（电路与系统专业论文）基于分布式系统的铁路长轨群吊测控技术研究.pdf

一 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲谇吼丝丛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：金尘杠导师签名： 湫洳 摘要 摘要 钢轨是铁路的基本组成部分。为了提高铺轨工效，一般由焊轨厂焊接成5 0 0 米的长轨运至现场。因而长轨的装卸调运工作也是生产中的重要环节。目前我国 现有长轨吊装的设备和控制方法还比较落后，不仅耗费人力，安全性也不是很高， 使得长轨群吊的控制技术成为了无缝铁路发展建设中的“瓶颈”。 计算机控制技术和网络通信技术的发展，给生产过程自动化的发展带来了深 远的影响。工业控制系统已经从常规的机电逻辑控制系统发展到了p l c ，嵌入式 处理器和分布式控制系统，在基础过程管理级普遍采用工业以太网技术，使得工 业自动化进入到计算机集成系统时代。 本课题深入分析了国内焊轨厂现有的长轨群吊配置现状，以具有安全、高效， 稳定等特点和具有较强扩展能力的测控系统设计为目的，开发了基于p c 机控制 中心，通过网络控制龙门吊车协同装卸5 0 0 m 长轨的分布式系统。同时通过数据 库，统计分析长轨生产情况，以便制定合理的生产计划。 为了实现上述目的，本课题主要进行了以下几个方面的工作： l 、针对龙门吊车物理模型，采用拉格朗日方程的方法建立了动力学模型， 完成了简化条件下的线性化，得到系统状态空间模型，并建立一个吊装系统的模 糊控制系统来实现防摆控制。实验仿真结果表明，该控制方法能够使单个龙门吊 车摆角迅速衰减。 2 、研究分析了格雷母线通信定位装置，给出了基于分布式的长轨群吊测控 系统的体系结构和各功能模块。实现了基于s t m 3 2 f 1 0 3 l m 嵌入式处理器与固件 网络芯片w 5 1 0 0 的硬件连接，并编写了w 5 1 0 0 在t c p 客户端模式下的驱动程 序，实现嵌入式处理器与p c 机之间网络通信功能。 3 、通过卡尔曼滤波对轨位信息进行处理，提取信息，绘制出相应的轨位图。 通过系统的需求分析，对数据库进行了合理的设计。进行上位机p c 端的软件开 发，实现了数据接收、解析，用户登录、控制，数据查询分析、统计等功能。 4 、学习分析了g p s 和n t p 两种校时方法，给出了一种基于g p s 授时实现 长轨群吊同步的方案，对长轨群吊的同步问题进行了优化设计。同时通过s 形曲 线来实现吊车的加减速，使得吊车加减速的过程平稳过渡，通过运动偏差补偿的 方式来实现群吊的同步。 最后对整个长轨群吊系统进行了模拟联合调试。试验结果表明，该系统能够 实现长轨的平稳、安全和高效的装卸。 关键词长轨吊装；防摆控制；分布式控制；群吊同步 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t r a i li st l l eb a u s ec o m p o n e n to fr a i l r o a d i i lo r d e rt 0h n p r 0 v e 仃a c k l a ) ，i n gw o r k e 衔c i e n 喵g e l l e r a l l y 仃a n 泖n t i n gt h e5 0 0 n 1l o n gr a i l w e l d e db yw e l d i n gp l a n tt 0 c o n s t i u c t i o ns i t e m u l t i p l eh o i s tc o 曲lo fl o n gr a i ls y s 储np a l y s 距i i i l p r o t a i l tr o l e d u r i n g1 0 a d i n g 锄du n l o a d i n g1 0 n gr a i l s ，锄d 廿1 es y s t e ma l s oo c c i l p i e sa i ii m p o r t a n t p o s i t i o n i nl o n gr a i l sp r o d l l c t i o l l a tp r e s e n td o m e s t i ce x i s t i n gl o n gr a i l l i r i n g 。q u i p m 锄t sa n dc o n 仃d lm c m o d sa r es t i l lr e l a t i v e l yb a c k w a r d d o m e s t i c 、张l d i n gp l a n t n e 。