塔吊安全监控保护系统及关键算法研究

论文摘要

针对塔吊运行过程中存在的安全隐患问题,本文设计了一种基于ARM处理器和单片机的塔吊安全监控保护综合方案。文中介绍了塔吊安全监控保护系统的基本原理,给出了系统的硬件设计和软件工作方式,建立了基于模糊控制的塔吊运行防摆控制模型,并对模型进行了仿真,给出了塔吊防碰撞控制的算法流程。首先,本文介绍了课题的背景和意义,概述了塔吊监控系统、塔吊防摆及防碰撞算法的国内外研究现状,并对各个厂家的塔吊安全监控系统产品做了比较,然后提出了本文的主要研究内容。其次,在塔吊的机械组成结构和电气组成结构的基础上,分析了基于力矩曲线的塔吊监控系统的基本原理。根据系统需求,提出了一种基于ARM处理器和单片机的塔吊安全监控保护系统解决方案。硬件部分包括人机交互模块、数据存储导出模块、实时时钟模块、无线通信模块、传感器等;软件部分包括数据采集模块、数据处理模块、传感器标定模块、区域保护模块等。重点对硬件设计的依据以及数据存储的算法作了详细介绍。再次,根据拉格朗日方程,分析、建立了塔吊的力学模型,根据模型设计了一种基于模糊控制的塔吊防摆控制器,对塔吊变幅和回转运动时所吊重物的摆角幅度进行了控制。并将该控制器与传统的鲁棒PID控制器作比较,分析和比较了塔吊模型参数变化对两种控制器性能造成的影响;同时研究了塔吊可能发生碰撞的两种具体情况,建立了数学模型,分别提出了对应的防碰撞算法。最后,在实验室环境中针对塔吊监控系统的数据采集精度、超载报警算法以及上位机部分做了测试,给出了测试结果和分析,验证了系统设计的正确性及工作的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 课题研究现状及发展趋势
• 1.2.1 塔吊安全监控保护系统
• 1.2.2 塔吊的防摆控制
• 1.2.3 塔吊防碰撞控制
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 塔吊安全监控保护系统总体设计
• 2.1 典型塔吊系统
• 2.1.1 塔吊工作原理
• 2.1.2 塔吊系统存在的问题
• 2.2 现代塔吊系统
• 2.2.1 现代塔吊系统特点
• 2.2.2 塔吊安全监控保护系统原理
• 2.2.3 系统功能需求与结构
• 2.3 系统实现方案比较与选择
• 2.4 本章小结
• 第3章 塔吊安全监控保护系统详细设计
• 3.1 系统硬件设计
• 3.1.1 主控制器硬件设计与数据安全
• 3.1.2 数据采集器设计与数据可靠性
• 3.1.3 人机交互模块硬件设计与操作
• 3.1.4 传感器选择与互换性
• 3.2 系统软件设计
• 3.2.1 主控制器软件设计
• 3.2.2 数据采集器软件设计
• 3.2.3 上位机软件设计
• 3.2.4 通信协议设计
• 3.2.5 数据存储算法
• 3.2.6 数据安全与加密算法
• 3.3 本章小结
• 第4章 塔吊关键算法研究
• 4.1 问题的提出
• 4.2 塔吊负载的防摆控制
• 4.2.1 塔吊力学模型的建立
• 4.2.2 塔吊控制模型建立及分析
• 4.2.3 基于鲁棒PID 控制的防摆算法
• 4.2.4 基于模糊控制的防摆算法
• 4.2.5 两种算法性能分析
• 4.3 塔吊防碰撞算法
• 4.3.1 塔吊防碰撞问题
• 4.3.2 塔吊与固定建筑物之间的防碰撞算法
• 4.3.3 避免塔吊间相互碰撞
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验测试与分析
• 5.1 数据采集部分采集精度测试
• 5.2 报警及数据显示部分测试
• 5.3 上位机界面显示部分测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