置控制、增益调节控制策略,并且开发出相应的控制器;LeeHH提出前馈控制和重力补偿的[10]非线性PID控制相结合的控制策略,对高速起重机实现消摆控制;Sin

4、ghoseWE和PaoL[11][12]Y提出输入整形控制策略;BahramK从机械结构出发设计Maryland吊钩,将一个空间摆转化成两个平面摆的运动,消除船用起重机载荷摆动,并首先提出机械滤波的概念1本文在以上研究的基础上,提出通过控制一个柔性模态来消除载荷摆动,另一个柔性模态由机械结构来消除的控制方案,并且设计了时滞控制器消除载荷的残留振荡,通过仿真验证了这一控制方案的有效性11起重机运动数学模型回转塔式起重机通过塔臂的回转运动和变幅小车沿着起重臂的移动运输货物,根据这一运动特点,建立极坐标系{eQ,eW},坐标原点取

5、在塔臂回转中心线与回转面交点处;载荷随悬挂点运动的同时做空间摆运动,且摆长不断变化,据此建立球坐标系{e1,eH,eW},坐标原点取在起基金项目:国家自然科学基金重点项目资助(50435020)作者简介:董明晓(1965)),女,教授.董明晓等:回转塔式起重机动力学模型及时带控制研究71升钢丝绳的悬挂点处,随变幅小车移动,且与起重臂同步旋转,坐标系统如图1所示1载荷悬挂点在极坐标系中的位置是(Q,W),载荷在非惯性参考系中的位置用三个广义坐标(l,H,<)表示,l表示起升钢丝绳绳长,H表示起升钢丝绳与过载荷悬挂点铅垂线o1z

6、1方向的夹角,起升钢丝绳与铅垂线所在平面称为摆动面,<表示摆动面同x1o1z1平面的夹角1系统有3个参量是控11制量:变幅小车运动速度Q,或加速度Q,起重臂回图1塔机坐标系统1111转角速度W,或回转角加速度W,载荷起升速度l,Fig11Coordinatesystemofatowercrane1或起升加速度l1小车的位置Q、W、钢丝绳长度、l载荷摆动角度H和<为被控制量1空气阻力和风力的影响在文献[13]中讨论过,在此不予考虑.根据起重机工作的实际情况,给出如下假设和要求:(1)钢丝绳的质量相对于吊钩及重物的质量可忽略不计

7、;(2)钢丝绳刚度足够大,其长度变化可忽略不计;(3)工作时载荷摆动角度小于10b1起重机同时进行变幅、回转、起升运动,根据Lagrange方程,建立起重机非线性动力学模111111112(M+m)Q-(M+m)QW+m(lsinHcos<+2lHcosHcos<-2l

8、-lWsinHcosW)=FQ(1)1111111111112222222(J+MQ+mQ)W+2(M+m)QQW+m(2llWsinH+lWsinH+2lWHsinHcosH+2ll