d sm 锄yw o r k e r s ，a l l dh 勰l l i g l li n c i d e l l c eo fa c c i d e n t s 锄d o n t h e s ef a c t o r s m a k en l ec x i s t i n gm u l t i p yh o i s tc o n t n d lo fl o n gr a i ls y s t e mt 0b eb o t t l m e c kd 埘崦n l e r 印i d l yd e v e l o p m e i l to fs e a i n i l 铭sr a i l r o a d t h ed e v e l o p m e n t so fc 0 m p u t 盯c o n 曲l l i n g 锄dc o m m m l i c a t i o nt e c 量1 1 1 0 l o g ya r e p o w 晌l t e d m 0 1 0 西c a lt o o l sf o rl l i g h - l e v e la u t o m a t i c 印p l i c a t i o 玛砒l db r i n gp r o f o u n d i i n p a c to na u t o m a t i cp r o c e s s i l 培h l d u s t r i a lc o n 仃d ls y s t e mh 勰u n d e 糟o n e 黟e a t c h 锄g e s 台o mc o n v 训o n a li l l s 铋t sa 1 1 dr e l a yl o 西cc o i l 仃o ls y s t e mt 0p l ca n d d i s 劬u t e dc o n 仃0 ls y s t e m i n “矧a le m e n l e tt e c h n o l o g ) ri s 诵d e l y 髑e dd 证n gb 戚c a u t o m a l i o nl e v e la n dp r o c 懿sm a i l a g 锄e n t 1 e v c l ，w ec 觚s a yn l a ti n d u s t r i a l a l l t o m a t i o ne n t e r o dt l l ee r ao fc o m p u t e ri n t e 伊a t e ds y s t e m s i l lo r d e rt 0d e s i 盟al l i 曲s e c 嘶饥l l i g l le 伍c i 锄c 弘s y s t 锄s 诎i l i t ) rc h a m c t 甜s t i c s a n dh a sas t i d n gs c a l a b i l i t ) ro fd i s t r i b u t c dc o n n o l s y s t e m ，恤sp 印e ri n d 印吐l a i l a l y s i s e dd o m e s d cw e l d i n gp l a n tc o n 6 9 r a ：c i o ns t a t u so fe x i s t i n gm u l t i p yh o i s t a p p 批sf o rl o n gr a i l d e s i 印e da 1 1 dd e v e l o p e dc 朗臼a lc 0 曲r o ls y s t e mb 2 u s e do np c ， t l l i ss y s t e mc o u l dc o n t r 0 1m u l t i p l eg a n t r yc r 觚懿l o a d i n ga n dl m l o a d i n g5 0 0 ml o n g r a i l sb yl o c a la r e an e 帆o r kc o m m u n i c a t i o n s a tm es 锄et i m e ，i no r d e rt om a l ( ea r e a s o n a b l ep r o d u c t i o np l a i l ，l i ss y s t 锄a l s oc o u l dq u e 巧a i l ds t a t i s t i c a la i l a l y s i so ft l l e r a i lw e l