天车吊钩防摆控制器设计毕业设计(编辑修改稿)

天车吊钩防摆控制器设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

置和重物的位置坐标为： （ 21） 所以小车和重物的速度分量为： （ 22） 系统的动能为： （ 23） 此系统的拉格朗日方程组为： （ 24） 综合以上公式得系统的方程组为： (25） 式中： mc —— 小车的质量（ kg ）； l m —— 重物的质量（ kg ）； g —— 重力加速度（ 2/ms）；  —— 小车与水平轨道的摩擦阻尼系数（ /kgs ）； 1 F —— 小车受到水平方向的拉力 (N )； 2F —— 绳子受到提升电机的拉力 (N )。 0sincosccllmmmmxxyx x lyl  0s in c o sc o s s inccllmmmmxxyx x l ly l l         222 2 2 22 2 2 2112211( ) ( )2211( ) ( 2 s in 2 c o s )22clc c l lc m l mc m m l m mc l cT m v m vm x y m x ym m x m l l x l x l           12()( ) c os( ) sinlld T T Fxdt x xd T T F m gdt lld T T m gldt            21222( ) sin c o s 2 c o s sinsin c o s2 c o s sin 0c l l l l ll l l ll l l lm m x m l m l m l m l x Fm l m x m l m g Fm l m ll m x l m g l                            8 式（ 25）即为考虑绳长变化情况下的三维吊车运动系统的动力学模型。 考虑到实际情况，在吊车水平运 动过程中，总是将提升电机制动，使绳长保持不变，当定位完成且消除摆动时，再使提升电机起动，将重物放到指定位置。 为此，可将吊车调运重物的过程分成水平运动过程和垂直运动过程，分别设计相应的控制器进行控制。 当吊车处于垂直运动过程时，只要提升电机具有良好的定位准确性就能够使重物准确的提升并放在指定位置。 而吊车处于水平运动过程时，要求电机准确定位的同时，摆角要迅速衰减到零。 可见吊车的水平运动过程是防摆控制研究的重点。 有鉴于此，本文只研究吊车的水平运动过程和消摆控制。 令式（ 25）中的0ll， 2 0F ,并令 1FF ，则可得到绳长不变时的桥式吊车运动系统的数学模型为： （ 26） 对于式（ 27）的定摆长吊车系统，其中 x 为小车的位置，  为重物的摆角； F是小车行走电机的水平拉力， cm 为小车的质量， lm 为重物的质量， l 为绳索的长度，绳索运动的阻尼、弹性和质量可忽略；小车与水平轨道的摩擦阻尼系数为  ，忽略其他扰动。 取 , , ,xx 为系统的状态变量， ,x 为系统的输出变量，令 , , , Txxx ， uF ， , Tx y ，则由式（ 26）可得： （ 27） （ 28） 将式（ 27）代入式（ 28）可得： （ 29） 经过整理可以得到： （ 210） 从而可得系统的 状态空间描述方程为： 2( ) c o s s i nc o s s i n 0c l l ll l lm m x m l m l x Fm l m x m g             cos sinxgl 2c o s s inllclu m l m l xx mm       222c o s s in c o s s inc o s s in c o s s inllcll l lclxgu m l m l xlxmmu m x m g m l xmm               22sin c o s sinsinllclu m g m l xx mm        9 （ 211） 22sin c o s sinsinc o s sin1 0 0 00 0 1 0llclxx u m g m l xx mmxgl              xyx 10 第 3章 方案论证 系统方案的论证 本设计是吊钩防摆控制器的设计，针对设计提出以下控制方法： （ 1）最优控制。 模拟计算机对矿石卸载起重机的动力特性做了仿真。 经过尝试和修正，他们提出了最优速度曲线，它能够使小车和吊绳的运动时间最短，同时能够避开途中的障碍物。 但是，该方案不能控制载荷的摆动。 吊杆式吊车的最优控制方法运用到桥式吊车，将桥式吊车模型在平衡点附近线性化，同时将它的运动 过程分为上升运动、水平运动、下降运动三个阶段，然后对每个过程设计最优控制律，仿真结果表明虽然可以保证终点无摆动，但是在上升、下降阶段有高达 7 的摆角。 基于线性二次型最优的水平运动过程的控制，仿真结果表明该方法可以使速度最优，摆角收敛，但是鲁棒性和干扰性没有保证。 由于最优控制和输入整定技术都对模型名义值、初始条件及外部扰动非常敏感，要求“系统参数高度精确”以达到满意的系统响应，所以限制了他们的应用。 （ 2）自适应控制。 运用一个线性状态反馈器来抑制摆角，借助一个 增益可调模块用极点配置的方法来调整增益适应绳长的变化。 在一个模型上验证过，结果表明，位置有静差，在运动过程中摆角在 10 左右，而且时变参数方案在小车定位的时候会出现状态不稳定。 利用 PI 控制器跟踪绳长变化，还增加了一个增益序列表，该表能改变摆角反馈控制器的增益。 