（机械电子工程专业论文）基于吊重防摇控制的起重机快速对位关键技术研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 起重机的小车和吊重之间一般采用柔性钢绳联结，由于大、小车和吊重存 在惯性，小车或大车的运行使吊重产生摇摆，不利于起重机快速对位。一般吊 重防摇的被动控制较主动控制容易实现。吊重防摇、减摇的型式一般有机械式、 液压油缸式、钢丝绳索式、机械电子式和智能电子式，文中的研究重点在液压 油缸式和智能电子式减摇系统。对起重机吊重系统的动力学分析是解决起重机 快速对位问题的基础。文中由桥式起重机建立了起重机吊重系统动力学方程， 并在线性简化的基础上得出吊重二自由度摆角模型。仿真结果表明：吊重的起 升绳长和大、小车运行的加( 减) 速度是影响吊重摆角的主要因素，其中大、 小车运行加( 减) 速度对摆角的影响较绳长对摆角的影响显著；起重机的大车 和小车运行对吊重摇摆的影响效果是相同的。 液压油缸式减摇系统在集装箱起重机中应用较多，为了能更好地为液压减 摇系统的工程设计提供理论依据和指导，文中根据液压减摇系统的结构特点和 小车吊重系统的运动特点对液压油缸式减摇系统在工程适用范围内建立了动力 学方程，对减摇系统进行了动力学分析，模拟实际工况进行了动态仿真，结果 表明：吊重摆角按指数形式衰减，影响减摇系统减摇效果的因素有减摇系统的 结构参数、起升质量、起升绳长和起丹速度。对于具体的液压减摇系统，在最 佳结构参数载荷比范围或匹配起升质量时，可以得到良好的减摇效果。 一般通过相应的传感器实时采集小车位置和速度、吊重摆角和摆角角速度 以及小车驱动力等状态变量信息，并提供给防摇控制系统。考虑到吊重摆角等 变量现场测量的难度和成本，文中针对电压控制小车驱动电机的小车吊重动力 学系统，通过设置全状态观测器或降维观测器对相关变量进行现场观测，即重 构状态变量空间，从而将相关变量的估计信息提供给防摇控制系统。通过采集 小车位置信息可以设置全状态观测器对包括小车位置在内的所有状态变量进行 观测：通过采集小车位置和速度信息可以设置降维观测器对吊重摆角、摆角角 速度和驱动力进行观测。观测器的相应状态变量的观测时间与小车吊重系统动 力学参数、观测器的极点和相应状态变量的初始值有关。在给定系统动力学参 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 数和相应状态变量的初始条件下可以绘制观测器极点与对应状态变量的观测时 间关系曲线，为了使观测器精确重构状态变量空间并具有良好的动态特性，可 以将观测器的极点配置在复平面负实轴上和该曲线的平缓变化区域。 由小车吊重开环系统动力学特性和开环系统的极点在复平面的分布形态， 开环系统本身是不稳定的。通过引入状态反馈增益调节器构成闭环控制系统， 其中状态变量信息由传感器现场采集或观测器观测所得。采用极点配置法( 极 点位移法) ，通过考虑控制系统复平面上一对闭环主导极点，控制系统的其余极 点可以配置在离这对主导极点左侧较远处，用类似二阶系统性能分析方法获得 反馈控制器的增益调节参数，通过调节参数配置反馈控制系统的极点为期望极 点，从而使吊重的摆动能在小车的目标位置和期望时间衰减为零。当反馈控制 系统引入状态观测器时，要求观测器对状态变量的观测速度比反馈控制器对状 态变量的调节速度快。文中进行了观测器和反馈控制器的设计，仿真结果表明 在小车目标位置、指定调节误差范围内吊重摆角能在期望的时间衰减为零，各 状态变量均有良好的动态响应特性，说明了观测器和控制器设计的合理性和有 效性。 起重机现代智能电子吊重防摇控制系统的物理实现须建立在现代电子电路 设计基础上。文中对起重机快速对位的实现提出基于控制器局域网( c a n ) 总 线形式的数字信号处理( d s p ) 控制系统，合理设计了c a n 总线控制系统的智 能节点电路，对吊重摆角的三角形测量方法给出了具体实施方案。这些关键技 术的解决是吊重防摇控制理论和方法进一步物理实现的前期工作。 关键词桥式起重机：门式起重机；小车吊重系统；状态观测器；吊重防摇 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t g e n e r a l l y , t h et r o l l e yo fo v e r h e a dc r a n e s o rg a n t r ye r a n e sa n dt h el o a da y e c o n n e c t e db yt h ef l e x i b l ew i r er o p e ，r h eo p e r a t i o no ft h et r o l l e yo rt h ee r a n ec a l l s g s t h el o a d ss w a yb e c a u s eo ft h ei n e r t i ao ft h et r o l l e y , c r a n ea n dl o a d l o a d ss w a yi s n o tf a v o r a b l et ot h ec r a n e sf a s tc o n t r a p o s i t i