d i n gp l 觚t sp r o d u c t i o n t bi m p l e l i l e n tt l l ep r e v i o u sp 删p o s e ，t l l em a i nc o n t r i b u t i o n si nt h i sd i s s e r t a t i o na r e a sf o l l o w s ： 1 a i m e da tn l ea c t u a lg 锄t r yc r a i l em o d e l ，t l l eb a u s i cm e t l l o do fn l e o r e t i c m e c h 趾i c sa n dl a 伊a l l g ee q u a t i o ni su s e dt oe s t a b l i s hd y n a i i l i cm o d e lo ft l l eg a n t 巧 c r a i l es y s t e m i i lt l l i sw a y ，t h es i m p l i f i e dm o d e l l i n e 撕z a t i o nw a sa o c o i n p l i s h e d ，a n d m o d e lo fs t a t es p a c ei so b t a i n e d a n de s t a b l i s h e do fal i r i n gs y s t e mo f 向z z ) rc o n t r o l s y s t e mt oa c l l i e v ea m i s w a yc o n t r o lf o rag a i l 廿yc r a n e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o w l i i 北京工、世大学工学硕士学位论文 t h a tt i l i sm e t h o dc 觚q u i c k l ya d m p i n 分o u to fm es i 弘a 1g a n t 珂c r a n e sa n 出e 2 h l d 印t l lr e s e 砌1 e d a i l da 1 1 a l y s i s e do ft l l eg r e yb u sc o i l l 叭l i l i c a t i o i l s p o s i t i o i l i n gd e v i c e ，a i l dp r o p o s e db a s e do nd i s t r i b u t e dm u l t i p l e1 1 0 i s tc o n t r o lo fl o n g r a i lm e a s u r ea n dc o 曲r o ls y s t 锄卸c h i t e 酿鹏a 1 1 di t sv 撕o u s 劬c t i o n a lm o d u l e s d e s i 伊e dt 1 1 ee i i l b e d d e dp r o c e s s o ro fs t m 3 2 f l0 3 r b 锄df i n l l w a r en e t 、o r kc h i po f w 5 1 0 0h 硼w a r ec o i l l l e c t i o n ，a n di m p l e n l 饥tw 5 1 0 0 s “v e ra c c o r d i n gt oi t s n e 咐o r ks t a t et r a l l s i t i o no ft c pc l i e n tm o d e h i l p l e m e n t e dn e 帆o r kc o n u n u n i c a t i o n s b e 觚e e i lm ee n 曲e d d e dp r o c e s s o ra i l dp e r s o n a lc o m p u t 既 3 s t u d i e dk a 】m a l lf i l t e ra 1 9 0 珊吼，p r c 髓s i n gr a i lp o s i t i o ni n f o m a t i o nt h r o u 曲 t l l ek a l m a i lf i l t e ra l g o r i m m ，锄d 毗删i n gi t sc o m s p o n d i n gp o s i t i o no fl