（载运工具运用工程专业论文）汽车起重机抗摇摆控制系统研究.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，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作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：考多民 日期：砂萨嘭年弓月 吩日 重庆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。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。 指导教师签名： 日期乃订妒年多月一乙晒 式了 铂 铀 b 方刀 1 名 ， 绺 了 作 弼 刘 矿 洳 叶 位 期 摘簧 摘要 汽车起重枫( 旋转超重机) 被广泛应用子很多场合，这种起重机现在通常是 由人工来操纵。为了使起重机工作得更安全和快速，必须考虑到防摇问题，这种 情况下不依靠自动控制的方式是很困难的。这种起重机吊运物体时经过的轨迹通 常是不确定的，并且工作环境也不相同，所以适合采用闭环控制方式。与门式起 重机和桥式起重机不同，目前研究旋转类起重机的方法比较少，因为这类起重机 具有的明显的非线性的特征以及角度传感器的问题，使其防摇控制比较困难。 本文讨论了汽车起重机吊运货物过程中的钢丝绳摇晃问题，分析了产生该问 题的原嚣，建立了一个研究该闯题酌协同仿真环境。采用a d a m s 建立汽车起 重机的模型并嵌入到m a t l a b s i m u l i n k 模型中作为被控对象，在此基础上验证 抗摇控制方法的效果。本文采用模糊推理器作为主要控制器，共有两个控制器， 分别控制径向运动和旋转运动，每个控制器包括两个模糊推理器，分别用于位置 跟踪和防摇控制。 a d a m s s i m u l i n k 协同仿真的结果表明所采用的控制方法是一种效果较好 的防摇控制方案。防摇控制系统是起重机进一步实现自动化的基本条件，本文采 用的系统联合仿真的实现过程和经验对于今后构造和验证其它的自动控制模型 具有很好的参考价值。 关键词；汽车起重视；抗摇摆；模糊控制；协露仿真 2 a b s t r a c t m o b i l ec r 8 2 r l e s ( r o t a r yc r a n e s ) a r ec o m m o nu s e di nm a n yp l a c e s 。t h e s ec r a n e s a r eu s u a l l yo p e r a t e dm a n u a l l y w i t l lt h em o t i o ne x p e c t e dt ob es a f e ra n df a s t e r ，t h e a n t i s w i n gp r o b l e ms h o u l db ec o n s i d e r e d n l ep r o c e s so fc o n t r o l l i n gw i l lb e c o m ed i f - f i c u l tw i t h o u tu s i n ga u t o m a t i cc o n t r o lm e t h o d si nt h i sc o n d i t i o n i ng e n e r a l ，t h e m o v e m e n to fc r a n e sh a sn op r e s c r i b e dp a t h c r a n e sh a v et ob er u nu n d e rd i f f e r e n t0 p c r a t i n gc o n d i t i o n s ，w h i c hm a k e sd o s e d - l o o pc o n t r o la t t r a c t i v e i nc o m p a r i s o nt o g a n t r yc r a n e so ro v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e s ，t i l ln o wo n l yf e wa u t o m a t i o nc o n c e p t sf o r r o t a r yc r a n e sa r ee x i s t i n g ，b e c a u s eo ft h ed o m i n a n tn o n l i n e a rp l a n tb e h a v i o ra n dt h e p r o b l e mo fm e a s u r i n gt h er o p ea n g l e ，t h ec o n t r o l l i n gf o ra n t i - s w i n gw i l lb ed i f f i c u l t i nt h i sw o r kt h eq u e s t i o no ff i g h t w i r cs w i n