o n p a s s i v ec o n t r o lo ft h el o a d s a n t i - s w a yi so f t e ne a s i e rt h a nt h ea c t i v ec o n t r 0 1 t h ek i n d so ft h e1 0 a d sa n t i s w a y u s u a l l yi n c l u d em e c h a n i c a ls y s t e m ，h y d r a u l i cs y s t e m ，w i r er o p es y s t e m ，m e c h a n i c a l e l e c t r o n i cs y s t e ma n di n t e l l i g e n te l e c t r o n i cs y s t e m r e s e a r c he m p h a s i so ft h i st h e s i s i so nt h eh y d r a u l i ca n dt h ei n t e l l i g e n te l e c t r o n i ca n t i s w a ys y s t e m d y n a m i ca n a l y s i s f o rt h ec r a n e - l o a do rt h et r o l l e y - l o a ds y s t e mi st h ef o u n d a t i o nf o rs o l v i n gt h ep r o b l e m o ft h ec r a n e sf a s tc o n t r a p o s i t i o n ，n ec r a n e l o a ds y s t e m sd y n a m i ce q u a t i o n sw e r e c o n s t r u c t e df o rt h eo v e r h e a dc r a n e s ，a n dt h et w o d e g r e o - o f - f r e e d o ma n g l em o d e lw a s d e r i v e db a s e do nl i n e a rs i m p l i f i c a t i o nf o rt h es y s t e m sd y n a m i ce q u a t i o n s d y n a m i c s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t1 0 a d sh o i s tr o p el e n g t ha n dt h ea c c e l e r a t i o no f t h ec r a n e o rt h et r o l l e ya r et h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r sf o rt h el o a d ss w i n ga n g l e ，a n dt h e a c c e l e r a t i o nh a sg r e a t e re f f e c to nt h es w i n ga n g l et h a nt h er o p el e n g t h , a n dt h ee f f e c t o ft h ec r a n e sr u n n i n ga n dt h ee f f e c to ft h et r o l l e y sr u n n i n g0 1 1t h el o a d ss w i n g a n g l ea l ei d e n t i c a l 。 h y d r a u l i ca n t i s w a ys y s t e mh a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nm ec o n t a i n e rc r a n e s i n o r d e rt op r o v i d et h e o r e t i cf o u n d a t i o na n dg u i d a n c ef o rt h ee n 垂n e e r i n gd e s i g no ft h e h y d r a u l i ca n t i s w a ys y s t e m ，i nt h i st h e s i s ，t h ed y n a m i ce q u a t i o n sw e r ec o n s t r u c t e di n t h ef i e l do fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no nt h eb a s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea n t i s w a y s y s t e m