o n gr a i l d e s i 印e dar e a s o n a b l ed 撕b 嬲em r o u g l ls y s t 锄a t i cn e e d sa i l a l y s i s r e a l i z e d t l l e s o f h ) l ，a r cd e v e l o p m e m ，p r o v i d e e da 缸m ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，猢m p l i s h e d m a n y 向c t i o 邶蚰c h 鹊d a t ar e c e i v e ，d a t ap a r s e ，u s e rl o 百n ，p r o d u c ti n f o m a t i o nq u e 巧 a n dr e 西s 仃a t i o nm a n a g 锄e me t c 4 s 砌i e da n d 锄a l y s i s e d 觚ol ( i n d so ft i n l ec a l i b r a t i o nm e t l l o d s ，g p sa 1 1 dn t p i i lo r d e rt 0o p t i m i z em u l t i p l eh o i s ts y i l c h r o n i z a t i o nf o rl i m n gl o n gr a i l ，p r o p o s e da i n u l t i p l eh o i s ts y i l c h r o m z a t i o nm e t h o d b a s e do ng p st i m i n g a m dt h i sm e m o d h 嬲m e c 印a b i l i t ) ro f b e i n g 删u s t e d0 rp r 0 争a i l l l i l e dt 0a c l l i v e 埘【u l t i p l eh o i s ts y l l c h r 0 i l i z a t i o n n l r o u 曲m o t i o n 锕0 rc o m p e m a t i o n u s i n gs - c l l r y e c e l 酬i o n 锄dd e c e l 耐i o nt 0 r e a l i z es 0 rs t a i t l l pa i l ds h l l t ( 1 0 w ns m o o m l yd l l r i n gt h eg a n t 巧c r a n e ss y s t e m ss t a r t l 叩 a n ds h l i t d o w l 1 f i n a l l y i no r d e r t 0t e s tt l l ep e r f o 衄觚c eo ft h es y s t 锄，m ee n t i r em u l t i p l eh o i s t c o n 舡d lo fl o n gr a i ls y s t e mi i l d u d i n gh 觚1 w a r e ，s o f h a r ea n dm e c h a i l i c a lh 弱b e 吼 s i i i 】【u l a t c dt 0d e b u g d e b u gr e s u l t ss h o wm a tt h es y s t 锄a c h i e v e ss t 习l b l eo p 咖i o n ， a b l et os i i l o o t h ，s a f ea i l de m c i e n tm o b i l i t yd u m gl o a d i n ga n d1 1 i l l o a d i n gt h e5 0 0 m l o n gr a i l s k e y w o r d s ：l o n gr a i l l 溉n g ；觚t i - s w i l l gc o n 仃o l ；d i s 衲u t e dc o n 仃0 l ；m u l t i p l eh o i s t s y n c l l 】i l i z a t i o n i v 目录 目录 摘要i a b s t l a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 课题背景l 1 2 国内长轨群吊现状2 1 3 研究的内容3 第2 章龙门吊车防摆技术研究7 2 1 龙门吊车系统模型的建立与简化7 2 1 1 基于拉格朗日的系统模型7 2 1 2 系统模型的线性化及简化9 2 1 3 模型参数的确定1 1 2 2 龙门吊车模糊防摆控制器研究与设计1 1 2 2 1 龙门吊车防摆模糊控制器方案设计1 l 2 2 2 输入输出设计1 2 2 2 3 模糊控制规则1 3 2 3 实验仿真15 2 4 本章小结1 6 第3 章群吊分布式控制系统总体设计l7 3 1 分布式控制系统简介1 7 3 2 系统通信的相关技术分析。