天车吊钩防摆控制器设计设计.doc

毕业设计天车吊钩防摆控制器设计摘 要吊物的摆动是影响吊车装卸效率的重要因素电子防摇作为一种积极防摇方式，它将减摇和运营控制结合起来考虑，不依赖于司机的操作经验，可以有效的提高吊车的装卸效率，减轻司机的工作强度，是实现港口、厂矿装卸自动化的趋势本文一方面建立了桥式吊车运动系统的数学模型，并搭建了系统的仿真实验模型，设计了双闭环PID控制器来实现吊车系统的防摆和定位控制针对常规PID控制器很难满足桥式吊车此类控制参数变化很大的复杂系统对控制精度的规定，设计了非线性PID控制器（即PID参数随误差的变化而变化），该控制方案可以消除系统静差，缩短系统响应时间，抗干扰能力较强运用增量型PID控制算法对PID控制方略进行了数字实现本系统实现了吊车达到目的地吊钩不在摆动的目的，使所吊重物在达到指定地点时，摆角为零从而避免了作业时，照成不必要的事故核心词：桥式吊车；防摆；非线性PIDAbstractGenerally speaking, the loading efficiency of crane is mainly influenced by swing of hanging objects. As an active method for avoiding swing, electronic anti-swing is not dependent on the driver’s experience and can combine swing-decreasing with movement-control to improve the efficiency of crane, and lighten the intensity of drivers. Therefore, it will be used widely for loading of port and factory.In this thesis, the mathematical model of the overhead crane motion system is established and the simulation model is also built . The two closed-loop PID controller is designed to achieve the control of anti-swing and orientation. Comparing with the controlling results of using conventional PID algorithm as a controller on different disturbance conditions, we can find that it is difficult to meet the accuracy requirements of the practical operation of crane system which has easily variable control parameters in the process of running. So we design the nonlinear PID whose variable parameters change with error. The results of simulation indicate that the steady-state error can be eliminated, and the response time of system can be shortened, in addition, the disturbance rejection ability of system can be strengthened. Then, we complish the digital realization of PID control strategy with increment PID control algorithm.This system has realized the crane hook is not swinging the purpose of arriving at our destination, make lifting heavy weights in got to the designated place, pendulum Angle is zero. Avoiding the homework, as into unnecessary accidents.Key Words：Overhead crane；Anti-swing；Nonlinear PID目 录第1章 绪 论 11.1 课题的背景及意义 11.2 国内外研究现状 21.3 本文研究重要内容 4第2章 系统建模 52.1 问题的提出 52.2 建模机理 52.3 系统模型的建立 6第3章 方案论证 103.1 系统方案的论证 103.2 总体方案设计 113.3 传感器的选型 113.4 转换器的选型 133.5 单片机的选型 153.6 变频器的选型 16第4章 硬件电路设计 174.1 数据检测模块 174.2 滤波电路模块 194.3 转换电路 204.4 单片机最小系统 204.5 变频器调速模块 214.6 键盘电路 224.7 电源电路 23第5章 软件设计 255.1 系统流程图 255.2 检测控制流程图 265.3 变频器子程序 265.4 报警程序 275.5 PID控制的设计 285.5.1 非线性PID设计 295.5.2 仿真实验验证 325.5.3 增量型PID 385.5.4 吊车系统数字PID的实现 39第6章 总结 41参照文献 42致 谢 43附录Ⅰ 44附录Ⅱ 46附录Ⅲ 53第1章 绪 论1.1 课题的背景及意义桥式吊车，又名起重机，是一种运用连在活动架上的缆绳举起和移动重物的机械装置。

作为一种运载工具，它广泛的运用于现代厂房、安装工地和集装箱工地等需要大量货品调运的场合此外，吊车一般都在离地面很高的导轨上运营，占地面积小，省工省力，是工厂、仓库、码头必不可少的装卸搬运工具吊车的体积和容量因应用场合不同而异，但绝大多数场合都规定它们的运送速度应尽量地快，这样会提高生产效率然而由于吊车的吊绳是柔性的缆绳，因此吊车的吊具在运营过程中不可避免的会产生摆动，这种摆动不仅也许损坏货品，并且容易引起生产事故过去，消除吊车摆动的措施大多是运用吊车司机的操作经验这种方式不仅操作人员的劳动强度大，并且人工控制方式精度差、效率低，已经远远不能满足现代化生产、运送的需要另一方面，在某些特殊的工作场合，对吊车运营过程中的摆动有严格的生产规定例如：在冶金浇注车间，将盛着金属液的吊车运抵浇注口上方进行浇注，这一过程规定吊车的动作迅速精确如果由于吊车行走时摆动的因素，加大了吊车的运营时间，将会导致金属液过早冷却，从而减少产品质量和生产效率，甚至会导致金属液溅到浇注口外，引起生产事故在港口作业中，常常要在码头、仓库和船、汽车之间装卸集装箱等货品，由于集装箱质量很大，稍有不慎，将会导致集装箱和船舱或汽车相撞，从而导致集装箱解体或者损坏汽车等运送工具，因此需要集装箱就位精确且无摆动。