s s t r u c t u r ea n dt h et r o l l e y l o a d s y s t e m sd y n a m i c s t h e nd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cw a sa n a l y z e df o rt h eh y d r a u l i ca n t i s w a ys y s t e m d y n a m i cs i m u l a t i o n a c c o r d i n gt o t h ec o n t a i n e rc r a n e ss h o w st h a tt h el o a d ss w i n ga n g l em a yb e a t t e n u a t e dt oz e r oa c c o r d i n gt ot h ei n d e xf o r m ，a n dt h ea n t i - s w a ys y s t e m ss t r u c t u r e p a r a m e t e r , h o i s tl o a dm a s s ，h o i s tr o p el e n g t ha n dh o i s tv e l o c i t yc a na f f e c tt h e a n t i s w a ye f f e c t f o rt h ec o n c r e t eh y d r a u l i ca n t i s w a ys y s t e m ，t h e r ee x i s t sb e t t e r a n t i s w a ye f f e c tw h e nt h ea n t i - - s w a ys y s t e mh a st h em a t c h i n gh o i s tl o a d o rt h e o p t i m a lr a t i or a n g eo f t h es t r u c t u r ep a r a m e t e rt ot h eh o i s tl o a d t h es t a t ev a r i a b l e si n f o r m a t i o ni n c l u d i n gt h et r o l l e y sp o s i t i o na n dv e l o c i t y , t h e 第页西南交通大学博士研究生学位论文 l o a d ss w i n ga n g l ea n ds w i n ga n g l ev e l o c i t ya n dt h et r o l l e y sd r i v i n gf o r c ea r eo f t e n c o l l a t e db yc o r r e s p o n d i n gs e n s o r s ，t h e nt h e s ei n f o r m a t i o ni sp r o v i d e dt ot h e a n t i s w a yc o n t r o ls y s t e m b u tc o n s i d e r i n gt h ed i f f i c u l t ya n dc o s to f s i t em e a s u r e m e n t f o rv a r i a b l e ss u c ha st h el o a d ss w i n ga n g l e ，i nt h i st h e s i s ，f o rt h et r o l l e y l o a d s d y n a m i cs y s t e md r o v eb yt h ed cm o t o r , t h ec o r r e s p o n d i n gv a r i a b l e sc a nb eo b s e r v e d t h r o u g hs e t t i n gaf u l l s t a t eo b s e r v e ro rar e d u c e dd i m e n s i o no b s e r v e r , a n dt h a ti st o r e c o n s t r u c tt h es t a t ev a r i a b l e s p a c e t h e nc o r r e s p o n d i n gv a r i a b l e s e s t i m a t e d i n f o r m a t i o nm a yb ep r o v i d e dt ot h ea n t i s w a yc o n t r o ls y s t e m t h ef u l l s t a t eo b s e r v e r w a sd e s i g n e dt oo b s e r v ea l lv a r i a b l e s i n c l u d i n gt h et r o l l e y sp o