（控制理论与控制工程专业论文）汽车起重机安全监控系统的研究与开发.pdf

硕十学位论文 摘要 汽车起重机是工程机械中广泛运用的施工设备，它的安全问题，直接关系 到现场施工人员的人身安全和工程的效率。然而近年来我国大、中城市工程机 械死亡事故居高不下。因此，为了保证和提高汽车起重机安全作业，研究与开 发汽车起重机安全监控系统具有十分重要的意义。 本文首先论述了国内外工程机械安全保护装置的现状及存在的问题，重点 对目前起重机安全监控装置( 力矩限制器) 功能和可靠性方面存在的不足进行 了分析研究；其次对汽车起重机安全监控的原理和检测吊重的方法( 检测钢丝 绳张力法、检测油缸压力法) 进行了深入的探讨，指出了两种检测方法存在的 问题；再次详细论述了生产过程静态数学模型的建立、评价和检验方法，为本 文汽车起重机安全监控系统数学模型的建立打下了理论基础。在此基础上，本 文提出了一种基于力矩平衡原理和最小二乘法建立的汽车起重机数学模型，并 通过m a t l a b 验证了模型的可靠性对模型的参数进行了优化和线性拟合。最后 运用上述研究成果，成功设计了一种基于1 6 位单片机( 8 0 c 1 9 6 ) 和可编程单片机 外围芯片( p s d 8 1 3 f 2 ) 的汽车起重机安全监控系统，描述了其设计原理和总体 结构，分单元给出了元器件选择方案、硬件电路图，列出了主程序及主要子程 序流程图，研究并具体实现了监控系统的抗干扰措施。 该安全监控系统已经小批量试生产，经用户实际运行情况的反馈，证明了 该系统具有可靠性高、测量精度高、适用范围广泛、维护调试方便、抗干扰能 力强等特点，表明了本文研究成果的有效性和应用价值。 关键字：汽车起重机；安全监控；数学模型；参数；c a n 汽车起蕈机安令! 睦控系统的研究j 开发 a b s t r a c t a u t oc r a n ei sac o n s t r u c tf a c i l i t yw i d e l ya p p l i e di nm e c h a n i s me n g i n e e r i n g i t s s e c u r i t yp r o b l e mi sc l o s er e l a t e dw i t hw o r k e r s l i f ea n de f f i c i e n c yo ft h ee n g i n e e r i n g w h i l et h e r es t i l li sah i g hs c o r eo fm e c h a n i s me n g i n e e r i n gd e a da c c i d e n ti no u r c o u n t r y t h e r e f o r ei th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et od e v e l o pt h ea u t o c r a n es e c u r i t y m o n i t o rs y s t e m f i r s t l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e c u r r e n tc o n d i t i o n sa n dp r o b l e m so ft h e m e c h a n i s me n g i n e e r i n g s e c u r i t yp r o t e c t i o ne q u i p m e n ti n n a t i v ea n df o r e i g n c o u n t r i e s ，e s p e c i a l l yf o c u so ni n v e s t i g a t i n ga n da n a l y z i n gt h es h o r t a g ei nf u n c t i o n s a n dr e l i a b i l i t yo fc r a n es e c u r i t ym o n i t o re q u i p m e n t s e c o n d l y , t h i sp a p e rd e e p l y d i s c u s s e st h es e c u r i t ym o n i t o r sp r i n c i p l ea n dt w ok i n d so fm e t h o d so fm e a s u r i n gt h e w e i g h t ，p o i n to u tt h ep r o b l e m si nt h em e t h o d s t h i r d l y ，t h e r ei sap r i n c i p l e f o u n d a t i o no fa u t oc r a n es e c u r i t ym o n i t o r s y s t e m sm a t h e m a t i c sm o d e l a f t e