桥式起重机防摆系统的模糊控制.doc

起重机防摆系统的模糊控制 甘欢庆 张欣 （豫飞重工集团新乡市起重设备厂有限责任公司-总师办） 摘 要：近年来很多学者对桥式起重机的防摆控制方法进行了研究，以提高起重机的作业效率。针对起重机模型的非线性和不确定性,本文建立了“速度位移双跟踪”模糊控制模型，并利用Simulink对模型进行了仿真.仿真结果证明了该方法的可行性,并且与不加模糊防摆控制的模型进行了比较,表明了该方法能使吊重摆动得到快速有效的抑制，且能使系统具备很强的抗干扰性能。 关键词：桥式起重机 防摆控制 模糊控制 1引言 随着自动控制技术的不断发展，桥式起重机从单一的搬运工具逐步演变成自动化、柔性化生产中的重要组成部分，广泛应用于厂房、车间、仓库、码头等工业场所。然而在起重机运行过程中由于受到小车加减速、风力等影响会导致载荷摆动，这种摆动不仅使得对载荷的装卸难以定位，严重影响生产效率，而且还存在着安全隐患。 为了防止载荷摇摆，国内外许多学者对此做了很多研究工作，并给出了起重机载荷摆振的数学模型和防摆策略。马莉丽[1]对桥式起重机的减遥力控制方式进行仿真研究，采用开环方式使起重机达到减遥的效果，小车受力的最佳撤销时刻是影响减摇效果的关键参数。李伟[2]对起重机的水平运动过程采用线性二次最优控制策略，可以使速度最优，摆角收敛，但抗干扰能力较弱。Lee[3]采用自适应控制方法，引入一个PI控制器来跟踪绳长的变化，一个增益序列表改变摆角反馈控制器的增益。该方案能实现定位无静差，摆角限制在两度内。 但是，这些经典或现代控制方法性能的好坏十分依赖于起重机系统的数学模型，而起重机系统的运动是一个非线性时变运动，数学模型自身具有非线性性和不确定性，一般无法获得起重机系统的精确模型。在这样的工程背景下，本文结合桥式起重机载荷运动的特点，参考司机的操作经验，应用模糊控制算法，设计了一个模糊控制器。模糊控制算法利用人工智能的方法将操作人员（专家）的长期积累的调整经验作为模糊规则编入算法中，实现最佳调整。本文运用模糊控制来为桥式起重机载荷防摆，通过控制起重机的加速度来消除工作载荷中的摆动，仿真实验表明了该控制方法的有效性。 2 桥式起重机载荷系统数学模型 2.1 模型的建立 桥式起重机是一个非常复杂非线性的系统，为了简化分析，根据起重机工作的基本情况，作以下假设[2][5]： (1)由于起重机在进行装卸作业过程中，大车机构一般都是处于静止状态，因此本文在建立力学模型时，不考虑大车机构的运动； (2)吊重与起升钢丝绳在整个运行过程中所受的风力和空气阻尼均不计； (3)吊重只作平面运动，且始终处于水平状态； (4)起升钢丝绳的质量相对于吊重的质量可忽略不计； (5)假设小车与轨道之间的摩擦力和小车速度成线性关系，记摩擦系数为μ。 考虑小车运行牵引力、吊重的偏摆及小车与轨道间的摩擦阻力，得到桥式起重机吊重系统示意图1所示，对整个桥式起重机防摆系统，设小车质量为，吊重质量为，绳长为，为吊重摆角，为小车运行牵引力，表示小车运行阻力，为钢绳的张力。 图1 桥式起重机吊重系统示意图 设小车，的位置坐标为(，)在图1所示坐标系中的位置坐标(,)满足如下关系： (1) (2) 系统的动能为： (3) 其中(=1,2) 约定初始位置绳长为，吊重未起吊时的位置，为零势能点，则系统的势能为： (5) 式中为重力加速度，。 取广义坐标(、、)为，系统的拉格朗日方程为： (6) (=1,2,3) (7) 式中：为广义坐标，～分别为、和()；为广义力，～()分别为、和，其中。 联立(1)～(7)式，得到得到起重机载荷系 统关于、和的动力学方程： (8) (9) (10) 2.2 模型的简化 实际操作中，考虑到吊重运输的安全性，要尽可能的抑制吊重的摇摆，使摆角最大不超过10度，并且起重机小车运行过程时总是将提升电机制动，使吊车系统的在吊运过程中绳长不变[5]，即假定，由(8)和(10)式得起重机防摆系统数学模型[6]： (11) (12) 3 桥式起重机模糊控制器的设计 模糊控制是通过模糊逻辑和近似推理方法，把人的经验形式化、模型化，变成计算机可以接受的控制模型，让计算机代替人来进行的有效的实时控制。为实现模糊控制，语言变量的概念可作为描述手动控制策略的基础，并在此基础上发展为模糊控制器。 3.1模糊控制原理 模糊控制的基本原理可由图2表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线框