gi nc a r g om o v i n gi na u t o m o b i l ec r a n e s w a sb e e nd i s c u s s e d ，t h ec a u s eo f t h eq u e a i o nw a sb e e na n a l y z e da n dac o - s i m u l a t i o nt o o lw a sb u i l t n 心m o b i l ec r a n em o d e lw a sb e e nb u i l ti na d a m sa st h e p l a n to ft h ec o n t r o ls y s t e ma n db e e ni n c l u d e di n t o 脚l a b s i m u l i n k 。o nt h i sb a - s i st h ee f f e c to fa n t i - s w i n gc o n t o lm e t h o dw a st e s t e d af u z z yl o g i cc o n t r o lm e t h o d w a sb e e na d o p t e da n dt h ec o n t r o l l e rc o n s i s t so ft w oi n d e p e n d e n ts u b - c o n t r o l l e r s ： r a d i a la n dr o t a t i o n a l e a c ho ft h e s ec o n t r o l l e r sh a st w of u z z yi n f e r e n c ee n g i n e sf i r e ) w h i c ha l eu s e df o rt r a c k i n gt h ep o s i t i o na n da r eu s e df o rd a m p i n gt h el o a do s c i l l a t i o n s r e s p e c t i v e l y 。 1 1 1 er e s u l t so fa d a m s s i m u l i n kc o - s i m u l a t i o ns h o wt h ee f f i c i e n c yo ft h ep r e - s e n t e dc o n t r o lc o n c e p t 。a n t i s w i n gc o n t r o ls y s t e mi s 醒i m p o r t a n tc o n d i t i o nf o rb a s e f o rf u r t h e ra u t o m a t i o ns t e p s 1 1 1 ee x p e r i e n c ew h i c hb e e na d o p t e di nt h i sw o r kw i l lb e s i g n i f i c a t i v ef o re s t a b l i s ha n dv e r i f yo t h e rc o n t r o lm e t h o d s k e yw o r d s ：m o b i l ec r a n e s ；a n t i s w i n g ；f u z z yc o n t r o l ；c o - s i m u l a t i o n 第一章缭论 第一章绪论幕一覃疆形 。i l 起重视钢丝绳摇晃阍题的来源及其研究意义 吾多年来，起重规一直是用于物料搬运熬十分重要的设备，起重枕豹操侔 可以大致分为赢步：用吊具抓住载荷、起升、把载荷从一点移到另一点，下降、 放开载旖。在此过程中，把载荷从一点移到另一点是通常是最耗费时间的。起重 枫酶操作需要熬练兹技巧，其中个主要灼原因是起重枫在昂运货物盼过程中会 发生钢丝绳及吊物的摇晃，产生这种摇晃的主要原因是吊物在空中悬挂时的移动 戳及井力因素翔风吹或不垂壹提升所雩l 致。这耪摇晃会妨碍司桃快速准确建把货 物吊运到指定的位置，它会降低工作效率，使司机精神紧张和疲劳，甚至有可能 在昂运过程中发生严重危险( 如意外碰撞、重甥掉落嫠人甚至起重枫倾覆等) 。 目前的各类超重机在机构、结构、材料工蓖和设计方法上都在不断得到发展，现 代传动技术也使得起重机的加速能力和变速能力都大大提商，起重机的操作控制 也发展了遥控、触摸霹等方法，各种安全报警措施也基本齐备，但与此同时，在 严重影响起重机运行安全和效率的摇晃控制方面却几乎没有变化，这个任务通常 仍然是辔搡箨考完成。防摇戆闭题需要靠司机酶技巧来解决，如果载菊豹摇晃超 过了一定的限度，起重机的操作必须停止，以等待摇晃的载荷自己逐渐衰减下来。 圭于摇晃耋己衰减豹速度缀慢，可能不褥不盛l 手工来拉佳著固定载蘅，这霹熊嚣 要多个入，并鼠还有一定危险性。 控制起重执载黄的摆动对操作者来说是一项困难的工作，如果同时又要求尽 量提高起重机的运行效率灵| j 更加溺难。学会有效地操作一台起重视要花很长时阍。 