大型桥式吊车行车控制系统的状态空间设计.pdf

题目：大型桥式吊车行车控制系统的状态空间设计 一、项目背景 随着我国制造业的发展，桥式起重机越来越多的应用到工业生产当中。在工厂中搬运 重物，机床上下件，装运工作吊装零部件，流水线上的定点工作等都要用到起重机。起重 机中种数量最多，在大小工厂之中均有应用的就是小吨位的起重机，小吨位的桥式起重机 广泛的用于轻量工件的吊运，在我国机械工业中占有十分重要的地位。但是，我国现在应 用的各大起重机还是仿造国外落后技术制造出来的，而且已经在工厂内应用了多年，有些 甚至还是七八十年代的产品，无论在质量上还是在功能上都满足不了日益增长的工业需 求。 桥式起重机是横架于车间、仓库及露天堆场的上方，用来吊运各种物体的机械设备， 通常称为“天车”或“行车”“吊车”。它是机械工业、冶金工业和化学工业中应用最广 泛的一种起重机械。实际生产中的桥式吊车（天车）与倒立摆类似，是自动控制最为经典 的实验模型，是一个 MIMO复杂控制系统，可以作为控制理论算法研究的理想实验平台。 桥式吊车系统由三部分组成：桥架驱动系统，小车驱动系统和重物撞吊系统。其工作 流程为：先将重物起吊至预先设定好的高度，然后小车运动将重物运到想要放置的位置上 方，最后把重物下放到想要放置的位置上。 二、问题提出 桥式吊车系统工作示意图见下图 1： M F x θ z p m mg 图 1 桥式吊车工作示意图 2.1 被控对象的动态分析 对于如上桥式吊车控制系统，首先做如下假设： ①吊车的行走运动仅限于小车一个自由度，即假设桥架不运动，只有小车在桥架上行 走。 ②小车行走时吊装重物的绳索长度不变。 图中，x 坐标为水平方向， 即小车运动自由度， z 坐标为垂直方向， 即重物运动自由度。 重物的摆动是由小车与重物的运动产生的，可以根据动力学有关规律建立小车及重物的运 动方程式。 (1) 小车的运动方程式为： M x M (t ) F( t ) - psin ( t ) （1） 式中 M为小车质量（包括了重物吊装机等）； x M 为小车的位移； F 为驱动装置所 产生的对小车的驱动力； p 为重物通过绳索对小车产生的拉力； θ为重物的摆动角度（即 绳索与垂直方向的夹角）； (2) 重物的水平运动方程为： m (t) psin (t) （2 ） x m 式中， m为重物质量（包括了吊钩等）； Xm 为重物的水平方向位移。 (3) 重物垂直运动方程为： m zm (t ) mg - pcos (t ) （3 ） 1 式中， Z m 为重物垂直方向位移。 由小车在行走时吊装重物的绳索长度不变的假设可得出下面两个关系式： x m ( t ) lsin (t ) x M ( t ) （4） zm (t ) l cos (t ) （5 ） 式中， l 为绳索长度。 由（1-1 ），（ 1-2 ），（ 1-3 ）可得出： M x M (t ) m x m ( t ) F(t) （6 ） （ m x m (t )cos