r d e p i c t i n gh o wt oe s t a b l i s h ，e s t i m a t ea n dt e s tt h ep r o d u c ep r o c e s ss t a t i cm a t h e m a t i c m o d e l b a s e do nt h et h e o r yo fm o m e n tb a l a n c ea n dl e a s ts q u a r em e t h o d ，t h i sp a p e r b r i n g so u ta na u t oc r a n em a t h e m a t i cm o d e l i ta l s ot e s t st h em o d e lr e l i a b i l i t y , o p t i m i z ea n dr e g r e s st h ep a r a m e t e r su s i n gm a t l a b a tl a s t ，t h ea u t h o rd e s i g n e da n a u t oc r a n es e c u r i t ym o n i t o rs y s t e mb a s e do n16b i ts i n g l ec h i pc o m p u t e r ( 8 0 c19 6 ) a n df p g a ( p s d 813 f 2 ) u s i n gt h er e s e a r c hf r u i ta b o v e t h e r ea r ep r i n c i p l e so ft h e d e s i g n ，w h o l es t r u c t u r e ，c o m p o n e n t s c h o i c es c h e m e ，h a r d w a r ec i r c u i td i a g r a mo f s e p a r a t eu n i ti nt h el a s tc h a p t e r t h ea u t h o ra l s ol i s tt h ef l o wc h a r to fm a i np r o g r a m a n dv i t a ls u b p r o g r a m ，r e s e a r c ha n dc a r r yo u tt h ea n t i d i s t u r bm e a s u r e t h es e c u r i t ym o n i t o rs y s t e mh a sb e e np r o d u c e dal i t t l en u m b e r a f t e rt h e c u s t o m e r s f e e d b a c k ，t h es y s t e mh a sb e e np r o v e dt oh a v eh i g hr e l i a b i l i t y , h i g h m e a s u r ed e f i n i t i o n ，w i d ea p p l i c a t i o n ，c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c ea n dg o o da n t i d i s t u r b a b i l i t y i ta l s os h o wt h ev a l i d i t ya n da p p l i c a t i o nv a l u eo ft h er e s e a r c ho ft h i sp a p e r k e yw o r d s ：a u t oc r a n e ；s e c u r i t ym o n i t o r ；m a t h e m a t i cm o d e l ；p a r a m e t e r ；c a n u 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：帮勉日期：2 p 叮年，月2 ，日 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。本人授权湖南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 、保密团，在墨 年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：葑越 导师签名：却夔扒 日期：9 _ 叮年，月2 f 日 日期：力彩啤月纠日 硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车起重机安全监控的重要意义 工程机械是机械工业的一个重要组成部分，在城市建设、交通运输、能源 开采、近海开发、农田水利和国防建设中，起着十分重要的作用，为现代化 建设提供了先进的施工机具和手段，工程机械的现代化必将推动现代化建设的 进程，提高基本建设工程的施工质量，加快国民经济建设的步伐。