摘 要

本文以起重机载荷的自然摆动为研究对象，依据输入整形理论研究了抑制起重机系统载荷摆动的输入整形控制方案，并做出了相应的仿真实验研究，仿真结果表明该输入整形控制方案能对起重机系统载荷摆动起到有效的抑制作用，进而提高了起重机系统载荷的定位精度，缩短了起重机运输时消耗的时间，提高了起重机的工作效率、安全性和可靠性。最后以正反向POSICAST输入整形法为基础编写了PLC控制程序。

关键字:起重机；防摇控制；输入整形；PLC

Abstract

In this paper, the natural swing of the crane load for the study, based on input shaping theory crane system load input shaping control scheme suppress swing and make the corresponding experimental study simulation results show that the scheme can input shaping control system of the crane load swing play an effective inhibition, thereby increasing the accuracy of positioning the crane system load, reducing the time spent crane transport, improve the efficiency of cranes, safety and reliability. Finally, the positive and negative input shaping method POSICAST prepared on the basis of the PLC control program.

Key words: Cranes, anti-sway control, input shaping,PLC

目录

第一章 绪论 1

1.1 汽车起重机防摇研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 3

1.3 研究内容及方法 5

第二章 理论推导 6

2.1 起重机三维数学模型 6

2.2 起重机二维数学模型 9

第三章 输入整形 12

3.1输入整形器的研究现状 12

3.2输入整形原理 14

3.3 灵敏度曲线 18

3.4 输入整形器的设计方法 19

3.4.1 脉冲响应法 20

3.4.2 灵敏度曲线法 20

3.4.3 零极点对消法 21

3.4.4 频率法 23

第四章 仿真实验 25

4.1三脉冲响应消摆法的仿真 25

4.2 正反向POSICAST输入整形法的仿真 28

4.3 消摆控制方案的确定 31

第五章 PLC控制程序 33

5.1 PLC概述及其系统组成 33

5.2可编程序控制器(PLC)的选取及其特点 36

5.2 起重机结构介绍 37

5.3 PLC控制程序的编写 39

5.3.1小车运行程序 39

5.3.2 基于正反向POSICAST方法的消摆程序 43

第六章 全文总结 49

6.1 结论 49

6.2 有待进一步解决的问题 49

参考文献 51

致谢 53

第一章 绪论

现代工业的在发展的同时，也带动了起重机的迅速发展，尤其在机械业、建筑业、运输业、冶金业等方面，对起重机的数量和性能的要求也越来越高，并且对起重机的高效率和高安全性的要求也越来越严格。电控技术飞速发展的同时，起重机自动化控制技术的发展也令人瞩目，过去起重机仅仅作为搬运工具的日子已经一去不返，现在起重机已经逐渐成为成现代工业自动化生产中的不可或缺的一部分，如何提高生产率和降低生产成本的关键因素之一，就是优化起重机的相关性能。作为一门新兴的现代技术，起重机的自动化、智能化、集成化、信息化必将是起重机自动化控制未来的必然发展趋势，只有如此方能更好的适应相关各行业尤其是汽车行业的发展需。

1.1 汽车起重机防摇研究的目的和意义

从上个世纪至今，起重机一直是完成搬运工作的重要工具之一，它的操作基本上可以分为五个步骤：第一步，用吊具把载荷抓住，第二部，升起载荷，第三部，把载荷从一点移动到另一点，第四部，放下载荷，第五步，放开载荷。把载荷从一点移动到另一点是这个过程中最消耗时间的一个步骤。想要安全快速的操作起重机，需要十分熟练地操作技巧，因为操作者要面临一个非常困难的问题---在起重机搬运载荷的过程中，由于各种外界影响，载荷会发生摇晃，这对操作者想要快速准确的把载荷搬运到指定点有着严重的干扰，这种摇晃不仅会降低起重机的工作效率，使操作者精神紧张疲劳，更有甚者还会对人们的生命财产造成威胁(比如载荷之间的碰撞、载荷掉落伤人甚至起重机倾覆等)。

目前，世界上各类起重机在机械结构、材料成形工艺和设计原理方法上都在稳步发展改善，起重机的发展得益于现代传动技术，其加速和变速能力都有了质的飞跃，起重机的操作设方式也由过去的人工手动操作发展为遥控、触摸屏等，相关的安全措施和警报装置也能更好的保障人们的生命财产安全，但是最严重也最需要解决的一个问题，同时也是严重影响起重机安全性和效率的如何防止载荷摇摆的问题依旧没有一个良好的解决方法，在这方面仍然还只能依靠操作者的技巧来解决，每当载荷摆角超过一定幅度，就必须停止起重机的运动，等待载荷的摆动自然衰减。而因为起重机系统的阻尼一般比较小，载荷的摆动衰减速度很慢，有时候为了节省时间，不得不安排人用手拉使摆动停止，这无形之中不仅降低了工作效率，更对人们的安全产生了重大威胁。

如何提高起重机的安全性和工作效率，一直是世界上诸多研究机构、著名大学、机械公司等密切关注和潜心研究的一个重要课题。有人提出了一种方案，通过提高起重机提升速度和移动速度还有加减速速度，是可以提高起重机的工作效率，但与此同时，载荷的摆动角度也随之增大了，载荷摆动影响了起重机载荷的定位精度，延长了辅助作业时间，增加了操作者的劳动强度，从而导致工作效率降低，更有甚者还会对人们的生命财产造成威胁。