这些增益值是每个绳长的最佳阻尼值，是关于绳长的函数。 实验表明该方案在低速运行时可以将摆角限制在 2 内，定位无静差，能抗外界干扰。 （ 3） PID 控制。 利用二 阶先导补偿器来抑制载荷摆角。 实验证明，尽管它能在绳 载荷装置的自然频率附近抑制摆角，但是在高频的时候会加大摆角。 第一阶段使用线性控制器使载荷在目标位置能稳定。 为了使载荷停住，小车分两个阶段减速。 第一个减速阶段是反馈控制阶段的一部分。 第二阶段用输入整定技术使负载到达目标位置。 该控制器在实际吊车上运用，实验结果表明它能使摆角最小。 PI 和 PD 相结合的控制， PI 用于位置控制， PD 用来抑制摆角，该方案在比例吊车模型上的实验结果表明可以得到较好的位置精度和较小的摆角，但是抗外部干扰的能力较弱。 非线性 PID 控制器，该控制 方案可以消除系统静差，缩短系统响应时间，抗干扰能力较强。 结合所学知识和所查找的资料， PID 控制符合本设计要求。 PID 控制原理简 11 单，使用方便，适应性强，对模型依赖较少。 总体方案设计 本设了实现天车吊钩防摆。 当吊钩吊取重物，在空中运动的过程中，会与垂直平面出现一个摆角。 计的目的是为在运动直到到达终点的过程中，要使摆角逐渐的减小。 到终点时，吊钩吊取重物不能摆动。 经过查阅资料得知，本设计主要测量的是吊钩锁吊重量、平移速度以及吊绳长度，在将测量的信号送入单片机当中，进行运算和控制。 图 系统总体框图 传感器的选型 本设计因为要检测三个数据，所以用三个传感器分别测量。 检测重量选择用称重传感器， 称重传感器是用来将重量信号或压力信号转换成电信号的转换装置。 检测吊绳长度选择用拉绳位移传感器， 拉绳式位移传感器的功能是把机械运动转换成可以计量，记录或传送的电信号。 测量吊钩摆动范围选择用角度传感器， 角度传感器的原理是将角度变化量的测量变为电阻变化测量。 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。 他的一个重要参数是灵敏系数 K。 灵敏度系数 K 值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的 K 值一般在 — ；其次 K 值是一个无因次量，即它没有量纲。 在材料力学中Δ L/L 称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，电源 滤波电路 单片机 A/D转换电路 称重传感器 拉绳式位移传感器 角度传感器 变频器 键盘电路 电机 外部设备 12 很不方便。 常常把它的百万分之一作为单位，记作με。 弹性体是一个有特殊形状的结构件。 它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较 理想的完成应变枣电信号的转换任务。 检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。 因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。 因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。 测量范围为 0～ 11t；测量精度为 ；工作温度 20～ +70℃；非线性≤ 177。 %；滞后 ≤ 177。 %；重复性 ≤ 177。 % 图 电阻应变式称重传感器 拉绳位移传感器又称拉绳传感器、拉绳传感器、拉绳电子尺、拉绳编码器。 拉绳位移传感器是直线位移传感器在结构上的精巧构成，充分结合了角度传感器和直线位移传感器的优点，成为一款安装尺寸小、结构紧凑、测量行程大、精度高的传感器，行程从几百毫米至十几米不等。 拉绳位移传感器的信号输出方式分为数字信号输出和模拟信号输出， 数字输出型可以选择增量旋转编码器、绝对值编码器等，输出信号为方波 ABZ 信号或格雷码信号，行程最大可以做到 15000毫米，线性精度最大 %，分辨力根据配置不同最大可以达到 /脉冲。 测量长度可达 18 米 (带限位开关）；恒力弹簧收绳最大拉力可达 5 公斤；直径 毫米软性多股不锈钢钢丝绳 316L 材料耐腐蚀、耐海水浸泡；选装绝对型多转编码器抗干扰，重复性高；特殊规格可按需定制；输出方式多种信号可选（ SSI、模拟量 420mA、 RS48 ProfibusDP、 CANopen、 Modbus)；直接测量长距离线性位移 ,测量长度可达 18 米；恒力弹簧收绳最大拉力可达 5 公斤；直径 毫米软性多股不锈钢钢丝绳 316L 材料耐腐蚀、耐海水浸泡；选装绝对型多转编码器抗干扰，重复性高。 13 图 拉绳式传感器 倾角传感器经常用于系统的水平测量，如工程车辆调平，和高空平台安全保护，定向卫星通讯天线的俯仰角测量，船舶航行姿态测量，盾构顶管应用，大坝检测，地质设备倾斜监测，火炮炮管初射角度测量，雷达车辆平台检测，卫星通讯车姿态检测。 倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。 一维倾角传感器可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。 理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。 如果初速度已知，就可以通过 积分计算出线速度，进而可以计算出直。