s i t i o nt h r o u g h c o l l e c t i n gt h et r o l l e y sp o s i t i o ni n f o r m a t i o n t h er e d u c e dd i m e n s i o no b s e r v e rw a s d e s i g n e dt oo b s e r v et h el o a d ss w i n ga n g l e s w i n ga n g l ev e l o c i t ya n dd r i v i n gf o r c e t h r o u g hc o l l e c t i n gt h et r o l l e y sp o s i t i o na n dv e l o c i t yi n f o r m a t i o n t h ed y n a m i c p a r a m e t e r so ft h et r o l l e y l o a d ss y s t e m ，t h eo b s e r v e r sp o l el o c a t i o na n dt h ei n i t i a l v a l u e o ft h ec o r r e s p o n d i n gs t a t ev a r i a b l ec a na f f e c tt h ec o r r e s p o n d i n gs t a t ev a r i a b l e s o b s e r v a t i o nt i m e t h ec u r v e so fo b s e r v a t i o nt i m ev s o b s e r v e r sp o l el o c a t i o nc a nb e p l o t t e dw h e nt h es y s t e m sd y n a m i cp a r a m e t e r sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gs t a t ev a r i a b l e s i n i t i a lv a l u ea r ed e t e r m i n a t e i no r d e rt or e c o n s t r u c tt h es t a t ev a r i a b l e sp r e c i s e l y , t h e o b s e r v e r sp o l ei sp l a c e do nt h en e g a t i v er e a l - a x i si nt h ec o m p l e xp l a n ea n di nt h e f l a tr a n g eo nt h ec u r v e s t h et r o l l e y - l o a d o p e n l o o ps y s t e mi s u n s t a b l ea c c o r d i n gt ot h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co ft h et r o l l e y - l o a do p e n l o o ps y s t e ma n dt h eo p e n - l o o ps y s t e m sp o l e l o c a t i o ni nt h ec o m p l e xp l a n e ，t h ec l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mi sc o n s t r u c t e dt h r o u g h i n t r o d u c i n gt h es t a t ef e e d b a c kg a i nr e g u l a t o r t h es t a t ev a r i a b l e si n f o r m a t i o ni s o f f e r e dt h r o u g hc o l l e c t i n gw i t hs i t es e n s o r sa n do b s e r v i n gw i mt h eo b s e r v e r c o n s i d e r i n gap a i ro fc l o s e d l o o pd o m i n a n tp o l e si nt h i sc o n t r o ls y s t e m sc o m p l e x p l a n , t h eo t h e rp o l e so f t h i sc o n t r o ls y s t e mm a y b ed i s t a n t l yp l a c e di nt h el e f ts i d eo f t h ed o m i n a n tp o l e sb a s e do np o l ep l a c e m e n