作为工程机 械中广泛应用的施工设备，汽车起重机的安全问题直接关系到现场施工人员的 人身安全和工程的进展程度。 然而，据统计分析，近年来我国大、中城市工程机械死亡事故居高不下。 通过全国部分城市对九种特殊工种5 7 0 起事故分析，仅汽车起重机搬运事故就 达1 9 8 起，占总事故数的3 4 7 4 ，造成了不幸的人身伤亡和巨大的经济损失。 为保证和提高汽车起重机安全作业，除要求设备具有合理的结构和性能， 保证制造质量外，“汽车起重机安全监控系统 的产生也就迫在眉睫。 1 2 汽车起重机安全监控系统概述 在国民经济建设中，施工的机械化程度越来越高，起重机的应用越来越广， 起重机的安全性也越来越受到人们的重视。国家劳动部规定：1 6 吨以上的起重 机必须安装保护装置。为实现安全工作，操作者必须随时了解起吊情况，对于 载荷极限值固定的起重机，如门桥吊，可只对起吊的重量进行估计，对汽车吊、 履带吊、固定回转吊等臂长、角度可变的起重机。其起吊重量极限值是变化的， 这样就要求在操作过程中，随时估计、查表获知起吊重量。一旦估计不准就容 易超载，以至发生事故，同时降低了工作效率。 通过安装起重机专用的安全保护装置，操作者可以从高度紧张的估算查表 中解脱出来，根据装置的指示大胆操作，既消除了隐患，又减轻了操作者的疲 劳程度，提高了工作效率。汽车起重机安全监控系统( 以下简称起重机监控系 统) ，它是一种重要的起重机超载保护装置，它通过传感器实时检测起重机的几 项工作参数，经过计算处理，自动显示用户关心的几项参数并根据起重机的当 前状况进行判断：当起重机接近非安全工作范围时，系统发出预报警，超过安 全工作范围时，系统报警并进行安全保护控制，禁止起重机向危险方向动作。 实践证明，使用起重机监控系统可有效预防翻车、超载断臂等恶性事故的发生【l j ， 充分利用起重机的工作能力，避免误操作对起重机的损坏，减轻操作者的劳动 汽车起露机安伞髓挡系统的研究勺开发 强度，大大提高工作效率。 国外很多起重机制造商很早就进行了起重机监控系统的早期产品一一力矩 限制器( 以下简称力限器) 的研究与应用，并随着技术进步，目前己达到了较 高的水平。我国在这方面起步较晚，技术水平不高，应用范围不广，但随着经 济的发展和安全意识的提高，国内对起重机的力矩限制器有了很大的要求。国 家技术监督局专门制定和发布了起重机的机械安全装置技术规范，对力限器的 功能和性能检验等作了严格规定。国家劳动部也已正式规定1 6 吨以上的吊车必 须装备力限器。国内现有的起重机除近期进口的较先进的起重机外，绝大多数 都要安装力限器，包括一些己有的力限器，由于使用年限过久，系统损坏严重， 也需要改装力限器。可见国内市场的需求是巨大的。 1 3 国内外工程机械安全保护装置现状 1 3 1 国外工程机械安全保护装置的发展及现状 如前所述起重机监控系统的早期产品一一力矩限制器已经上市了很长时 间。目前，国际上起重机制造行业主要有格鲁夫、加藤、得玛克、神户和多田 野等十几家制造商，其产品占据国际市场的大部分份额。它们大都根据自己的 起重机产品研制并配套专用的力限器。还有德国的p a t 电脑公司也生产各种型 号的力限器。考察这些产品【2 1 ，可基本反映国外技术的发展历程、现状和趋势。 1 电子模拟式 早期生产的电子力矩限制器均为模拟式，其元器件较多，随着大规模集成电 路的发展，使整机元器件数量大大减少，成本进一步降低。因此，国外一些生产微 机控制方式力矩限制器的厂家也同时生产电子模拟式力矩限制器供客户使用。 电子模拟式力矩限制器在精度上略低于微机控制式，但应该可以做的很高。如日 本神户制钢所的l s d 系列产品精度5 ，我国文献介绍其综合精度达8 ，优于 g b 6 0 6 7 - 8 5 标准。汽车起重机蓄电池干扰和发动机电磁干扰对微机控制式力矩限 制器影响较大，通常采用复杂的专用电源和抗干扰措施，而对模拟式力矩限制器 来说，瞬间干扰不会造成仪表失灵的后果，对电源电路要求相应降低。 2 微机控制式 这类力矩限制器最初多选用的微处理器( 如z 8 0 c p u ) ，近些年已逐渐被单片 机取代。由于微机控制式力矩限制器发挥了计算机的特长，使其性能较模拟式有 较多改善。在硬件基本不变情况下，适当修改软件，可以适用多种起重机：可对测 量误差进行修正；应用“零处理技术实现自动复零去皮等功能，现场调整很 方便。但其结构较复杂，成本较高，可靠性目前还不理想。 3 模拟数字混合式 硕+ 学位论文 鉴于电子模拟式和微机控制式( 数字式目前基本上为微机控制式所取代) 存 在的问题，有人研制出一种模拟数字混合式力矩限制器。测长检测器和测角检测 器分别将吊臂长度和吊臂倾角转换成模拟电压信号，再经8 位a d 转换器转换或 相应的8 位二进制数，它的输出合在一起构成一个1 6 位二进制数。这个1 6 位二 进制数的每一个值都对应着臂架的某一位置。同时它又是e p r o m 的地址输入。 在e p r o m 中，每个存储单元内都存有事先算出的臂架处于不同角度和长度时允许 起重量，通过不同地址，选出对应某个臂架位置的允许起重量，并以8 位二进制数 的形式出现在e p r o m 的数据线上，在经过d a 转换器成模拟电压信号，并与力传 感器输出电压信号比较，即与起重机的实际重量进行比较，已决定是否报警或切 断起重机动作。