以现在的起重机情况来说，为了避免载荷摇晃的影响，其每一个工作循环就大约要浪费百分之三十的时间。此外，就国内某权威部门对起重机相关事故的调查，1200多例事故中，除了人为因素和意外因素之外，最主要原因就是难以避免的载荷摆动问题。而起重机载荷摇晃问题产生的主要原因就是启动和制动时的加速度影响，因此如何消除起重机启动和制动过程中产生的载荷摇晃问题是自动化控制的关键，也是提高起重机工作效率和安全性的必然要求。

一般来说，在起重机工作时，产生摇晃的原因主要有两种：其一是载荷或起重机加减速时造成的载荷摇晃，其二是工作环境的不确定性因素的影响（如风力，人为外力，重力等）。我们可以将起重机系统简化为一个非线性二阶振荡系统的数学模型，起升运动使系统成为弱阻尼系统，载荷摆动表现为小阻尼变参数的二阶振荡系统特性。起重机系统可以简化为一个单输入多输出的动力学模型，输入控制命令后电机开始工作，并驱动小车沿着既定轨迹运动，载荷由钢丝绳连接在小车上，由小车带着运动到预定位置，环境因素的影响以及小车加减速时的加速度都会造成载荷的摆动。由于载荷的摆动是受小车的运动间接控制，并没有执行器直接驱动载荷摆动，因为这种间接控制方式是的很多控制理论难以达到预期的的效果。

在此论文中，我们充分考虑到印象起重机载荷摇晃的各种因素，起重机的结构特点以及载荷摆动产生的机理，有针对性地选择解决方案，最终选择采用基于正反POSICAST输入整形理论及最优控制理论，通过严格的理论推导出控制算法，并使用MATLAB SIMULINK进行仿真实验，对控制算法进行了验证和完善。

此方法克服了常见控制方法的各种不足之处，能够更有效的抑制载荷的摆动，对起重机自动化控制有着更好的效果。相比于基本的输入整形理论智能消除小车加减速运动引起的载荷摇晃来说，此方法具有较高的鲁棒性，不仅对抑制起重机载荷摆动具有更好的效果，而且对起重机工作效率和安全性能的提高也是十分有效，使起重机的操作更简捷方便，最重要的是这对于我国开发具有自主知识产权的起重机自动化控制系统具有十分重要的价值和意义。

我国对起重机自动控制技术的研究开始于二十世纪80年代末，其中哈尔滨工程大学，高淑玲、华克强等人和哈尔滨建筑大学的齐伯文最早对其进行了相关研究。他们在论文中，以桥式起重机系统为研究对象，初步建立了数学和动力学模型，并且设计了自适控制器、最优应控制器和模糊控制器三种常见控制器。而90年代初，山东建筑工程学院的李伟等人也开始对起重机自动控制做了大量的专业研究，并在许多知名期刊上发表了多篇学术论文，以最小误差原则设计了最优反馈控制器，实现了在保证误差最小前提下，在一个周期内消除载荷摆动。

1.2 国内外研究现状

国外对自动化控制技术的研究上，已有了很深厚的基础。2000年，国外学者William Singhose等人对龙门式起重机的模型做了相关研究，为了防止其载荷的残留摆振，他们基于时间最优的输入整形法得出了多种输入整形方案。并在一个15吨的龙门式起重机上就各种输入整形方案做了实验验证。其中，输入为小车加速度和载荷提升速度，输出为小车位置和钢丝绳摆角，最终目标是使钢丝绳在小车运行时和停止后的摆角最小。他们就小车不同加速度和提升速度输入下的小车运行情况进行了对比和分析，主要包括TOFB、TORB、ZV、NEG ZV、ZVD、NEG ZVD、SD等滤波器在不同输入下的消摆效果。最终得出结论：对于龙门式起重机的摆动，输入整形法有着明显的消摆效果，但不能实现无振荡。

1996年，国外学者Kamal A.E Moustafa等人考虑到起升运动和大小车运动同时进行的情况，又提出了一个非线性、时变模型，并且在此基础上给出了起重机系统的空间状态表达式，基于此模型最终设计出一种基于状态反馈的消摆策略。

1998年，国外学者Shogo Tanaka也提出另一种基于状态反馈的消摆控制策略。这个策略通过在吊钩上安装伺服型加速度计，从而对载荷摆动的加速度进行测量；用一个转速计对小车运行的速度进行测量；用一个旋转编码器对小车运行的位置测量。该策略通过分析系统动力学方程，从而得出系统的状态表达式，再通过恰当的状态反馈控制方法，使载荷在第一次到达期望的位置时停止，并且没有残留摆振。

1998年，国外学者H.T．Nguyen等人提出一种基于跟踪小车位置和钢丝绳长度的状态变量反馈控制器，以示载荷的摆角达到最小值。用拉格朗日方程建立起重机系统动态方程，再对其用Matlab Simulink进行仿真实验进行了验证。随着绳长的变化该状态反馈控制器能够随之产生变化，如此方能在一定程度下保证闭环系统的鲁棒性。