此外，随着全球合伙经济的迅速发展，吊车运用的场合不断扩大，货品调运量也越来越大，单纯依托人工操作吊车来调运货品的工作方式越来越成为阻碍货品迅速调运的瓶颈为了提高吊车的工作效率，目前大多数吊车都安装了吊具防摆装置防摆装置重要有机械式防摆和电子式防摆两种形式机械式防摆重要是通过机械手段来消耗摆动能量以达到最后消除摆动的目的，因此是一种被动的防摆方式这种方式不仅耗费的时间长，并且消摆效果与吊车司机的操作经验有很大关系，阻碍了吊车工作效率的进一步提高比较而言，电子式防摆是一种积极防摆方式，它能将防摆和小车的运营控制结合起来考虑，不依赖于司机的操作经验针对实际应用的需求，研究吊车、集装箱起重机等一类运用柔性绳索吊运重物时如何消摆的问题，不仅可以保证安全生产，并且会对提高货品调运效率，缩短工业产品的生产周期，提高产品质量带来客观的经济效益第1章 TC0图1.1 施工现场的桥式吊车1.2 国内外研究现状目前在吊车系统防摆应用方面，大多数吊车采用机械式防摆装置重要有如下几种方式：交叉钢丝绳减摇装置这是日本三菱重丁公司研制的，在行走小车上沿运营方向装设两组交叉悬挂的减摇钢丝绳及其驱动装置，分别驱动液压泵，由于液力回路中安全阀的阻抗，使钢丝绳产生张力，从而避免吊具摇晃。

这种装置当小车停车后五秒内，摆角幅度可捡到10cm，不影响起升绳的试用寿命，当减摇钢丝绳万一发生折断时，物体也不至于掉下但这种减摇装置正佳了一套减摇钢丝绳卷绕系统，同步吊运货品和不掉货品时减摇性能差别很大分离小车减摇装置这种装置的工作原理是，当小车行走时，前后凉组小车通过螺杆驱动机向两头分离，使起升钢丝绳成V字型，从而祈祷减摇效果当小车停止运营后，起升或下降吊物时，前后两组小车自行靠拢，这时起升绕组和不起升绕组都不致碰撞运载工具这种减摇装置使小车重量增大，构造也比较复杂翘班梁式减摇装置它是由日本日立制作所研究的它由跷板梁和装在小车的液力缓冲缸构成当行走小车以额定速度行走时，吊物将大体位于行走小车的中心线上，当行走小车减速时，由于惯性的作用吊物将摆向前方，从而使跷板梁跟着倾斜，在这种状况下，跷板梁的倾斜能量将由液力缓冲缸吸取由于吊物迈进方向的摆动受到阻力由于将向相反的方向摆动此时，跷板梁也跟着向相反的方向倾斜，并迅速吸取吊物摇晃能量如此反复多次，便将吊物的摇晃能量转化为跷板梁的转动能量，并迅速吸取而使其缓冲，以达到减摇的目的这种减摇装置构造简朴，操作容易，工作平稳，并且减摇效果较为抱负随着电控技术和信息技术的飞速发展，电子防摇急速越来越收到注重，国内外学者采用多种控制措施做了大量的研究。

与国外学者在这个问题研究相比，国内学者在研究内容在深度上、规模上、还与国外学者有很大的差距国内最早从事吊车防摆控制研究的学者是中国民航学院的华克强等人，针对桥式吊车，给出了系统的简化模型，根据此模型，射击流最优控制器，自适应控制器、模拟控制器、并对三种控制器进行了比较分析山东建筑工程学院的李伟等人在吊车防摆控制领域也开展了研究李伟等人是国内从事防摆研究刊登文章较多的学者，近年来，她们刊登了多篇文章，分别在吊车的模型，控制措施等方面进行了研究应用最优控制理论，提出了天车电动消摆和全程消摆等控制方略并提出了基于时间最优的小车载荷摆动的两拍消摆方略作者采用几点配备技术，以激愤二次型性能指标提出最优消摆方略，同步实现消摆、提高了运营速度两个目的但这些研究都只局限于理论与软件仿真，而没有进行实验验证山东大学的楚军、陈志坚等人在此方面也进行了一定的研究，建立了桥式吊车数学模型，并根据此模型，应用最优控制理论，提出了桥式吊车水平规律，并对抓斗进行了防摆控制器研究坐着提出了桥式吊车水平规律和抓斗摆动规律，提出了一种抓斗防摆的措施该措施通过控制桥式吊车行走的时间顺序实现其停车与抓斗消摆的同步控制楚军等人提出的控制方略大多与李伟等人具有一致性，都是以最优秀的理论最为基本提出的，同样也只能做理论仿真而无实验验证。

在吊车防摆控制的研究上，国外学者的控制措施多种多样，既有比较老式的典型理论控制、现代控制理论、最优。