其结构较微机控制式力矩限制器简单，只要修改e p r o m 内部即可 适用不同吨位的汽车起重机，具有一定的通用性。 如今外国生产的力限器还占据着国内广大的市场份额，虽然性能优异质量 可靠，其价格昂贵，而且很难和国内的起重机配套，售后服务也不完善。 1 。3 2 国内工程机械安全保护装置现状 由于国内在工程机械安全监控方面起步较晚，目前国内的相关产品主要来 自北电研究所、航天3 1 所及一些主要工程机械制作企业( 如中联、浦沅等) 自 主研发的产品。相对进口产品，国内产品市场份额很小，由于种种原因，在功 能、性能、使用可靠性等方面没有达到令用户满意的程度。 1 4 工程机械安全保护装置的发展方向 1 4 1 我国工程机械及其保护装置市场前景广阔 今年以来，国内工程机械行业增长速度加快，1 9 月份十大类主要工程机 械产品累计产量达1 0 万台，增长了5 7 。有关方面分析认为，工程机械行业增 长加快，主要有六个原因： 第一，“十五 规划中国家重大建设项目资金到位率高。如交通建设项目中 的青藏铁路、宁西铁路、秦沈客运专线铁路、合西线和延西线等一批高等级建 设项目，需要大量的工程机械。 第二，全国城镇建设加快。据了解，建设部规划的全国1 0 0 个示范城镇建 设工程全面启动：全国住宅开发建设形势喜人，民间资金大量涌入，带动了工 程机械需求上升。同时，近几年外资建设项目增多，为工程机械扩大了市场。 第三，土石方工程施工项目向私人企业转移，个体户购买工程机械的数量 大幅度上升。例如江苏省有2 0 0 0 多台液压挖掘机由个体工程承包商购置，装载 机中个体户购买数量接近5 0 。 第四，商品混凝土机械行业进入2 0 世纪9 0 代以来的第二个更新周期，需 汽乍起晕机安伞舱控系统的研究j 开发 求量急剧上升。2 0 0 3 年年底，大中城市取消了现场分散的凝土搅拌作业，因而 集中生产混凝土的自动化搅拌站数量急剧增加。 第五，出口量大幅上升。国产工程机械质量不断提高，改善了出口市场环 境，2 0 0 3 年出口外汇额比上年增长3 5 3 6 ，预计今年将增长4 0 。 第六，煤炭出口增加，带动了煤矿开发和流通运输行业的发展，对相应工 程机械需求量增加1 3 j 。 随着国家多项基础设施建设的蓬勃发展，有关专家进一步估计，到2 0 0 5 年， 基础设施和基础工业建设的土石方及装卸工作量将比现在增长1 5 倍，从而为发 展挖掘机等大吨位土方工程机械及配件提供了良好的市场发展空间。 近年来， 我国对液压挖掘机、推土机、装载机、道路机械、工程起重机械等工程机械的 需求量保持快速增长。预计到2 0 0 5 年全国液压挖掘机的需求量达1 6 万台，机 重在3 0 吨以上的大型机和1 6 吨以下的小型机以及轮胎式液压挖掘机都将有一 个很好的发展，特别是3 0 吨一6 0 吨级产品将随着相关配套领域产品的发展变化， 增速将有加快的趋势。预测到2 0 0 5 年，3 0 吨以上大型机的需求量可达1 4 0 0 一 1 5 0 0 台，4 0 吨以上液压控掘机的市场需求量为3 0 0 - - 4 0 0 台；另外，需求装载 机2 5 0 0 台、1 2 0 马力以上推土机5 0 0 0 台、铲运机1 0 0 0 台、平地机1 0 0 0 台、压 路机8 0 0 0 台、工程起重机1 10 0 0 台、叉车2 0 0 0 0 台。 总之，到2 0 0 5 年我国拥有各类工程机械预计将达到1 5 0 万台，因此，作为 工程机械配套产品的安全保护装置，市场的发展潜力巨大，前景非常广阔。 1 4 2 安全保护装置的发展方向 在基础建设中，新材料、新结构和新问题的出现，必将带来建筑工程施工 工艺技术的发展和变化，并会对工程机械产品提出新的要求，近年来工程机械 行业的新技术不断出现。工程机械行业的技术变革己成为今后机械技术进步最 活跃的一个因素。 国际工程机械发展至今，大致经历了四个阶段： 第一阶段，以满足减轻劳动强度为目的的机械驱动阶段。机械设备以机械 传动为特点，结构笨重，功能单一，作业效率低下。 第二阶段，以提高生产率为目的，机械设备采用液压传动。这一阶段工程 机械设备的作业效率提高较快，液压元件行业的技术进步一直伴随着工程机械 的发展。 第三阶段，为工程机械的电子控制阶段，工程机械的控制精度及机械作业 效率大大提高了。 进入2 1 上世纪后，人类为了实现可持续发展，提出了工程机械的环保技术 和信息技术，工程机械发展进入了第四个发展阶段。 硕 ：学位论文 实现全球可持续发展的战略目标，研制开发环保型工程机械产品，这是是 今后国际工程发展趋势的主流。 人类赖以生存的地球资源是十分有限和宝贵的，不顾生态环境的经济发展， 最终将导致资源枯竭、环境恶化。日本在工程机械的设计上，提出了“尊重人间 的新概念，就是为实现工程机械对环境的污染最小化，操作人员的安全保护以 及操作人员的工作舒适性等，达到人机环境的亲和【4 j 。 随着计算机信息技术的发展，工程机械的信息技术必将得到广泛的使用。 工程机械信息技术就是利用计算机技术、无线通信技术以及卫星定位技术对工 程机械的运作状态、位置及施工进行监测。