一个专业的昂车司机可以利用悬挂点变动的差异来抵消摇晃，使负载停在落点 时刚好摇晃簿止，但要徽到蓝点毖须要有熟练羲技巧和丰富翁经验，霆失如果过 早实行，并不能抵消所有摆动，如实行太晚则会使摇晃更利害。此外，单凭司机 的经验也不一定能一次就到达准确落点，有可笼需要苒次调整落点。将受载在最 短时间内准确地置于落点而不摇晃必须有套特定的加速及减速运算法则：准确 熬加速鞠减速对翔可以用计算瓿柬控制，弱从理论上讲 壬何最佳豹吊车司机都不 可能在全手动的情况下在更短时间内达到此最稳定的移动。因此，解决起重枫的 防摇控制问题必须依靠自动化技术，这也是起重机今后发展的一个重要方向。 嚣蒋 f 起重枫的鲁动化程度较低，其中一个主要原因就是钢丝绳酶摇晃阎题不 易解决，而这个问题不解决，起薰机的自动化就无从谈起。如果能够找到较好的 控摇方法，将会大大提蒜起重视的安全性秘工箨效率，蔻够带来摄好盼经济效益 和社会效益， 第一章绪论4 1 1 1 起重机防摇控制方法总体情况 目前国际上对防摇技术的研究主要集中在吊运集装箱的门式和桥式起重机 上，应用较为成功的是美国威拉公司( w a g n e r ) 的产品，主要采用p l c 控制器+ 交流变频调速技术，目前我国的部分海港码头采用了此技术。 过去我国对起重机防摇技术的研究几乎是空白，对防摇性能要求较高的大型 集装箱起重机全靠进口。最近几年，越来越多的各类起重机用户开始对防摇性能 提出明确要求，而起重机生产厂家必须满足用户的需求，人们开始关注和研究这 个问题。 我国对起重机防摇技术的研究也是集中在门式和桥式起重机上，目前我国的 起重机生产厂家解决这个问题的方法主要分为机械方法和电气控制的方法。机械 的方法主要是采用交叉钢丝绳减摆装置、分离小车减摆装置和某些防摇吊具等机 械装置。这些抗摆装置本身就比较笨重，通常只有在满载时效果才好，并且不能 完全消除摆动，在很大程度上仍然需要人工干预。实践证明仅在机械系统上想办 法不能完全解决起重机的防摇问题。 电气系统上的方法就是对电机进行控制，进而间接控制钢丝绳的摆动，这是 最有前途的控摇方法，目前从技术上看主要有两大类，即开环控制和闭环控制。 在丌环设计上，起重机速度控制系统采用一种载荷摆动如何受以前操纵机构运动 影响的数学模型，利用这一数学模型计算出补偿的速度控制动作，这样，起重机 就会在载荷不摆动的状态下达到它的最终速度。这种方法的实施取决于数学模型 和采用的控制对策。这些方法因制造商而异，有些已经获得专利权。开环控制的 优点是结构简单，工作非常可靠。但是这种方法必须要有精确的数学模型才能令 人满意地工作，并且起重机传动动力必须屉够强，如果起重机的速度跟不上控制 器给出的参考值，则数学模型的输出和实际载荷摆动是不相等的。这就可能导致 系统损失精度、效率和可靠性。 带有载荷摆动角度测量传感器的闭环控制系统比开环系统更具优点。由于载 荷摆动角度是由测量得到而不是由数学模型计算出来的，所以，该系统能保证它 的精确度。钢丝绳端部的摆动角仅受摆动角度测量精度和运行机构的控制能力限 制。这些系统已经成功地用于需要的场合。闭环控制几乎是港1 ：3 集装箱起重机的 标准控制方式。 尽管闭环系统有其优越性，但它们也存在着_ 些问题，例如算法复杂、成本 较高等、并且至今也没有能找n - 个最好的控制算法，目前在起重机上的很多实 践都证明，起重机的防摇性能会随着载荷的不同而发生很大变化。如果为每种载 荷设计不同的算法，将会使系统变得更加复杂，所以开环控制的设计至今仍然具 第一章绪论 有一定的吸引力。 据已有的资科，一般是开环摆动控制用于正常的工业桥式起重机的控制方案， 而闭环控制将用在室外起重机( 包括塔式起重机) 和需要保证定位精度的场合。 目前门式和桥式起重机的防摇控制研究已越来越成熟，但是与门式和桥式起 重机相比，桅杆起重机、塔式起重机和汽车起重机的自动化进程要慢得多，因为 这类起重机具有更复杂的动力学模型，并且这种数学模型存在着明显的非线性 ( 主要由离心力引起) ，例如回转运动将导致球形摇晃，而这种摇晃却又不能由 回转运动来消除。球形摇晃问题使得起重机的数学模型建立和控制方法研究变得 较为复杂和困难。另外当采用反馈控制时，吊索的角度也比较难于测量。控制算 法的输出也可能会对执行器的能力提出较高要求，这又使得控摇技术的产品化困 难重重。 由于上述原因，目前几乎没有人专门研究液压式汽车起重机的钢丝绳摇晃问 题，但是从社会需求的情况来看，液压汽车起重机由于其具有较高的机动性能而 被广泛用于港口、仓库、货场、工地，从事各种物件的吊装作业，与之类似的栀 杆起重机也越来越多地被应用于港口装卸，这两种起重机在吊运货物过程中存在 着的钢丝绳及吊物摇晃的问题已经严重影响到了起重机的运行效率和安全性，而 且这个问题如果不解决，今后起重机向自动化方向的发展就会遇到困难，所以解 决这个问题是社会经济发展的必然要求。 从理论上来看，虽然要完全精确地控制住摇晃比较困难，但要从大体上基本 控制住是完全可能的，现代控制理论和智能控制技术的新发展提供了这种可能性； 计算机软件技术所表现出的巨大的灵活性也让人相信控制器的具体实现不会有 太大的问题；新型传感器的性能已经能够满足要求；执行机构的能力已经十分强 大并且正在变得更加强大。总之，解决这一类起重机摇晃问题的时机已日趋成熟， 该问题的研究已成为目前一个热点。 