外文翻译--三维桥式起重机的建模与控制 中文版【优秀】.doc

美国机械工程师协会期刊动力系统测量与控制杂志1998年12月三维桥式起重机的建模与控制水源大学机械工程学系Ho-HoonLee本文提出了一种新的三维桥式起重机动力学模型，它是基于新定义的双自由度摆角建立的。此模型描述了起重机同时行进横动和吊装运动，以及由此产生的负荷摆动。本文提出了一种能够减弱震动的反摇摆控制方案，此方案是建立在线性化动态模型稳定平衡的基础上。这个方案不仅能够保证迅速的阻尼负荷摆动，而且能够保证对起重机吊装位置的精确控制，同时根据实际的行进横动和缓慢的吊装动作来确定起重机的负荷量，并且本文给出了实验验证。1.简介桥式起重机被广泛应用于工业上运输重物。但是，起重机的加速需要运动，这总是会引起不良负荷摆动，通常加速度越大诱发的负荷摆动越大。负载的升起也往往使负荷摆动更严重。这些不可避免的负荷摆动经常造成效率下降，负荷损失，甚至发生意外。为安全起见，桥式起重机工作时，通常要使其负载的悬挂位置高于任何可能的障碍，并使其起重臂的长度保持不变或缓慢变化。科学家尝试了各种方式来控制负荷摆动。起重机系统的输入量本质上小于系统的产出量，这使得相关的控制问题复杂化。起重机的控制包括对起重机运动的控制，对负载提升的控制以及对负荷摆动的抑制。米塔和金井（1979）解决了一个最小时间控制的问题，这个问题是关于在加速的开始和结束时完全空载的情况下，起重机速度分布图的混乱。Ohnishi(1981)等人提出：控制是否稳定取决于负载的摆动力。Starr(1985)提出来一种开环控制运算法，这种算法的要求是初始的载荷摆动须为零。Ridout(1987)设计了一种反馈控制法，这种控制法来源于根轨迹法。Yu(1995)等人提出非线性控制运算法，它建立在一种特殊扰动方法的基础上，这种方法只有在负载量远大于起重机质量时才有效。Moustafa和Abou-El-Yazid(1996)讨论了起重机提升重物时，控制系统的稳定性问题。Lee等人(1997)提出反摇摆控制法，这种方法既保证了负荷摆动的快速减弱，又保证了对起重机位置的精确控制。所有上述研究的重点是对二维桥式起重机的控制，这种起重机只能进行行走和升起动作。然而，在大多数工厂和仓库，三维桥式起重机更为常用。Moustafa和Ebeid(1988)创造了一种三维桥式起重机的动力学模型，这种模型建立在球面坐标（Meirovitch，1970年和格林伍德，1988年）基础上。然后他们设计了一种依靠起重机轨迹来控制的方法，这种方法是以依照预期轨迹设计的动力学模型为基础。其线性模型是相互联系的，并且它的参数取决于起重机的轨迹，这让与控制有关的设计和应用变得复杂。这些控制只是为了抑制负荷摆动，因此，这些控制在起重机的工作中造成了很多的位置误差。文中提出了对三维桥式起重机的建模及控制的实际解决方案，文章还全面讲述了在建模与控制中的负荷摆动，升起动作及负载起重问题。首先，文中精确的解释了与起重机行走相关的新双向自由摆角问题，以及三维桥式起重机的Z轴。然后文章提出了一个关于起重机的新的非线性动态模型，这个模型以新的摆角为基础，它就相当于一个具有最灵活风格的三环节机器人。其次，这个新的动态模型围绕竖直方向的稳定平衡来进行线性化。然后由此产生的动态模型是与起重机的行走与横动相互均衡的，并且模型的参数与起重机的轨迹无关，值得关注的是，这使得控制问题简单化。根据这个结论，文章提出了一个新的减弱反摆角控制方案，此方案保证了对起重机位置及重物升起的精确控制，还保证了负载摆动的快速减弱，这是起重机运行，穿越和缓慢起重动作的实例。文章的其余安排如下。第二部分要说明的是，三维桥式起重机的非线性动态模型是建立在新的双向自由度旋角之上。第三部分的说明中，非线性动态模型被线性化了，然后文中通过开环系统进行修正，依靠根轨迹设计了一个新的减弱反摆动控制方案，并得到了程序控制的方法。第四部分中，这个减弱控制方案致力于对三维桥式起重机原型的性能评估。第五部分，这项研究得到一些结论。2.三维桥式起重机的建模2.1广义坐标的定义图1表示三维桥式起重机及其负载的坐标系。坐标系中XYZ轴是固定的，XjYjZr是坐标系中随着起重机移动的点。这个移动的坐标系的起点是固定坐标系中的(x,y,0)点。移动坐标系的每一个轴都与固定坐标系中相对应的轴平行。Yr被定义为沿着起重机的梁，但它在图中没有表示出来。这个点沿着梁向Y方向移动，并且梁和Y轴是向X方向移动的。是负载在空间任意方向上的旋角，它一共有两个部分：x和y，x是在XZ平面预计的旋角，而y是在XZ平面测量出来的旋角。Trolley：起重机load：重物图1：三维桥式起重机的坐标系负载在固定坐标系中的位置由方程（1）（2）（3）决定：其中L指绳子的长度。本次研究的目的是控制起重机和负载的运动，因此X,Y,L,x和y是由描述此运动的广义坐标系确定的。2.2三维桥式起重机的动态模型在这个部分，起重机系统的运动方程是利用拉格朗日方程推到出来的(Meirovitch,1970)。在本项研究中，负载被认为是一个质点群，而绳子的质量和硬度是忽略的。K是起重机和负载的动能，而P是负载的势能，有以下方程：其