t ( p o l ed i s p l a c e m e n t ) m e t h o d t h eg a i n a d j u s t i n gp a r a m e t e ro ft h ef e e d b a c kc o n t r o l l e ri sa c h i e v e dw i t ht h ea n a l y s i sw a y o f s i m i l a r2 n d o r d e rs y s t e m t h ef e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m sp o l e se x p e c t e da r ep l a c e d w i t ht h ea d j u s t i n gp a r a m e t e r , a n dt h el o a d ss w i n gm a yb ea t t e n u a t e dt oz e r oa tt h e t a r g e tp o s i t i o na n dt h ee x p e c t e da d j u s t i n gt i m e w h e nt h es t a t eo b s e r v e ri si n t r o d u c e d i n t ot h ef e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m ，t h eo b s e r v e r so b s e r v i n gs t a t ev a r i a b l e sm u s tb e f a s t e rt h a nt h ef e e d b a c kc o n t r o l l e r sa d j u s t i n gs t a t ev a r i a b l e s i nt h i st h e s i s ，t h e o b s e r v e ra n df e e d b a c kc o n t r o l l e rw e r ed e s i g n e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e l o a d ss w i n ga n g l em a yb ea t t e n u a t e dt oz e r oa tt h et r o l l e y se x p e c t e dp o s i t i o na n d 西南交通大学博士研究生学位论文第v 页 a d j u s t i n gt i m ei nt h ea d j u s t i n ge a t o rr a n g e ，a n dt h ea n t i s w a yc o n t r o ls y s t e mh a s f a v o r a b l es t a b i l i t ya n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ot h ed e s i g no ft h eo b s e r v e ra n d f e e d b a c kc o n t r o l l e ri sr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e p h y s i c a lr e a l i z a t i o no f t h ee r a n e s m o d e r ni n t e l l i g e n te l e c t r o n i ca n t i s w a yc o n t r o l s y s t e mm u s tb eb a s e do nt h em o d e r nd e s i g no fe l e c t r o n i cc i r c u i t i nt h i st h e s i s ，t h e d s pa n t i s w a yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a nb u ss t r u c t u r ew a sr e a s o n a b l yd e s i g n e d , a n dt h ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m ef o rt h el o a d ss w i n ga n g l e sm e a s u r e m e n t w i mt r i a n g l em e t h o dw a se x p o u n d e d t h e s ek e yt e c h n o l o g i e s ss o l v i n ga r et h e p r e p a r a t o r yw o r ko nt h ep h y s i c a li m p l e m e n t a t i o n sf o rt h e s ea n t i s w a yc o n t r o lt h e o r y a n dm e t h o d k e y w o r d s o v e r h e a dc r a n e s ；g a n t r yc r a n e s ；t r o l l e y l o a ds y s t e m ；s t a t eo b s e r v e r ； l o a d sa n t i s w a y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密幺适用本授权书。 