1 1 2 桥式起重机防摇控制 目前关于起重机抗摇摆的研究多集中于桥式起重机特别是集装箱起重机的 研究上。其中集装箱起重机的研究已基本成熟，进入了实用阶段。这类起重机的 运动特点是：载荷仅仅沿着起重机机身方向运动，所以抗摇摆控制是在一维空间 上实现的。已经推出的控制系统产品有：2 0 0 6 年l l c 公司推出的专利产品 s m a r t c r a n e a n t i s w a ys y s t e m ；伊顿公司( e a t o nc o r p o r a t i o n ) 的c u t - l e t - h a m m e r 起重机抗摇摆控制系统：a b b 公司2 0 0 5 年推出的s t sa u t o m a - t i o nc r a n e s y s t e m 集装箱起重机控制系统；西门子公司2 0 0 5 年推出的 t o u c l u n a t i c h i p a c 系统；r i m a 公司2 0 01 年推出的h y d r a u l i ca n t i - s w a ys y s t e m 第一章绪论6 控制系统；p o r t e k 公司2 0 0 3 年推出的c r a n ee l e c t r o n i ca n t i s w a ys y s t e m 港机 电子防摇系统等。以上产品的抗摇摆控制策略多为开环的输入整形法，所采用的 控制器通常是可编程序控制器。控制算法多是采用开环的断续控制算法，少数采 用模糊控制。 输入整形( i n p u t - s h a p i n g ) 技术实质上就是时滞滤波器r ( t d f ，t i m e - d e l a yf i l t e r ) 技术，是时滞控制技术的一个主要分支，作为一种前馈型的开环控制方法，在抑 制高精度定位系统等的残留振荡方面得到了广泛的应用。它的基本原理是构造一 系列的幅值不同的、时滞时间不同的脉冲序列，将期望的系统输入与脉冲序列进 行卷积，得到一个整形的输入来驱动系统，即所谓输入整形。 最简单的t d f 包含两个脉冲，第一个脉冲在零时刻产生振荡，第二个脉冲 延迟一定时间后产生的振荡与第一个振荡反相，幅值大小相同，从而消除振荡。 如图1 1 所示。 值 图1 1 输入整形技术原理图 f i g u r e1 1p r i n c i p l eo f i n p u t - s h a p i n g 基于输入整形的开环控制策略优点是不需要测量摆角，不需要额外安装传感 器，仅通过对任意形式的控制信号进行整形来消除载荷的残留摆振，工作可靠。 但不能消除干扰引起的误差。 c l t e o 等人于1 9 9 8 年中提出了一种输入整形的策略以消除桥式起重机载 荷的摆振m 。采用一个安装在小车缆绳吊点处的p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) 来检测载荷的摆振信息。文中提出，如果系统的自然频率和阻尼系数已知，那么 该策略可以完全消除系统的残留摆振。 w i l l i a ms i n g h o s e 等人于2 0 0 0 年研究了龙门起重机提升运动的动态模型倥1 ， 提出了一种基于时间最优的输入整形的方法来防止载荷的残留摆振。并对不同的 输入整形方案，在一个1 5 吨的龙门起重机上进行了实验。其中把小车加速度和 提升速度) 作为控制输入，小车位置和缆绳摆角作为输出。目标是在小车运动时 和停止后通过对小车的驱动和载荷的提升下降动作使载荷的摆角最小。文章分析 了各种不同运输距离情况下的小车加速减速情况，对比了t o f b 、t o r b 、z v 、n e g z v 、z v d 、n e gz v d 、s d 等滤波器在不同运输距离时的消摆效果。得出结论是： 第一章绪论 7 输入整形的能够舞显的消除龙门起重机豹摆振，但不能实现无振荡。 梁春燕等于2 0 0 1 年中提出了一种前馈型的时滞滤波器技术，应用到起重机 工作的全过程来消除工作中载荷的摆动b 1 。 易建强于2 0 0 4 年提出了一种把桥式吊车看作欠驱动系统并提出了一种基 于滑模的抗摆控制系统h ，。 另外a c a v a l l o 、g 。d e m a r i a 、r s c t o l 毛z m o h a m e d 、m o t o k h i 、g l o s s i o t i sg 、 l u c yy p a o 等人也曾作过类似的研究强l 嘲邝l 溯。 在闭环控制方面，也有许多学者给出了桥式起重机载荷摆振的数学模型及英 相应的消摆策略。 k a m a la em o u s t a f a 等人于19 9 6 年提出了一个非线性、时变模型阳1 ，该模 型考虑到提升运动和大车、小车运动同时进行的情况，给出了系统的状态空间表 达式，并据此模型提出了一种基于状态反馈的消摆控制策略。 s h o g ot a n a k a 予1 9 9 8 年提出一种基于状态反馈的控制策略n 们。该策略通过 安装在吊钩上的伺服型加速度计测量载荷摆动的加速度信息；用一个转速计测量 小车运行的速度信惠；用一个旋转编码器测量小车运行的位置信息。