1 9 3 2 1 工业以太网1 9 3 2 2t c p 口协议2 1 3 3 格雷母线通信定位装置简介2 2 3 3 1 格雷母线定位原理2 2 3 3 2 吊车格雷母线通信定位装置构建2 3 3 3 3 格雷母线定位的特点2 4 3 4 群吊测控系统总体概述。2 4 3 4 1 测控系统的工作原理2 5 3 4 2 测控系统主要功能2 6 3 4 3 下位机通信部分2 7 3 4 4 上位机软件部分2 8 3 5 本章小结3 0 北京工业大学工学硕七学位论文 第4 章系统通信模块设计及实现31 4 1 网络连接部分的硬件电路设计。3 1 4 1 1 网络芯片的选择3 1 4 1 2 电路的连接3 2 4 2w 5l0 0 驱动程序设计3 3 4 2 1w 510 0 的初始化3 4 4 2 2w 5 1 0 0 的客户端网络状态机3 5 4 2 3 数据通信3 7 4 3 系统通信模块功能实现4 0 4 3 1 初始化s t m 3 2 。4 1 4 3 2 初始化w 5 1 0 0 4 2 4 3 3 中断处理程序4 2 4 4 本章小结4 2 第5 章上位机软件设计及实现4 3 5 1 轨位信息数据处理4 3 5 1 1 差分轨位信息4 3 5 1 2 离散卡尔曼滤波原理4 4 5 1 3 卡尔曼滤波器的实现4 7 5 2 多线程并发处理技术4 8 5 3 数据库设计4 9 5 3 1 数据库的选择4 9 5 3 2 数据库接口4 9 5 3 3 数据库设计。5 0 5 4 系统应用程序开发5 4 5 4 1 用户登录模块5 4 5 4 2 数据的接收解析。5 4 5 4 3 数据库查询统计管理模块5 6 5 5 软件测试5 7 5 6 本章小结5 8 第6 章群吊同步优化设计。5 9 6 1 群吊同步通信方式选择5 9 6 1 1n t p 协议简介5 9 6 1 2g p s 简介6 0 6 1 3 基于g p s 同步授时的实现及同步起吊的设计6 l 6 2 常用的变频器加减速方式介绍6 3 6 3 系统同步性方案研究：6 4 目录 6 3 1s 形加减速曲线算法的研究6 4 6 3 2s 形加减速曲线的实现6 6 6 3 3 运动偏差补偿6 8 6 4 本章小结7 l 第7 章系统模拟调试7 3 7 1 调试前准备7 3 7 1 1 网络通信测试7 3 7 1 2 相应参数选择与设置7 4 7 2 调试7 5 7 2 1 扫描7 5 7 2 2 码垛7 6 7 2 3 装车7 7 7 3 本章小结7 8 结论。7 9 参考文献8l 攻读硕士学位期间所发表的学术论文8 3 致 射。8 5 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 从1 9 9 7 年4 月1 日第一次提速开始，铁路连续进行了六次大面积提速。目 前，我国铁路正在实施跨越式发展，根据中长期铁路网规划，到2 0 2 0 年我国 将新建客运专线、城际铁路1 2 万l c n l ( 折合成单线2 4 万l m l ) ，规划建设新线约 1 6 万h ，既有线增建二线1 3 万h 。全路已经形成了“四纵两横 的提速网 络，覆盖了全国大部分地区和主要城市，从根本上扭转了我国铁路列车速度长期 在低速水平徘徊，不适应市场需要的局面。铁路提速的顺利实施，增强了铁路企 业的市场竞争力，带动了产业技术改造与开发，取得了良好的经济效益和社会效 益。我国加入w to 以后，将在更大范围和更深程度上参与全球经济化，对外开 放将进入一个新阶段，对铁路的要求也将进入一个更高的层次。在市场竞争中， 铁路事业将面临更严峻的挑战，在顺应世界铁路的潮流和当今世界以技术为主导 的情况下，铁路提速必须更快、更稳的发展下去，铁路企业的技术改造与开发更 要适应提速的要求，达到逐步缩小与发达国家差距的目的，从而赢得全世界的广 泛赞誉。【1 】 在铁路提速中，铁道线路改造是提速的基础。无缝线路铺设是线路改造的重 点。由于无缝线路大大减少了钢轨接头，因而比普通线路具有明显优越性。