工程机械良好的控制性能和信息处 理能力，主要是基于机械和液压两个方法性能的提高，依靠电子及传感元件反 馈的信号，实现工程机械工作过程的在线状态监测和故障诊断分析。 因此，作为国家劳动部指定的工程机械配套产品的安全保护装置必须适应 这种变化。这就要求我们，针对工程机械产品安全性、可靠性和工作效率不断 提高的要求，以工程机械健康监控为起点，实现多层次的工程机械监测与控制 系统。逐步完成安全检测与控制系统、计算机电液智能控制系统、电子节能控 制系统、智能功率分配与控制系统、发动机e c u 系统、故障诊断与分析系统等 前端单元控制系统的设计，达到提高工程机械设备故障诊断及控制的稳定性、 精确度和现场施工的适应性目标，并融和情报信息、无线通讯和互联网技术实 现现场工程机械设备车辆的远程管理( 3 g g p r s g i s ) 和调度控制，对工程机 械作业实施全方位监测、控制、调度、提供信息服务等。 1 4 3 工程机械智畿监测与控制系统 “工程机械智能监测与控制系统”( 以下简称“机载控制系统) 是湖南省 重点科技攻关课题，其主要目标是针对工程机械产品安全性、可靠性和工作效 率不断提高的需求，以工程机械健康监控为起点，将电液成套和系统集成的机、 电、液和现代网络一体化技术应用于汽车起重、高空作业、挖掘、装载等大、 中型工程机械中，对其实现智能控制的系统。同时，该系统力求在国内工程机 械领域首次实现应用无线视频和互联网络等成熟而低成本平台的远程通讯技术 对施工机械实施远程的监控、维护、调度和管理，以解决目前国内工程机械故 障率居高不下、安全事故多、操作舒适性差、效率低下、维护耗时废工、竞争 力极弱等现状。 该系统是一个典型的光机电一体化控制系统，是一个融电液电气传感遥控 遥测电子及半导体、控制、模糊数学、人工智能、全球定位移动视频地理信息 系统和互联网等多学科领域技术于一体的大型综合智能监测控制系统。 本项目由三个层次系统构成： 汽车起霞机安伞! l ：f 挖系统的研究j 开发 1 前端单元控制系统 由多个自成一体的独立单元构成，分别对工程机械车况、工况数据予以采 集、分析、实现相关功能控制。本文所研发的汽车起重机安全监控系统便是其 中的一个相对独立的子系统。 2 机载前端控制系统 由机载前端控制主机、人机交互装置、机载电源和机载视频装置等组成。 3 远程控制系统 由无线通讯和网络技术服务中心构成、主要完成远端监控、诊断维护和调 度管理。 1 5 本文研究的主要内容 综合国内外情况，目前国内外的生产厂家主要还是停留在把力矩限制器作 为独立的安全保护装置开发上，并未将其上升到汽车起重机安全监控系统系统 的高度，更没着手设计开发整体的工程机械智能监测与控制系统。 可以说国内起重机行业正在迫切呼唤适合国情、性能先进、功能完善、工 作可靠的新型汽车起重机安全监控系统系统，以满足国内生产使用的需要。 本文就是在这种形势下，结合实际科研课题，针对新型汽车起重机安全监 控系统进行了研究，主要做了以下几个方面的研究与开发工作： ( 1 ) 研究起重机监控系统的原理及潜在的问题，提出解决办法。 ( 2 ) 对起重机建立精确但不繁琐的数学模型，并对确定参数的方法进行研究。 ( 3 ) 基于c a n 总线，实现起重机监控系统与其上层单元机载前端控制系统的 通讯。 ( 4 ) 完成对整个起重机监控系统的软硬件研究开发、样机制作和调试。 1 6 本文的章节安排 第1 章绪论。主要分析了汽车起重机安全监控系统系统的意义，介绍了 目前国内外发展现状及存在的问题，预测了工程机械安全保护装置的发展方向。 并针对这些问题提出了设计新型汽车起重机安全监控系统系统的构想。 第2 章汽车起重机安全监控系统原理研究。详细描述了起重机监控系统 的原理，并基于原理，分析了潜在的问题，进一步提出解决问题的方法。 第3 章静态模型的建立与研究。对生产工程静态数学建模的方法及数据 拟合的方法进行了阐述及研究。 第4 章起重机监控系统的数学模型的建立。详细描述了本系统的数学模 型建立过程和方法。 硕一f ：学位论文 第5 章c a n 总线在汽车起重机安全监控系统中的应用与研究。介绍了c a n 总线的特点及其在起重机监控系统中的应用。 第6 章汽车起重机安全监控系统的设计与实现。描述了系统设计原理和 总体结构框图，给出了元器件选择、硬件电路设计和软件程序流程，详细论述 了各个单元的工作原理以及实施方案。 结论概述了本文主要完成的工作及取得的成果，并对汽车起重机安全监 控系统的进一步研究进行了展望。 汽车起重机安伞监控系统的研究与开发 第2 章汽车起重机安全监控原理研究 2 1 汽车起重机安全监控原理 2 1 1 系统原理 作为工程机械重要的保护装置，汽车起重机安全监控系统是防止起重机的 起重力矩或起重量超过机械当前状态下所允许的最大载荷的系统。它的工作原 理是：根据工作前设定的机械状态参数和工作中检测到的机械状态参数，检索 出预存在存贮器内的机械当前状态下允许的最大的载荷，以此为标准，将检测 到的实际载荷与其比较，从而判定机械的工作状态是否安全。