该策略通过 对系统动力学方程的分析得出系统的状态空闻表达式，然后通过适当的状态反馈 控制，使载荷在第一次到达期望的网标位置时停止，并且没有残留摆振。 h t n g u y e n 于1 9 9 8 年提出了种基于跟踪小车位置和绳长的状态变量反 馈控制器n ，以实现载荷的摆兔的最小诧。用拉格朗西方程建立系统的动态方程， 著对模型用工具m a t l a b 进行了仿真。该状态反馈控制器能够跟随绳长的变化丽 变化，这样在一定程度上保证了的整个闭环系统的鲁棒性。 h o - h o o nl e e ，子19 9 8 从超重机控制的运动轨迹追踪研究入手解决消摆控制 闯题，设计了消摆孰迹控制方案n 羽强3 ，它根据l y a p h n o v 稳定性理论，导出适应 于参数不确定情况的自适应方案。通过小车运行参考轨迹的修正，充分抑制载荷 摆动提出了控制方法，采用电气前馈控制和具有重力补偿的非线性比例积分求导 控制组成，在保持全部信患受约束同时保证起重机的渐近线稳定，该控制方法既 可实现载荷高速起升，也讶精确控制小车位置和起重机绳长，具有最优的抑制能力。 该控制器结构简单，易于调节载荷增益用计算机模拟显示了控制器的操作性能。 m s a i g o 和k t a n i 等人予2 0 0 3 年提出了一种载荷消摆策略n 铂。该策略把 载荷的摆动当作干扰信号，通过滤波的方法达到消除载蘅摆动的晷的。该策略把 系统看作多单摆系统，充分考虑了黍性摆绳对摆振的影响。通过试验证实了当载 荷摆振存在时，提升运动会使摆振加剧，但是未分析其原因所在，亦未给出相应 的消摆措施。 s u n g - k u nc h o 、h oh o o nl e e 等人在2 0 0 0 年提出了一种基于模糊的控制策 第一掌缝论 易建强于2 0 0 3 年也提出了桥式起重机的消摆和定位的模糊控制器m 】。 g 。f e n g a 、s g c a o a , n w r e e s b ，a b e n h i d j e b 、g l g i s s i n g e r 等均提擞过模 糊的消摆控制策略h 8 孔“ ；g i o r g i ob a r t o l i n i 、a l e s s a n d r op i s a n o 、e l i ou s a i 也曾 尝试用模糊控制理论作集装箱起重机的消摆控制的研究n 肌。王晓军、邵惠鹤、 d i a n t o n gl i u 、t i a n - p i n gz h a n g 、c h a i o - s h i u n gc h e n 等也曾作过类似的研究n 键d 嘲 2 l 】f 2 笱 o l m o r e n o 等人予1 9 9 8 年提出了一种基于神经元网络的自适应控制器1 。 该控制器的设计理念是通过剩用享串经元网络的学习特性来提高自适应控制器的 性能。该控制器的露标是抑制在桥式起重机应用过程中出现豹摆振。该策略无需 数学模型的支持，神经元网络只是实时的用系统状态信息来寻求最优化参数。 b o g d a nf i l i p i c 、t a n j au r b a n e 、v i l j e mk r i zi l l a n a 等人提出了一种基于遗传算 法的消摆控制算法矧。 可以看出，目前该课题是学术界的一个热门课题，进行起重机的抗摇摆控制 研究的学者众多，虽然由各学者提出的控制策略各有不同，但其研究多限于模拟 仿真或实验室小型样机上的试验，大多数还没有真正应用于起重机实际产品。 1 1 3 汽车起重机防摇控制 鼹前专门研究汽车起重机的建模和控制问题的工作还没有，但有一些有关船 澹和码头上用的( 旋转类) 栀杼起重机的文献，如o s i n s k i 和w o j c i e c h ( 19 9 4 ) 就曾建立过栀杆起重机的数学模型啪1 ，并且发现栀杆的弹性对于吊物摇晃的影响 很小。 这类起重视的黼l 方法也可以分为开环和闭环两类： ( 1 ) 开环控制 s a k a w a 最早在19 8 2 年就提出一种优化方案引，使起重机在预先确定的路 径运行时，能够在到达终点时使载萄兹摇晃减到最小，其采用的模型是起升量固 定，转台旋转，载荷在平衡点附近进行线性化处理。仿真结果表明载荷在终点时 没有摇晃，但在运行的过程中摇晃增加了，并且随着转台旋转角度的增加而增加。 t a k e u c h i 于1 9 8 8 年提出一种输入整形( i n p u t s h a p i n g ) 策略口 ，以到达旋转 时闻较少焉终点时摇晃又很小觞效果。数字仿真的结票表明该方法能够抑制载荷 沿横向( 转台旋转方向) 的摇晃，但对纵向的摇晃没有什么效果。 1 9 9 8 年，l e w i s 把p a r k 提出的控制策略用于栀杆起重机乜砌“别，仿真结果 表明该方法能够抑制两个方向的摇晃，但其使耀的条件要受到限制，当钢丝绳的 长度改变后效果较麓。 第一章绪论 9 ( 2 ) 闭环控制 s a k a w a 和n a k a z u m i ( 19 8 5 ) 提出一个“双轮 ( t w o - t i e r ) 控制策略咖1 ，当起 重机要沿预定义的路径运行时，由一个开环控制器跟踪运行路径，同时由个 l q r 最优状态反馈控制器控制起升、旋转、交幅等运动以消除摇晃。