学位论文作者躲印斌 日期加皆胡日 指导教师签名：每吨 日期：撕，月莎日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本入在导师指导下独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的创新点如下： ( 1 ) 通过建立吊重二自由度摆角模型( 2 2 ) ，指出起升绳长和大、小车运 行加( 减) 速度是影响吊重摆角的主要因素，其中大、小车运行加( 减) 速度 对摆角的影响比绳长对摆角的影响显著。分析出大、小车在加速和制动阶段是 吊重防摇控制的重点( 2 3 ) 。 ( 2 ) 对液压油缸式减摇系统进行动力学分析，建立吊重的摆角方程( 3 3 ) ， 分析影响减摇效果的因素和关键参数。液压减摇系统存在吊重刚好不发生振荡 衰减的临界结构参数、与结构参数匹配的起升质量和减摇效果良好的最佳结构 参数载荷比范围( 3 4 ) 。 ( 3 ) 采用状态变量空间重构的方法，首次解决了小车吊重系统中摆角、摆 角角速度等状态变量不易实时测量的问题。绘制出观测器极点与观测时间的关 系曲线，为了使观测器具有良好的收敛性，将观测器极点选择在该关系曲线的 平缓变化区域( 4 3 、4 4 ) 。当状态反馈控制系统引入观测器时，要求观测器对 状态变量的观测过程比反馈控制的调节过程快，文中给出了观测器和控制器的 设计方法( 5 4 、5 5 ) 。 ( 4 ) 首次提出了基于c a n 总线的吊重智能防摇d s p 控制系统结构( 6 3 ) 和吊重摆角的三角形测量方法( 6 5 ) 。 学位论文作者签名：卯烈 日期： 彳年以月i 舌日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 1 1 1 概述 桥式起重机或门式起重机( 以下简称起重机) 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门式起重机( 简称集装箱起重机或起重机) 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( 包括吊具和集装箱，通称 为吊重) 相对于小车中心竖直线的偏摆幅度( 用偏角或摆角衡量) ，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) 和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。 1 1 2 起重机快速对位问题的提出 受世界经济快速增长和世界贸易不断扩大的影响，自2 0 0 0 年以来，全球集 装箱运量年增长平均为1 0 6 ，其中2 0 0 3 年、2 0 0 4 年和2 0 0 5 年全球集装箱运 输市场的运量需求分别增长1 0 6 、1 2 和1 0 。随着世界贸易的一体化和我国 经济的快速发展，我国集装箱运输尤其是铁路集装箱运输也有了极大提高。从 集装箱发送量看，2 0 0 5 年底已达到2 7 7 2 万个t e u ( 国际标准箱单位) ，比2 0 0 0 年增长了2 5 4 ，货物发送吨数达到5 5 6 4 9 万吨，比2 0 0 0 年净增6 8 6 【i j 。“十 五”期间，我国集装箱运输量平均年增长速度达到2 2 以上。因此，随着我国集 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 装箱运输量的持续上升和集装箱运输网络的逐步形成以及我国集装箱网络结点 站的逐步开工建设，集装箱专用装卸设备特别是集装箱起重机的需求量逐步增 加，同时对作为现代物流装备的集装箱起重机装卸作业快速化和安全性提出了 更高的要求。 目前，绝大多数起重机都是由操作人员手动控制，有些起重机的司机室还 需要随小车、吊重的运行作往复运动，如果起重机的工作环境较恶劣，则操作 人员也会处在恶劣的工作环境中。此外，起重机的起升、运行等机构的操作是 不断重复的，容易使人疲劳，从而降低劳动效率，因此，会带来安全隐患和影 响生产效率两方面的问题。所以，在起重机需求量逐步增加的同时，人们也期 望能通过实现对起重机自动控制或者提高其操作的自动化程度，尤其在吊重的 防摇和减摇即起重机的快速对位控制中能实现自动化的操作，以提高起重机的 工作效率和装卸安全性，并改善操作人员的工作条件和减轻其劳动强度。 集装箱起重机的小车和吊钩( 或集装箱吊具) 之间通常采用柔性钢绳联结， 一方面减少了起重机的动载荷，提高了起重机装卸货物的灵活性，降低了系统 的功率消耗。