5 0 0 米左右的焊后铁路长轨( 由2 5 米的短钢轨对焊而成，以下简称长轨) 是无缝线 路的基本组成部分。 目前我国有数十家生产这种长轨的焊接厂，所采用的焊轨工艺流程基本相 同。我国焊轨厂的焊轨工艺流程如下： 2 5 米短钢轨轨端调直轨端除锈焊接焊缝粗磨焊后热 处理焊缝调直焊缝精磨风冷、雾冷焊接无损检验出轨 承轨台轨道运送长轨到位码垛( 将刚焊接出来的长轨吊运到相应的垛区，等 待装运长轨的火车到来) 装车( 将长轨通过吊车搬运至火车上) 运送长 轨至铺设现场铺轨。 对于焊轨工艺流程，铁道部从上世纪8 0 年代以后逐步对我国焊轨厂焊轨生 产线的设备进行更新，陆续从专门生产焊轨设备的瑞士s c h i a = 丌e r 公司进口 了g a s s 8 0 5 8 0 焊机( 焊接) 、焊缝精磨机( 焊缝精磨) 、轨端除锈机( 轨端焊前 除锈) 。2 0 0 1 年铁道部在铁路提速，大部分线路换轨情况下，又引进了焊缝调直 机( 焊缝调直) 、轨端调直机( 短轨焊前调直) ，基本配齐了焊轨线所需工艺设备。 这些设备均采用可编程控制器作为控制系统的核心，故障率低，操作简单，效率 高，大大提高了焊轨生产率，使我国的焊轨生产线大部分设备达到世界先进水平。 北京工业大学t 学硕士学位论文 然而在整个生产线中，长轨群吊( 吊运5 0 0 米长铡轨，以下简称长轨群吊) 还是我国于7 0 年代自行研制的产品，设备陈旧，控制系统老化，生产事故隐患 多，大大影响了焊轨生产率。在使用过程中，以长轨群吊最为严重。 随着焊轨生产线的设备更新和无缝线路铺设对长轨需求量的加大，焊接后的 长轨不能及时下线、码垛、装车，使长轨群吊成为了生产线的瓶颈，必须对其进 行改造。 1 2 国内长轨群吊现状 焊接长轨生产线中的长轨群吊担负着吊运长轨的主要任务，在焊接长轨生产 线中占有重要的地位。我国焊轨厂所用的长轨群吊的结构和功能大体相似，都是 由承轨台、放置长轨的区域( 下面简称“垛区 ) 、龙门吊车、装运长轨列车专用 线组成，其长轨群吊的现场如图1 1 所示。 图l - l 长轨群吊工作现场图 f i g u 鹏1 - 1m u l t i p l eh o i s t sw o d ( s i t em a p 图中主要组成部分简介如下： 承轨台放置由生产线下来的5 0 0 米长轨。 垛区存放承轨台上的5 0 0 米长轨，等待装运长轨列车的到来。 龙门吊车长轨群吊是由3 0 个龙门吊车组成，吊车之间的距离为1 8 m ， 跨距为3 7 m ，高度8 m 左右。每个龙门吊车都配有一个夹钳，控制盒( 用于控制 其相应吊车的上、下、前、后运行) 。 列车专用线紧临垛区，用于停放装运长轨的列车。 长轨列车专门用于运送铁路修建用5 0 0 m 长轨的列车，有1 6 2 5 个车节， 每个车节上有四层横梁，每层上放置7 对长轨( 即1 4 根) 。 当前，长轨群吊的工作主要分为以下两部分( 以3 0 个龙门吊车为准，群吊 第l 章绪论 进行时，要有3 0 个工人随着央钳移动瓜移动，工人之i 训通过对讲机进行通信) ： 码垛：流水线辊道把焊后长轨运送到承轨台上。控制3 0 个龙门吊车的工人 同时按下控制盒上吊车运行启动按钮，使夹钳水平方向移到长轨上方，下降至夹 钳碰到轨头顶端，手动松开夹钳，夹钳钩住轨头。3 0 个夹钳都夹紧后，3 0 个工 人同时按下控制盒上的上升按钮至合适位置后，同时按下水平方向控制按钮，到 达指定位置后，下降，松夹，码垛完毕。 装车：确定吊运垛区中某根长轨后，具体动作如前所述，当把长轨运送到长 轨列车上方时，工人此时应在长轨列车上，对准长轨车上的某一条辊道( 卸轨时 辊道自动转动，可减少长轨与横梁的运动摩擦，便于卸轨) ，放下长轨，一定要 保证长轨落在同一条辊道上，松开夹即可。 现有的传统长轨群吊在使用过程中，缺点日益明显，主要有以下几点： 1 、需劳动力多。长轨群吊工作时，需要几十个工人进行操作。 2 、易引发事故。电机拖动速度相对较快，惯性大，且由于工人操作的不同 步性，导致长轨在吊运过程中呈现较大弯曲的蛇形，很容易损伤长轨并伤及随长 轨群吊一起移动的工人。 3 、装车效率低。下线和装车时间较长，装一根轨大约需要7 8 分钟，装一 车长轨则需要大约6 。7 小时。 4 、受环境影响大。由于工人在户外工作，受外界环境影响很大，有一部分 焊轨厂夏、冬两季节基本不工作，工人工作环境相对恶劣。 这些缺点的原因主要是长轨群吊控制系统落后造成的，有必要研制一种新型 的控制系统，解决长轨群吊运行中的缺点。 ? ； 目前有关国外的长轨群吊技术的资料比较少，在向焊轨厂出国考察过的工作 人员咨询、请教后，了解到国外焊轨厂长轨群吊的一些情况。