计算机仿 真的结果表明载荷的摇摆一般不超过2 1 度。蜃来s a t o 和s a k a w a 将其应用于 弹性臂的栀杆起重机口u ，效果也类似。 t a k e u c h i ( 19 8 8 ) 提出一个模糊逻辑控制策略，该策略模仿i n p u t - s h a p i n g 的 控制方法，数字仿真的结果表明这种模糊控制器在克服纵向摇晃时效果不佳，因 为它只是在控制转台的运动，丽没有同时控制纵向的变幅运动。 n g u y e n ( 1 9 9 2 ) 提出一个基于线性平面模型的状态反馈控制器口霸，他采用了两 个独立的控制器，一个用于控制变幅机构及载荷的摇摆，另一个控制钢丝绳的起 升。他用小尺寸的模型测量了起重机运行角度和缆绳长度的稳态误差，运行时的 摆动角度被限制在了4 度以内。 s o u i s s i 和k o i v o ( 1 9 9 2 ) 也提出一个“双轮( t w o - t i e r ) 控制策略嘲，用一个 p i d 控制器跟踪参考路径，同时用一个p d 控制器抑制载荷摇晃，数字仿真的结 果表明p d 控制器在抑制载荷摇晃时效果并不好。 h e n r y ( 2 0 0 1 ) 提i i j 一个延迟反馈控制策略1 ，计算机仿真和实验的结果表明 其在一个平面内的控制效果很好，后来m a s o u d 将其推广劐三维情况瞄1 ，其结果 也不错。 在过去2 5 年里，人们为提高起重机的运行效率和安全性作了大量研究工作， 大多数研究都局限在起重机沿预定路线行驶时e l j 于惯性导致的吊重摇摆问题，本 来要提升起重机的运行效率，i n p u t - s h a p i n g 是项很有效的技术汹h 疆朝，但是， 这种技术的鲁棒性不好，不易抵抗干扰，所以单靠i n p u o s h a p i n g 技术并不能有 效减轻起重机使用者的负担。 由于处理非线性对象模型的复杂性，大多数研究起重机控制的工作都在想办 法把对象进行线性化近似，其结果是降低了精度和鲁棒性。b u r g ( 1 9 9 6 ) 的份报 告说，在门式起重枧的状态空闻模型中忽略菲线性的因素会明显影响控制器的性 能，他们的计算机仿真结果表明，只有当载荷在平衡点附近的一个很小的范围内 摆动时，线性控制器的性能才勉强满足要求。所_ 以现在的趋势是更加关注基于非 线性起重机模型的控制策略。 a b d e l 。r a h m a n 和n a y f e h ( 2 0 0 1 ) 对球形摆动模型进行分析后指出，载荷在 其两个方向上的运动是相互耦合的，不可能用一个平面模型来描述这类系统，也 就是说，该领域的研究，无论是运动学还是动力学问题，从整体上将都应该采用 三维非线性模型。 第一章绪论 l o 总的说来，目前对栀杆和旋转类起重机的研究工作还不太成熟段，与此相对， 门式起重机的防摇控制研究成果已经被应用于实际产品，然而即使是在门式起重 机上，有些产品的防摇控制功能在实际表现中仍然不太理想，常常被起重机司机 抛在一边而并不使用。也许今后唯一有希望真正解决问题的办法还是需要结合在 门式起重机上经过实践检验的i n p u t s h a p i n g 控制技术。最近发展起来的a c ( 汇 流排) 电机已使得b a n g b a n g 控制一种典型的i n p u t - s h a p i n g 技术，变得容 易实现。一些线性控制技术也被添加到了i n p u t - s h a p i n g 中以改善它的缺点，但 是它们的鲁棒性仍然不强，不足以抵抗如钢丝绳长度的改变、吊重大小的改变、 运行速度的改变以及吊运位置的大幅改变等对控制性能的影响。另外它对未建模 的力也比较敏感，如各种摩擦力等。模糊逻辑和自适应控制可以被用于改进 i n p u b s h a p i n g 技术。研究和实验结果均显示，这些技术的混合是获得较好控制 效果的有效途径， 尽管很多学者在该问题的研究上提出了各种先进的控制方法，有些还在实验 室里用模型进行了实验。但真正能用于实际产品的却非常少。目前在起重机防摇 问题上出现研究热、应用冷的一个根源是研究人员研究的焦点和起重机司机的兴 趣不相同，大多数研究者的兴趣是提出新颖的控制方法，目标是起重机的全自动 化，而用户和司机对起重机的完全自动化并不感兴趣，他们关心的是控制器必须 实用、安全、可靠，在各种情况下都能很好地运行。我认为一个真正成功的方法 应该满足以下几条要求： 起重机控制器必须是模块化的，低成本的，安装和操作都比较简单的。它应 该使用现有的驱动器并且满足现有的功率限制。 大多数起重机都要保持手动功能以确保其灵活性和安全性。所以控制方法中 必须考虑到在自动和手动之间如何平稳地切换。 起重机的使用环境比较复杂，控制策略不能只考虑固定的载荷、固定的绳长 和固定的路径，应该考虑到这些条件都发生变化时的情况。 起重机是一个典型的轻阻尼系统( 其阻尼比只有0 0 0 1 - 0 0 0 5 ) ，因此控制 策略必须同时考虑稳态响应和暂态响应问题。 