但是，另一方面，在小车或大车运行过程中，尤其是在小车或大 车起动和制动阶段，由于这种柔性联结结构，小车吊重系统的动态特性和外界 干扰等因素的存在，尤其是惯性力和风载荷的存在，集装箱等货物将在竖直面 内产生类似单摆的运动，会增大吊重的摇摆程度，增加起重机准确对位、货物 快速码放的难度，从而降低系统的工作效率，所以，不能适应现代装卸作业快 速化、安全性的要求。人工操作时，有经验的操作人员能够视货物工作空间大 小、允许晃动的程度以及起重机的运行情况做出判断，根据吊重移动过程中的 摆角大小适时调整小车的运行速度，从而将吊重的偏摆角度( 即摆角) 控制在 较小的范围内。但是，由于操作人员的熟练程度各不相同，达到控制较小摆角 所花的时间也会不同，其控制效果也有差别，所以，起重机的工作效率会因人 而异：另外，操作人员随工作时间长短而疲劳的程度也会有所不同，所以，即 使具体到同一个操作人员，起重机的工作效率在不同的时间也会有差别。尤其 是在集装箱码头，集装箱起重机向大型化发展，起重机小车的运行速度和集装 箱的起升高度也相应提高，这也会增加操作人员对起重机快速对位的操作难度。 据统计，在集装箱装卸作业现场，传统的装卸设备在每个集装箱起卸时，平均 有超过3 0 的时间浪费在起重机的对位上【2 j 。 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，在较短时间 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 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作人员经验的过分依赖性。因此，吊重防摇控制技术 是起重机现代控制的关键技术之一，吊重防摇控制系统( 装置) 也是起重机作 为现代物流装备所必须的重要部件之一。 1 1 3 主要防摇技术 无论是吊重的主动防摇还是吊重的被动减摇，其防摇、减摇控制系统( 装 置) 的型式一般有机械式【3 1 、液压油缸式附l 、钢丝绳索式、机械电子式【6 】和智 能电子式。 机械式防摇可归纳为两种形式：一是通过机械手段消耗摆动的能量以达到 最终消除吊重摇摆的目的，大多数机械式防摇装置都是基于该原理；二是通过 增加悬挂系统刚性抑制摇摆。机械式防摇装置一般机构复杂，可靠性差，维修 保养工作量大，在起升钢丝绳较长时防摇效果并不理想，虽在满载时防摇效果 明显，但在空载时，摆幅衰减较慢，反应迟钝。 液压油缸式减摇系统在液压油阻尼作用下，将吊重摆动的能量转化为液压 油缓冲的能量，达到吊重减摇和起重机快速对位的目的。系统具有结构简单、 制造成本较低、易于实现和减摇效果良好等特点，是目前集装箱起重机中应用 较多的减摇型式之一，属于被动减摇方式。 机械电子式防摇系统先将吊具快速提升到接近最高点，使小车与吊具之间 的悬挂系统的刚性增强，小车与吊具联动，通过小车上的激光检测装置测出小 车到目标位置的相对距离和高度，从而控制小车何时减速和制动使其准确地位 于目标地上方，然后快速下降吊具。这种防摇系统实际上是将传统的装卸路线 加以改变，随着运行机构运行速度的大幅度提升，使得这种方法的实现成为可 能，但仍难以抵消吊具运行路线的增加而带来的工作效率的降低。所以，这种 防摇系统并不是真正意义上的电子防摇。 相比于机械式防摇系统和液压式防摇系统，智能电子式防摇系统附加设备 少，防摇时间短，基本上不增加额外起升重量，能将吊重减摇和小车或大车的 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 运行相结合进行控制。智能电子防摇系统易于实现系统的智能化控制，提高起 重机快速对位的自动化程度，技术含量较高，是起重机作为现代物流装备的重 要标志。尤其是融合变频调速技术的现代智能电子防摇系统可以使起重机的装 卸作业效率提高5 0 。智能电子防摇是主动防摇和被动减摇方式的统一。 鉴于前述，液压油缸式减摇系统和智能电子式防摇系统的特点和机械式减 摇系统结构复杂、防摇效果差等特点，工程实际中一般较多采用前两种。而智 能电子防摇技术是随着现代电子电路分析、设计技术和微处理器等嵌入式应用 技术的发展而发展起来的一种新型技术。起重机智能电子防摇系统的产生与发 展主要是基于以下几方面的目的： ( 1 ) 提高起重机的工作效率 这是为了适应集装箱等货物吊运量日益快速增长的需要。使用计算机自动 控制吊重的防摇，使起重机快速对位，从而使起重机的装卸效率达到或高于熟 练操作工在最佳工作状态、手工控制所能达到的工作效率，即提高起重机的整 体工作效率。 ( 2 ) 降低操作人员的劳动强度，改善操作人员的工作环境 随着人民生活质量的不断提高，起重机操作人员必将要求工作环境不断改 善，劳动强度不断降低。此外，传统的起重机操作人员一般都是随机工作的， 工作环境中的振动和噪声对操作人员的健康有一定的影响，某些领域的工作， 如核熔炉的加料等，对操作人员的损害甚至更大。起重机加装智能电子防摇技 术提高起重机的自动化操作程度，可以将操作人员从简单、重复、容易使人疲 劳的工作中解放出来，使操作人员远离恶劣、危险的工作环境，甚至实现起重 机的无人化操作。 ( 3 ) 起重机集中控制的要求 随着生产的远程化和网络化管理的提出与不断发展，起重机的现场生产也 将实现中央、远程、网络控制，智能电子防摇机理的研究和关键技术难题的解 决必定为起重机的集中控制与管理奠定理论基础和技术支持。 1 1 4 国内开发相关产品滞后的原因分析 应用于集装箱起重机防摇技术较多的液压油缸式减摇系统，工程实际中一 般较多倾向于主观设计，即主要根据起重载荷对系统的结构参数( 包括液压油 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 缸的选择) 进行设计，并没有对减摇系统结构进行深入的动力学分析，也没有 研究系统结构参数对减摇效果的影响。对液压减摇系统的动力学分析和系统结 构参数对吊重减摇效果的深入研究却能更好地为工程设计提供理论依据和指 导，从而达到优化设计的目的。 智能电子防摇控制型式是起重枕作为现代化物流装备提赢自动化水平的发 展趋势之。但是就智能电子防摇控制系统本身而言，目前国内尚无真正研制 出具有自主知识产权而且用于实际的成熟产品，国外虽有类似产品，但价格昂 贵，使用效果也不尽理想，这与国内开发类似电子产品相对滞后和开发难度本 身较大等因素有关外，还有以下原因： ( 1 ) 相关研究多注重难以物理实现的理论研究，而理论研究又多集中在现 代控制方法，如模糊控制7 啪l 、滑模变结构控制【2 7 2 8 1 和模糊滑模变结构控制 | 2 9 - 3 2 、鲁捧控制3 3 3 9 、自适应控制舭3 1 、神经网络控制似5 0 】等非线性控制方法， 如果这些控制系统本身的稳定性不够理想，则离实际应用就更有一定的差距。 ( 2 ) 智能电子防摇控制系统需要采集的起重机现场工况信号( 即相关状态 变量信息) 较多，信号采集的难度也较大，如采集大小车位置、速度和加速度 信号，吊重摆角、摆角速度信号，尤其是吊重摆角的测量，需要较大的成本， 存在较大的难度，而相关研究又没有注重有关关键技术的深入研究，从而解决 起重机现场工况信号的获得这一问题。而现场工况信号的采集与获得又是使控 制系统从理论研究到物理实现的关键和重要环节。 ( 3 ) 现代智能电子防摇技术是建立在现代电子电路设计、分析与微处理器 应用技术基础之上的，而相关研究没有提出一种合理的、易于实现的智能电子 防摇控制系统的电子电路结构形式和相关解决方案， 所以，对液压油缸式减徭系统进行动力学分析和减摇系统结构等参数对减 摇效果影响的深入研究具有一定的工程实用价值，其分析和研究方法在同类减 摇型式中具有广泛的应用和指导意义。对起重机小车吊重系统相关状态变量信 息获取方法展开研究和提出更合理、更易实现的控制系统的电子电路结构形式 是智能电子防摇控制系统物理实现的前期重要和必经的研究工作。所以，探索 出防摇机理在实际应用中实现的关键技术，一方面在同类研究中会带来一定的 理论和方法应用价值，另一方面，应用这些关键技术对进一步开发出在该领域 具有国内自主知识产权的机电产品会带来一定的社会效益。 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 1 2 起重机快速对位问题的相关研究 基于起重机吊重防摇理论研究的必要性，有关吊重防摇控制的研究引起了 国内外学者的兴趣，展开了大量的理论研究，提出了相应的控制方法，并用动 态仿真方法加以了验证，甚至用实验模型进行了实验室初步验证。 1 2 1 吊重防摇问题的研究进程概述 早期的防摇理论认为，抑制吊重的摇摆，最简单的方法是在小车运行过程 中後吊重摆角自始至终保持为零( 或接近为零) ，这需要小车的加速度非常小， 即小车必须以较小的速度运行。这种方法较原始，即使不计较起重机的工作效 率，按照这个原理工作的系统鲁棒性( 即系统适应系统参数不确定性、结构不 确定性和各种外晃干扰的能力) 也较差，极易受到外界的影响，而一旦产生摇 摆，般唯一的办法就是靠摩擦等因素消耗摆动能量，等待摆动自然衰减。六 十年代末开始，防摇理论有了较大的发展，认为要抑制吊重的摆动一方面需要 降低小车加速度，另一方面还需要采用各种消振措施、加装减摇装置来最终衰 减吊重的摆动，也就逐渐发展了祝械式减摇系统。凡篇典型钓梳械式减摇系统 研究文献如：t a n i z u m 5 1 】力日装了由液压系统组成的机械阻尼器来消减吊重的摆 动，该阻尼器包括升降缸、液压泵、反向平衡阀、操作阀和输送管线等，整个 系统笨重、结构复杂。b e l i v e a u 3 2 j 等人采用了半被动防摇方式，通过调节一个附 加质量的大小及其支撑杆的长度，以改变整个系统的振动周期从而逐渐消减吊 重的摆动。王金诺、程文明等人根据刚性减摇的特点分析了集装箱起重机吊 具工作时的自由摇摆过程，建立了刚性减摇系统在工程应用范围内的简化数学 模型并结合我国酋台t 3 l q 3 0 5 b 铁路集装箱门式起重视刚性减摇系统进行了 动态仿真实例计算和测试。粱承姬【2 1 等人对某港机公司制造的机械式减摇装置 的组成和减摇机理进行了分析，建立了相应的动力学模型，并结合实例用数值 方法求得了平衡粱和吊重的摆动曲线，其目的是为该类型的减摇机构的设计提 供一定的理论依据。 由于机械式减摇系统本身的结构特点，不易用逐渐发展起来的现代控制方 法分析和设计等特点，所以，相比于机械式减摇系统的应用研究而言，机械式 减撂系统的理论研究较少。 西南