从起重机的工作 过程来看，影响其工作状况的主要参数有以下几个： ( 1 ) 臂长，对诸如履带式起重机类，固定臂架机械要预设，对伸缩臂式起重 机则由臂长传感器测； ( 2 ) 吊臂角度，由角度传感器检测； ( 3 ) 工作半径； ( 4 ) 工作区域，只对在不同区域内起重曲线有别的起重机有影响，如大多数 汽车起重机； ( 5 ) 起重钢丝绳倍率，预设； ( 6 ) 起重力矩，由传感器检测； ( 7 ) 起重量，由传感器检测。 传感器检测到的电压信号，经过多级放大后再转换成数字信号，提供给力 矩限制器，由力矩限制器完成数据的检索、比较、显示，并在起重载荷超载时 发出报警，同时发送停止指令给执行机构。 2 1 2 系统结构 汽车起重机安全监控系统包括下列七个部分：全自动力矩限制器主机、主 臂仰角检测器、主臂长度检测器、吊重检测器、显示面板、自动停止电路、c a n 总线通讯单元。系统控制结构如图2 1 所示。 硕1 二学位论文 i 主臂仰角检测器 0 力 爿 显示面板 l - i 矩 i 主臂长度检测器f 令 限 制 卜 c a n 总线通讯单元 f吊重检测器 令 器 丰 爿自动停止电器吲执行椭 j j 体 图2 1 安全检测与控制系统结构框图 图2 1 系统结构中，力矩限制器主机对来自吊重检测器、主臂仰角检测器、 主臂长度检测器的信号加以运算处理，并显示出力矩、主臂仰角、起吊载荷重 量、额定总重量、工作半径、起升高度、主臂长度等数值。代入数学模型，计 算得出实际载荷。当检测显示出来的实际载荷超过安全上限值或力矩值达到最 大规定值的9 0 时，进行预报警，发出声光信号。当检测显示出来的实际载荷 超过安全上限值或力矩值达到最大规定值的1 0 0 时，以及吊钩呈过卷状态时， 系统会显示、报警和自动停止电路开始工作，发出自动停止信号；执行机构中 的电磁阀会动作，电磁线圈如为常通式则被去磁，如为非常通式则被励磁。不 管哪种情况，电磁阀均能使手动控制阀中的溢流阀的放泄油路连接到液压油箱， 以停止起重机的动作。并将这些信息通过c a n 总线通讯单元上传给中间层系统 一一机载前端监控系统。此外，安全检测与控制系统还有主臂仰角限制功能、 吊臂伸缩控制信号输出等功能。其中吊重检测器有多种方式，本系统采用的是 检测油缸压力法，将其安装在吊臂变幅油缸活塞杆的顶端和末端，是两个将负 载和吊臂自重产生的全部压力变换为电信号的压阻式传感器；主臂长度检测器 安装在主臂的侧面，与检测过卷线盒为一体，在检测器内部有卷筒、减速器和 电位器，将检测主臂长度值变换为电阻值。主臂仰角检测器安装在主臂的侧面， 它包括一个由摆锤带动的电位器，将主臂仰角变换为电阻值。 2 2 常用的吊重检测方法及存在的问题 2 2 1 检测钢丝绳张力法 2 。2 1 1 串联方式 将常规拉式称重传感器直接串联在起重钢丝绳上，即串接在吊臂头部钢丝 绳固定端。此种方案特点是测量精度稳定，测量结果成线性，但也存在一些问 题： ( 1 ) 不安全，应增设一道强度足够的限位板； 汽下起重机安伞舱控系统的研究与开发 ( 2 ) 传感器弹性体在疲劳和冲击下断裂危险性较大，应在结构和材料方面专 门设计； ( 3 ) 传感器输出信号传输不便； 2 2 1 2 并联方式 这是应用比较多的一种方式，它不需对起重机做任何改动，一般在基本臂 钢丝绳部位套检测装置，即滑轮机构。滑轮检测机构主要有双滑轮机构、三滑 轮机构和五滑轮机构三种结构。 双滑轮机构最简单，但精度较低，目前较少使用。三滑轮机构是目前应用 最多的一种结构，一般取三种布置方式： ( 1 ) 三滑轮水平放置； ( 2 ) 三滑轮垂直放置，中间动滑轮下压传感器； ( 3 ) 三滑轮垂直放置，中间动滑轮上压传感器。 三滑轮机构在检测压力时，误差较大。滑轮和钢丝绳的磨损都会使测量误 差增大。五滑轮机构的测量结果与钢丝绳的磨损无关，但增大钢丝绳的磨损。 国外许多起重机制造厂7 0 年代就开始采用m c 尼龙滑轮，我国某起重机厂 自1 9 8 4 年开始试用m c 尼龙滑轮。据介绍，目前的铸造滑轮和焊接滑轮比较， 采用m c 尼龙滑轮可使滑轮寿命提高约4 5 倍，钢丝绳寿命提高约1 0 倍。如果 采用m c 尼龙滑轮做滑轮机构检测器滑轮，会使由于滑轮和钢丝绳磨损引起的测 量误差大大减小。 2 2 1 3 存在的几个问题 通过检测起重钢丝绳张力来测量起重量具有一定的局限性： 1 吊臂饶曲的影响 起重货物时，随着起重量不同，吊臂伸缩长度不同，吊臂变形量不同。大 吨位起重机最大变形量可达数米。长期使用起重机，伸缩臂间的垫块磨损，使 吊臂变形加大。因此要求使用到某个期限时，应对力矩限制器存贮曲线修正， 而存贮曲线便于修正。 2 滑轮组效率问题 起重机起吊同一重物，在起升、静止和下降过程中，仪器将显示出不同的 吊重值。倍率越大，效率的影响越显著。由于效率影响不是定值，不容易实现 补偿。 3 风载荷的影晌 风载荷会产生侧向倾覆力矩，起吊或下放重物，偏离了铅垂线也会产生额 外的倾覆力矩，高速作业突然刹车等都是检测钢丝绳张力方法无法解决的问题。 硕士学位论文 2 2 2 检测油缸压力法 汽车起重机结构受力简图如图2 2 所示： t 图2 2 汽车起重机结构受力简图 图中为t 吊重，t i n 为起升绳拉力( n 为倍率) ，g 为主臂自重，f 为变幅 油缸推力，根据系统结构处于平衡状态，各力对臂架下铰点a 的合力矩为零， 显然有下列关系： f = 凡缸，l ) + t f r 缸，l ) ( 2 1 ) 口，l 分别为主臂仰角和长度，f g q ，l ) 、f r ，三) 分别为对应口、l 时由主臂 重量g 和单位吊重产生的变幅推力。