1 2 本文的主要工作 本文的主要工作是以汽车起重机为研究对象建立一个高效的起重机防摇问 题研究平台，该平台是由a d a m s 和m a t l a b 构成的协同仿真系统，在其中建 立了一个起重机吊运过程的运动模型，研究吊物摇动的基本规律，提出相应的控 制原则，并采用适当的控制理论来设计出控制摇晃的方法，用计算机仿真来确认 运动模型的正确性，为今后的进一步研究和起重机使用者的控摇操作提供参考， 第一章绪论 也为起重机行业今后研制这类产品提供有益的参考。 本文也以抗摇控制研究为基础，探索一种方便地检验复杂的动力学模型及其 控制理论的通用方法，即用a d a m 建立被控对象的模型，采用m a t l a b 把控 制理论表述为具体的控制算法，然后进行a d a m s i m u l i n k 协同仿真，验证其 是否正确和有效，这种方法也为研究其它类似的控制问题提供帮助。 第二章液压式汽率超重视概述1 2 第二章液压式汽车起重机概述 汽车起重机是轮式起重机中豹种，轮式起重机具有机动灵活、操作方便、 效率高等一系列显著优点，在生产中得到广泛应用。这种起重机具有多种不同的 分类；按甬臂形式可以分为籍形伸缩璧和桁絮臂两种；按传动装置型式可分为机 械传动、液力机械传动、电力传动和液压传动四种。目前轮式起重机产品主 要分为六大类：液压传动的伸缩臂汽车起重机( 习惯上称为汽车起重机或简称汽 车吊) 、液压传动的工业轮胎起重杌、液压传动的越野轮胎起重机、液压传动的 全地面汽车起重机、大型桁架臂汽车起重机和液压传动的随车起重机( 安装绞接 臂或伸缩臂) 。以下主要对第一类( 即液压传动的伸缩臂汽车越重机) 作一概述。 2 1 汽车起重机的主要组成 汽车起重机的类型繁多，结构各有差异，主要是由动力装置、工作机构、金 属结构、控制系统和运行机构所组成。 2 。1 1 动力装置及驱动型式 动力装置即为动力源，它是汽车起重机的最基本组成部分。动力装置主要是 内燃机( 多为柴油机) ，其动力传递型式有如下三种： 1 内燃机机械传动 简称为机械传动，它通过一系列配套的机械零件( 如：传动轴、齿轮箱、 接合器等) ，将发动机的机械能传到各工作机构进行作功。由于机械零件都是刚 ，体，故传动可靠、效率较离，但机械传动装置笨重、复杂、各工作机构难以得到 合理布置，所以现代汽车超重机已极少采用。如q 5 1 型起重机已经淘汰。 2 内燃机电力传动 篱称为电力传动，它是把发动机的机械能经过发电机转化必电能，然后用导 线、电器将电能输送给各电动机，再以少量机械传动零件驱动各工作机构。如 q l 3 一1 6 型轮胎起重枧的驱动方式为柴油机直流发电视。多个电动机分 别驱动。这种传动方式使机械零件数量少，总体布置方便，操纵轻便，调速性较 好，维护简便。但是造价较高、电机重量大。 3 内燃机液压传动 简称为液压传动，是把发动机的机械能用油泵转化为液压能，经油管和各种 阉件将液压能传绘液动机( 却油马达或油缸) ，将液压麓转化为机械能，再经少量 机械传动零件传到执行机构( 主要是工作机构) 。由于液压零件尺寸小、重量轻， 第二章液压式汽率起重机概述 同时液压传动具有调速方便、传动平稳、操纵轻便、总体毒置方便灵活等很多优 点，最突出的是安全可靠( 具有限速、自锁等许多安全功能) ，所以，在现代汽车 起重机上被广泛采用。 2 1 2m 作机构 工作机构的作用是实现起重机的不同运动要求。不同类型的起重机，其工作 机构稍有差异，如伸缩臂式起重机设有起升机构、变幅机构、回转机构和吊臂装 置等基本工作机构。起升机构可实现吊钩的垂直上下运动；变幅与回转机构可实 现吊钩在垂直与水平两个平面方向的移动；加上吊臂装置便可实现吊钩在起重机 所笺及麴范围内任意运动，如图2 ，l 所示 图2 1 液压式汽擎起重机功能示意圈 f i g u r e2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fh y d r a u l i cm o b i l ec r a n e 工作机构各部分的说明如下 ， ( 1 ) 起升机构 起井机构又称卷扬机构，它是起重机最主要的机构。主要由原动机( 油马达 或电动机) 、减速器、制动器、卷筒、钢丝绳、滑轮组和吊钩组成。 ( 2 ) 变幅机构 变幅机构利用液压油缸工作行程的变化改变吊臂的怖蹙，通过使聚臂的仰德 运动来改变工作幅度。 ( 3 ) 豳转机构 回转机构用于实现起重机的网转运动。轮式起重机可以全回转( 即3 6 。但 第二章液压式汽车起重机概述1 4 进行吊重作业不一定是全回转作业，如汽车式起重机多数是在2 7 0 范围内可进 行吊重作业。回转机构主要由动力、传动、支承和制动四大装置所组成。 ( 4 ) 吊臂装置 吊臂亦称起重臂，它是用来支承起升滑轮组、吊钩和钢丝绳的钢结构件，直 接装在转台上，并可在基本臂的基础上和伸长( 采用伸缩臂) ，但在吊运过程中不 进行吊臂伸缩动作。 2 1 3 控制系统 起重机的控制系统包括操纵装置和安全装置。简单地讲，操纵装置是用以操 纵与控制起重机的各工作机构，使各机构能按要求进行启动、调速、换向和停止， 从而实现起重机作业的各种动作。如：操纵杆、操纵阀、按钮、开关、控制电器、 离合器及制动器等。 安全装置可对起重机实现保护与监控，防止某些不安全情况而导致事故发生， 如：溢流阀可以防止液压系统过载：变幅平衡阀可防止坠臂事故发生；高度限位 器可防止吊钩过卷；力矩限制器可防止起重机超载与失稳等。 