其焊轨厂长轨群吊 一般由1 2 个吊车组成( 国外的长轨需求量比较小，长轨的长度也比较短) ，采用 p l c 为控制系统的核心，通过人工智能交互系统，仅一个工人在长轨群吊的控制 室内就可以对整个长轨吊运进行操控。这种方式的优点是：劳动力大大减少；用 p l c 控制和人工智能交互系统，减少了设备的故障率；工人的工作环境得到改善， 同时也降低了劳动强度。在进行长轨群吊控制系统的设计时，应充分借鉴国外的 先进经验，立足于我国国情，使得研制的长轨群吊控制系统满足我国长轨吊运的 要求。【2 】 1 3 研究的内容 本文根据沈阳某焊轨厂对长轨群吊的控制要求，在深入现场进行调查研究的 基础上，进行了龙门吊车防摆技术的探讨，以及分布式测控系统的研究和软件系 统的设计与开发，其主要的目标是： 北京工业大学工学硕士学位论文 l 、要在原有长轨群吊的基础设施上作改造。由上一节可知长轨群吊的承轨 台与垛区是长轨群吊的基础设施，而且这两部分装置分布分散，占地面积广，改 造不便，因此保留原有基础设施。 2 、确立长轨群吊分布式控制系统的框架结构，拟采用p l c 和p c ( 上位机) 的系统架构，既可以发挥p l c 可靠性高，使用方便，抗干扰能力强等优点，又 可以发挥计算机具有强大的信息处理能力，能够开发出良好的操作界面、易于操 作的软件等优点，使它们能够优势互补。 3 、对龙门吊车的防摆技术进行初步探讨和研究。 4 、确定长轨群吊分布式控制系统的控制方案以及通信的方式。 5 、完成长轨群吊分布式控制系统的软件部分开发。 为了完成上述目标，主要开展了以下几方面的研究： l 、为了有效的进行长轨吊运，对原有的厂区进行了合理规划，如图1 2 所 示。其中把垛区分成了a 、b 、c 三个区，每个垛区可放置4 层，每层最多放3 2 根长轨；把承轨台命名为d 区，停放长轨列车的区域命名为e 区。 2 、龙门吊车动力学模型的建立及其龙门吊车防摆控制技术的初步研究。 3 、工业通信研究及其方式的选择和分布式群吊控制系统的设计。 4 、系统网络通信模块设计与实现。 5 、分布式群吊测控系统的上位机软件设计与开发。 6 、长轨群吊系统的同步优化研究。 7 、整个系统模拟联合调试。 第l 章绪论 ：5 0 0 m “5 0 0 i ： * 吲 拿g 匣埝逛伞q ：茔量蔓堕 图l - 2 长轨群吊工作现场规划图 f i 母l r c1 - 2s k e l i c hm 印o f m u l t i p l e h o i s t 5 桨 。 二 n 第2 章龙门吊车防摆技术研究 第2 章龙门吊车防摆技术研究 2 - 1 龙门吊车系统模型的建立与简化 为了对龙门吊车进行防摆控制研究，建立龙门吊车系统防摆模型是十分必要 的。本文应用理论力学的拉格朗日方程对系统进行建模，推导出反映吊车系统运 动的数学模型，为了方便控制器的设计，需要对该模型进行线性化和简化。【3 】【4 】 2 1 1 基于拉格朗日的系统模型 1 、拉格朗日方程 由于龙门吊车系统具有多个变量，高耦合的特点，应用牛顿力学建立系统的 模型比较困难，而拉格朗日方程是解决具有理想约束和完整约束的质点系动力学 问题的普遍方程，通常用来求解比较复杂的非自由质点系的动力学问题，因此， 本文采用拉格朗日方程建立吊车系统的数学模型。 拉格朗日方程的普遍形式为： 要f 要l - 要：q ( 2 - 1 ) d t k ) 8 q k ” 、。 其中： 丁= 扣谚为质点系的动能： 吼为质点系的广义坐标； 皱为广义力。 2 、吊车物理模型的简化 实际龙门吊车系统比较复杂，除了元件的非线性外，还受到各种干扰，如小 车与导轨的摩擦，风力的影响。为了分析其本质，必须对龙门吊车系统做简化处 理，因此给出如下假设： ( 1 ) 对于龙门吊车，由于吊车在进行装卸作业时，龙门吊车的架构处于固定 静止状态，故建立力学模型时，可不考虑吊车架构的运动。 ( 2 ) 钢丝绳的刚度足够大，其长度变化可以忽略不计。 ( 3 ) 吊物只在垂直于水平面的平面内运动。 ( 4 ) 不计风力和空气阻尼。 通过上面的假设，龙门吊车系统的力学简化模型如图2 1 所示。 北京t 业大学工学硕士学位论文 参考坐标 厂瓦门吊车 l 图2 - l 龙门吊车系统的简化模型 f i g i l r c2 - 1 e a dg a j l n yc r 弛em o d c l 3 吊车数学模型 研究整个龙门吊车运动系统，设小车m ，吊重，l 的坐标分别为( h ，) ， ( ，儿) ，以力z 方向为x 轴正向，垂直地面为y 轴正向，建立直角作标系。