同时由图2 2 可知： 凡q ，三弦q ) = g 心g ( l ) c o s o t n 7 1 s i n a t ) ( 2 2 ) 由f c 如，三) = g g ( d c o s a n r 龇) 向 ) 计算主臂架重量产生的变幅力， 有f g k ，三) 的计算公式，就可通过公式( 2 3 ) 求取t 。 t = i f f g q ，三) 】r ( 口，三) ( 2 3 ) 这作为系统吊重的计算方法【5 1 ，然后制定载荷特性曲线、额定载荷与对应的 工作半径、仰角、力矩关系曲线等，作为工作过程控制系统内存数据的理论依 据。 本系统正是采取了这种方法，由两个压力传感器，分别检测油缸上腔压力 和下腔压力。 汽车起霞机安伞雌控系统的研究与开发 第3 章静态模型的建立与研究 3 1 数学建模概述 3 1 1 数学模型的意义 数学是研究现实世界的空间形式和数量关系的科学。数学是理解世界的方 法，是万物的度量。数学是高度抽象的、非常严密的，数学的结论和方法是可 以用在许多方面的。随着人类社会的进步及科技水平的提高，数学的应用不再 限于物理、力学、电磁学等领域。随着电子计算机的发展使得人口、经济、社 会等领域都广泛深入地采用了数学的方法和工具，使得以前很多定性的东西也 逐步定量化和精确化。数学本身的发展，也提供了解决随机、确定、离散等问 题的途径，使得数学在各个学科中的应用显得越来越重要【6 j 。 在生产过程中，为了分析和改进生产中出现的问题，虽然可采用比较简单 的直接试验方法，但在很多情况下这种方法是行不通的，而要通过模拟计算的 方法进行。如果设备正式投产后，往往不允许破坏正常生产过程进行实验，特 别是实验中需要施加任意输入或改变生产条件时，搞不好会发生故障甚至出现 危险。另外直接试验往往需要花费较多的人力、财力和时间，从经济角度来看 也是不合算的。所以在很多情况下，人们一般先进行一些数学处理，然后在计 算机上进行模拟计算来代替试验。 总而言之，当前科学技术的发展要求我们更好地应用数学这一工具为各方 面服务，用数学方法来反映、描述或模拟各种各样的现象，揭示其内在规律， 这就是下面提到的数学模型。 3 1 2 数学模型的定义 数学模型是关于部分现实世界的为一定目的而作的抽象、简化的数学结构、 它用数学符号、公式、图表等刻画客观事物的本质属性与内在规律。数学模型 是系统的某种特征的本质的数学表达式，数学模型是对所研究对象的数学模拟， 是一种理想化和抽象化的方法，是科学研究中一种重要的方法。例如考虑两个 物体之间的相互作用时，对于它们之间的相互吸引这种属性，可以用数学公式 ( 万有引力公式f ：七堡) 来表示吸引力与其它因素之间的关系，这就是物质 ， 相互吸引的数学模型。又如一个线性弹簧，考查它的形变x 与弹力f 之间的关 系，我们可以用数学公式( 虎克定律) f = k x 来表示它们之间的规律，负号表示 形变的方向与弹力方向相反。这个数学公式就是它的数学模型。 硕士学位论文 总而言之用数学去解决实际问题，就一定要用到数学的语言、方法去近似 地刻画该实际问题，而这种刻画的数学表述就是一个数学模型。而其刻画的过 程就是建模的过程。因而欧几里得几何，牛顿定律，莱布尼兹发明的微积分学 都是很好的数学模型 对于数学模型，如果一定要下一个定义的话，可以说它是一种数学的思考 方法，是“对现实的现象通过心理活动构造出能抓住其重要且有用的特征的表 示，常常是形象化的或符号的表示。”从科学工程、经济、管理等角度看数学建 模就是用数学的语言和方法，通过抽象、简化建立能近似刻画并“解决 实际 问题的一种强有力的数学工具。 数学模型主要有解释、判断、预见三大功能【| 7 1 。其中预见功能是数学模型最 重要的功能，因为能否成功地利用数学模型所推导的规律与事实去预测未来， 这是衡量该模型价值与数学方法效力的最重要的标准。 3 1 3 数学模型的分类 数学模型的分类很难有统一的标准，可以根据不同的分类原则分成不同的 类型。根据数学方法可以分为初等模型、微分方程模型、优化模型、控制模型 等。根据研究的实际问题可分为人口发展模型、生态模型、交通模型、经济模 型等。根据变量的性质可分为确定性模型、随机性模型、连续性模型、离散性 模型等、根据对变量的了解程度可以分为白箱模型、灰箱模型、黑箱模型等。 根据系统的性质可以分为微观模型、宏观模型、集中参数模型、分布参数模型、 定常模型、时变模型等、按照建立模型的方法不同，可将模型分为理论模型和 经验模型等。 3 1 4 建立数学模型的主要步骤 建立一个系统的数学模型的方法大致有两种：一种是实验归纳的方法，即 根据测试或计算数据，按照一定的数学方法，归纳出系统的数学模型；另一种 是理论分析的方法，即根据客观事物本身的性质，分析因果关系，在适当的假 设下用数学工具去描述其数量特征【8 1 。本章主要是讨论用理论分析方法建立生产 过程数学模型的问题。 用理论分析方法建立数学模型的主要步骤有： 1 模型的准备 了解问题，明确目的。