图2 2 、图2 3 是一种典型的汽车起重机( 北京起重机器厂生产的q y 2 5 d ) 示意图 图2 2q y 2 5 d 汽车起重机主要结构 f i g u r e2 2 b a s i ss t r u c t u r eo f q y 2 5 d m o b i l ec r a n e 1 q y 2 5 d 汽车起重机底盘；2 吊臂；3 车架；4 变幅油缸；5 操纵室；6 回转减速 器：7 转台；8 f 申缩油缸；9 支腿；1 0 主起升机构；1 l 眉i j 起升机构 第二章液压式汽车起重机概述 图2 3q y 2 5 d 汽车起重机主要结构 f i g u r e2 3 b a s i ss t r u c t u r eo f q y 2 5 d m o b i l ec r a n e 2 2 汽车起重机在我国及世界上的生产和使用现状 汽车起重机是在二战后修复战争创伤和经济建设中开始得到了广泛应用。早 期的汽车起重机大多采用机械传动结构的桁架式吊臂。随着6 0 年代中期液压技 术的发展，液压伸缩臂汽车起重机得到迅速发展，到8 0 年代末，新生产的汽车 起重机几乎全采用了液压伸缩式吊臂。 汽车起重机近年来发展较为迅速，由于它具有机动灵活、操作方便、用途广 泛、效率高等一系列显著优点，自2 0 世纪7 0 年代以来，其应用范围由原来的辅 助性吊装作业逐步扩大到国民经济建设的各个领域，如建筑施工、石油化工、水 利电力、港口交通、市政建设、工矿及军工等部门的装卸与安装工程。汽车起重 机已经成为工程起重机范围内的最常用机型，它对于加快建设速度、降低建设成 本、减轻劳动强度和实现施工机械化等都起着十分重要的作用。 目前，汽车起重机的主要生产国为日本、美国、德国、意大利和法国等，生 产厂有1 0 0 家以上，但著名的世界级大公司仅有1 0 来家，如德国利勃海尔公司、 同本的多田野公司、加藤公司等。我国汽车起重机的生产大致经历了以下几个阶 段：1 9 5 7 1 9 6 6 年，以生产5 t 机械式汽车起重机为主；1 9 6 7 1 9 7 6 年，以生产1 2 t 以 下小型液压汽车起重机为主：1 9 7 7 1 9 9 6 年，1 6 t 一5 0 t 的中吨位液压汽车起重机产 品产量上升较快。自1 9 7 9 年以来，国内一些起重机生产厂商采用技贸结合方式， 第二章液压式汽车起重机概述 分别引进了日本加藤、多田野等起重机产品技术，经过多年来对引进技术的消化、 吸收、移植，使国产起重机某些新技术的性能水平达到了国际8 0 年代初的水平， 产品产量也逐年有所提高。但是由于多方面原因，目前国内汽车起重机产品与国 际水平仍然有较大差距，差距主要表现在以下几方面： 质量稳定性差；产品品种单一：采用的材料落后，产品比较笨重；产品的自动化、 智能化方面与国外差距较大。 图2 4q y 2 5 d 汽车起重机 f i g u r e2 4q y 2 5 dm o b i l ec r a n e 2 3 汽车起重机的发展趋势 综合各方面资料，我们可以看到轮式汽车起重机未来可能的发展趋势： ( 1 ) 机电液一体化的地位越来越重要 起重机的机电液一体化早已脱离了单一的力矩限制器阶段，而是将整机作为 一个完整的计算机系统考虑。系统的设计人员大大超过传统结构件、传动件和机 构的设计人数。如l i b e h e r r 公司设计部门电器组和液压组各有2 0 人左右，虽然 其吊臂和操纵室几年一更新，却只有几个人做结构设计。机电液一体化的提高使 起重机的操纵越来越简单，大型起重机的遥控技术在未来几年也许将有大的发展。 利勃海尔l t m l 0 3 0 2 型( 3 0 t ) 是世界首台装有数据总线管理系统的高技术双 轴a t 产品。该机采用c a n b u s ( 控制域网总线) 技术，完成发动机传动系统各 功能块之间的数字式数据传输和电子控制。c a n b u s 总线及电气、液压、绳长 和风力等数据又被输入到l s b 控制装置之中。l s b 控制装置是l i c c o n 起重机控 制系统的组成部分，可对整个系统数据流及监控特性进行编程。采用数据总线管 理系统，可降低起重机油耗及排放值，简化布线，提高整机可靠性与维修方便性。 目前已有多种新机型装有l s b 系统数据总线( 包括l t m 1 5 0 0 ) 。格鲁夫g m k 6 2 5 0 和g m k 5 1 8 0 也采用了数据总线技术。 ( 2 ) 专业化程度越来越高，生产方式越来越像汽车制造厂 l i b e h e r r 公司和g r o v e 公司除发动机、液压元件、电器元件等依靠采购外， 第纛霉液压式汽攀起薰梃概述1 7 连专业特点非常强盼车架、转惫、黑臂譬篱等结构件的生产也都转移到其他专业 厂生产，主机厂集中精力搞产晶开发、装配和销售。这和欧洲的生产方式有很大 豹关系。欧渊配套厂家豹规模翻就监久数往往大于主枫厂。这种生产方式菲常有 利予扩大生产规模，更利于保证产品质量，还将继续发展下去。 ( 3 ) 越来越注重环保 发动机酌簿放标准靛提高是有誉共靖的。在一些细小穷蔼，各厂家也菲常重 视。如轮胎制造厂有入专门在研究如何降低轮胎的滚动嗓声。在噪声控制方面， 一些起重枧厂家也采取