基于模糊控制的桥式起重机防摆研究

论文摘要

消除或控制吊重的摇摆对提高起重机工作效率、减少装卸作业安全生产隐患具有重要意义,采用电子防摆装置,是减轻司机工作强度、改善司机恶劣工作环境的重要途径,也是实现机械自动化、仓储现代化的大势所趋。因此本文针对桥式起重机吊重防摆可采用的电子控制方案进行了研究。目前应用状态反馈、PID控制、LQR最优控制方法对桥式起重机吊重防摆进行控制,研究和仿真结果表明具有一定的局限性,本文应用模糊控制机理,提出基于模糊控制的桥式起重机的防摆技术。并根据工程实际和方便司机操作设计了“模糊速度跟踪”控制器和“模糊速位双跟踪”控制器,详细阐述了设计过程。在模糊控制系统输入、输出变量确定和控制规则设计过程中,通过对桥式起重机吊重防摆系统的分析研究,提出了一种改进方案,建立了控制规则表,此种方法降低了运算时间、提高了控制效率。借助MATLAB中的Simulink Fuzzy工具箱对所设计的方案进行仿真分析。结果表明,本文所设计的模糊控制器具有良好的控制性能,有效的抑制了吊重的摆动,使小车运行停止后,摆动五秒内衰减为零,而位移的静态误差不超过百分之一,并且“模糊速位双跟踪”控制器在速度和位移的跟踪上优于前者,鲁棒性强,不受外界扰动的影响,是一种较为理想的控制方法。最后,在分析了钢铁企业桥式起重机钢卷调运过程对控制器要求的基础上,充分利用原有电气元件,增加了摆角传感器和主控计算机,设计了吊重防摆控制器,在实际生产中得到应用效果良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的主要工作
• 2 起重机控制模型建立及分析
• 2.1 基于拉格朗日方程的动力学建模
• 2.2 控制模型的线性化及简化
• 2.2.1 系统模型简化
• 2.2.2 操作点附近的线性方程
• 2.2.3 系统的传递函数与状态方程
• 2.2.4 系统参数确定
• 2.3 系统性能分析
• 2.3.1 系统稳定性分析
• 2.3.2 系统可控性和可观性分析
• 2.4 本章小结
• 3 传统控制方案介绍
• 3.1 状态反馈控制器设计
• 3.1.1 反馈控制原理
• 3.1.2 基于状态空间的极点配置
• 3.2 LQR最优控制器设计与仿真
• 3.2.1 LQR最优调节器原理
• 3.2.2 起重机防摆系统LQR控制器设计与仿真
• 3.3 PID控制系统介绍及摆动控制仿真
• 3.3.1 PID控制器介绍
• 3.3.2 PID控制器仿真
• 3.4 本章小结
• 4 模糊方法研究及仿真
• 4.1 模糊控制介绍
• 4.1.1 模糊控制的基本思想
• 4.1.2 模糊控制系统的组成及结构分析
• 4.1.3 模糊控制算法的实现
• 4.2 起重机防摆模糊控制器设计
• 4.2.1 防摇机理
• 4.2.2 输入输出变量及其隶属函数的确定
• 4.2.3 控制规则
• 4.2.4 反模糊化输出
• 4.3 仿真工具简介
• 4.3.1 MATLAB简介
• 4.3.2 Simulink开发环境和模糊逻辑工具箱
• 4.4 起重机模糊防摆模式及开环响应仿真
• 4.4.1 起重机模糊防摆模式
• 4.4.2 控制方式建模和理想速度曲线的开环控制仿真
• 4.5 模糊控制系统仿真
• 4.5.1 模糊速度跟踪控制器仿真
• 4.5.2 模糊速位双跟踪控制器仿真
• 4.5.3 存在初始扰动的模糊控制器仿真
• 4.6 本章小结
• 5 控制系统设计和实现
• 5.1 系统总体方案设计
• 5.2 硬件系统组成
• 5.2.1 司机操作台
• 5.2.2 主控计算机
• 5.2.3 PLC
• 5.2.4 变频调速及拖动装置
• 5.2.5 数据采集及A/D转换系统
• 5.3 软件系统设计
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