选 水平位置x ，绳长，摆角p 为系统的广义坐标，则 所以小车和重物的速度分量为： ，s i n 口 s 9 = j = o = j 一，s i n 口一旧c 0 s 乡 = ，c 0 s 9 一旧s i n 秒 系统的动能为： t = m y 专 2 + m y ： 2 = m ( 靠+ 芘) 2 + 聊( + z ) 2 = ( m + m ) j 2 2 + 朋( j 2 + ，2 矽2 2 新s i i l 目一2 埘c o s 秒) 2 此系统的拉格朗日方程为： ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 丢( 蓑) 一罢听肪 丢( 筹) 一筹= 五+ 馏c o s 口 c 2 q 丢( 豺嚣= 一喇n p x o 卜 i l = = 一一 h ，j、l 第2 章龙门吊车防摆技术研究 综合以上公式的系统的方程组为： f ( m + ，1 ) 戈一m ，s i i l 口一m 胯c o s 9 2 扰抬c o s 秒+ 聊，矽2s i n 口+ 肪= 石 m ，一力戊s i i l 9 一m 硒2 一珥g c o s p = 石 ( 2 6 ) l 研，p + 2 m ，秒一，戊c o s p + ，穆s i l l 秒= o 其中： ，竹 m g 石 z 吊车的质量( 堙) ； 小车的质量( 姆) ； 重力加速度( 州s 2 ) ； 重物运行的阻尼系数( 锄厶2 ) ； 小车受到水平方向的拉力( ) ； 绳子受到提升电机的拉力( ) 。 式( 2 6 ) 就是考虑绳长变化情况下的三维龙门吊车系统数学模型。 考虑到实际情况，当吊车水平行走过程中，总是将提升电机制动，使绳长保 持不变，当定位完成并消除摆动时，再使提升电机制动，将重物放到指定位置。 为此，可将吊车调运重物的过程分成水平运动过程和垂直运动过程，分别进行控 制，当吊车处于垂直运动过程时，只要提升电机具有良好的定位准确性就能够使 重物准确的提升或放在指定位置。而吊车处于水平运动过程时，要求电机准确定 位的同时，摆角要迅速衰减到零。可见吊车的水平运动过程是防摆控制研究的重 点。 本文在此只研究吊车的水平运动过程及其摆角消除控制。将式( 2 6 ) ， j = j = o ，正= o ，令z = 厂，可得到定绳长的吊车系统数学模型： l ( 膨+ 所) j 一朋反c o s 秒+ 扰j 汐2s i 王1 秒+ 肛= 厂，们 【聊，p m 舅c o s p + ，喀s i n 乡= o 、二- ， 2 1 2 系统模型的线性化及简化 为了方便对龙门吊车的防摆控制技术研究，需要对模型进行线性化和简化， 找出反映系统运动特性的线性简化模型，忽略对系统影响较小的高次部分，保留 对系统运动起主要作用的低阶线性部分。 考虑到实际龙门吊车运行过程中摆角一般不超过1 0 度，且平衡位置为秒= 0 ， 北京工业大学工学硕士学位论文 可以将式( 2 7 ) 进行线性化。此时，s i n p 护，c o s 口l ，矽2s i i l 9 0 ，可以得到 以下形式： j ( 誓_ 聊) 弘槲+ 肚= 厂( 2 - 8 ) ，- - 【m ，口一，戚+ 彬g p = o 将式( 2 8 ) 变化成下面的形式： 鬈麓钳肚 陆9 ， 气 1 z yj 【石= ，p + 驴 、7 对式( 2 9 ) 进行拉氏变换得： 瞄篡瑞酬。 陋埘 【s 2 x ( s ) = ( 红2 + g ) p ( s ) 卜7 系统的传递函数形式如下图2 2 所示： f i g i l 托2 - 2t r 锄f 旨f i l n c l i 蛐o fs y s t 锄m o d e l 也可以将模型化为状态空间形式。对( 2 - 9 ) 进行变换，每个式子的左端只保留 一个二次导数项，可得： 器鞯二编帅他) ( 2 1 1 ) i 痧= 一贾( 埘) 一( m + m ) 驴( 枷) + ( 枷) 卜“7 取x ，孟，9 ，矽为系统的状态，工，秒为系统的输出，则系统的状态方程为： 喜2 竺忡 ( 2 - 1 2 ) l 】，= 以 、7 其中x = z ，j ，汐，盯 = 厂 】，= 【z ，目】r 彳= o10o o 一弘| mm g | m o ooo1 o 一( 以) 一( m + 所) g ( 刃) o 式( 2 1 2 ) 即为系统模型的状态空间形式。 曰= o m o l ( m ) c ：卜o l - o o1 o j 第2 章龙门吊车防摆技术研究 2 1 3 模型参数的确定 为了使仿真贴近现场龙门吊车装运长轨，按照实际样机的参数等比例缩小确 定模型的参数，m = 8 0 堙，埘= 1 4 0 姆，= l m ，g = 9 8 姆厶2 ，根据工具手册 查