在建模前要对实际问题的背景有深刻的了解，进行 全面的、深入细致的观察、明确所要解决问题的目的和要求，并按要求收集必 要的数据，数据必须符合所要求的精确度。这是模型的准备过程。 2 模型的假设 根据实际对象特性和建模的目的，对问题进行必要的简化，并且用精确的 汽车起霞机安伞监控系统的研究开发 语言做出假设，是建立模型的第二步，也可以说是关键的一步。有时，假设做 得过于详细，试图把复杂的实际现象的各个因素都考虑进去，可能使你很难继 续下一步的工作，所以要善于辨别问题的主要和次要方面，抓住主要因素，抛 弃次要因素，尽量使问题均匀化，线性化。 3 建立模型 跟据所做的假设，利用适当的数学工具，建立多个量之间的等式或不等式 关系，列出表格，画出图形，或确定其他数学结构，是建立数学模型的第三步。 为了完成这项数学模型的主体工作，人们常常需要具有比较广阔的数学知识， 除了微积分，微分方程，线性代数及概率统计等基础知识外，还会用到诸如规 划论、排队论、图论、网络及对策论等。推而广之，可以说任何一个数学分支 都可能应用于建模过程中。当然，这个不是要求我们对数学的各个分支都精通。 事实上，建模时还有一个原则，即尽可能采用简单的数学工具，以便使更多的 人能够了解和使用。 4 模型的求解 对以上建立的模型进行数学上的求解，包括解方程、画图形、证明定理以 及逻辑运算等，会用到传统的和近代的数学方法，特别是计算机。 5 模型的分析 对上面求得的模型结果进行数学上的分析。有时是根据问题的性质，分析 各变量之间的关系和特定性态；有时根据所得的结果给出数学上的预测；有时 则是给出数学上的最优决策或控制。 6 模型的检验 这一步是把模型分析的结果“翻译回到实际对象中，如果检验的结果不 符合或部分符合实际情况，那么我们必须回到建模之初，修改、补充假设，重 新建模，即再接上述步骤直到模型检验这一步；如果检验结果与实际情况相符， 则进行最后的工作一一模型的应用。 7 模型的应用 用已建立的模型分析、解释已有的现象，并预测未来的发展趋势，以便给 人们的决策提供参考。 由此可见，数学建模实际上是经过若干次循环而逐渐接近真理的过程。应该 指出的是，并非所有的建模过程都要经过上述这些步骤，有时各个步骤之间的 界限也并不是那么明显。因此，在建模过程中不要局限于形式上的按部就班， 重要的是根据对象的特点和建模的目的，去粗取精、去伪存真，不断完善。 3 2 生产过程静态模型的建立与优化 解决最优控制问题离不开数学模型的建立，具体过程包括：模型的建立、模 硕十学位论文 型的评价和模型检验。其中静态模型常用线性回归法获得，当获得对象静态数 学模型后，与优化性能指标结合，便可进行静态优化算法的研究。本章的重点 是介绍生产过程静态建模过程及静态优化方法。 3 2 1 生产过程静态数学模型的建立 生产过程中，各个变量之间的量的变化，往往有着互相依赖的关系，这个 联系有两种类型：一是确定性联系，也叫做函数关系。二是相关联系，这一类关 系的特征是：变量之间的关系很难用一种确定的方法表示出来。即相关联系的量 是随机变量，这些随机变量的关系不是确定关系。但是在大量试验和观察中， 这种不确定的联系，却存在某些规律。 回归分析就是处理变量之间相关关系的一种数学方法。它的任务就是寻找 这些随机变量的统计关系，并运用统计关系，从n 个随机变量所取的值去最佳 估计与它们统计相关的另一个随机变量所取的值 9 , 1 0 】。 一元线性回归是用一条直线表示随机变量之间的关系 步= 口o4 - alx( 3 1 ) x 一自变量y - 因变量乡一表示对y 的估计值 自变量表征某个参数，因变量表征某种控制目的，所以也称为目的函数。 其所描述的直线称为y 对x 回归线，其方程式为静态数学模型。 一般地，影响y 的因素往往不止一个。假设有x l ，x 2 ，x k ，k 个因素， 因此，通常可考虑如下的线性关系式： y = a o + a l x l + a 2 x 2 + + a k x k + ( 3 2 ) 其中y 为可观测的随机变量，称为因变量。x l 。x 2 ，x k 为非随机的可精确观 察的变量称为自变量或因子。a o ，a l , a 2 a k 为k + 1 个未知参数，是随机变量。为 了估计未知参数a o ，a l ，a 2 ，a k ，我们对y 与x l ，x 2 ，x k 同时做n 次观察得n 组观察 值： ( y l ，x l l ，x 2 1 ，x n l ) ( y 2 ，x 1 2 ，x 2 2 ，”，x n 2 ) ( y k ，x l k ，x 2 k ，x n k ) 它们满足关系式： y t = a o + a l x t l + a 2 x t 2 a k x t k + e t ，t 2 l ，2 ，n 用矩阵来表示上式，令 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 汽卞起醺机安伞! i 在控系统的研究j j 开发 y = k e ，x = x 1 2x l k x 2 2x 2 k x h 2x 哦 ，a = a o 口l 吼 h ， 占：i s ： l ( t + 1 ) x i l 6 n ( 3 5 ) 于是( 3 4