摘要
桥式起重机具有结构稳定、移动灵活、不占用地面空间等优点，被广泛应用于重工业领域。大车机构和小车机构在运输货物的过程中需要频繁进行加减速操作，这会导致起吊的货物出现摆动现象。如果不能及时控制货物的摆动，不仅会降低运输效率，还可能造成安全隐患。因此，桥式起重机货物摆动控制成为目前研究的技术难题之一。本文针对桥式起重机运行过程中的货物摆动问题，建立动力学模型并分析货物摆动规律，提出一种基于输入整形的货物摆动控制策略，并使用MATLAB/Simulink仿真软件对所设计的控制策略进行仿真验证。主要研究内容如下: （1）本文基于拉格朗日动力学方程建立了单摆和双摆桥式起重机的数学模型，并分析了钢丝绳长度和货物至吊钩间的绳长变化对起重机系统稳定性和货物摆动频率、周期的影响。同时，介绍了三种常见的输入整形控制器，并针对桥式起重机货物摆动控制的控制目标分别设计了输入整形策略。通过MATLAB/Simulink仿真软件验证了输入整形控制策略在单摆和双摆桥式起重机的货物摆动控制方面的有效性。 （2）针对单摆桥式起重机的摆动问题，设计了PD结合输入整形控制策略，并在传统PD控制策略的基础上加入自适应控制的方法，以提高控制系统的鲁棒性和稳定性，实现更好的摆动控制效果。与单独使用PD反馈控制或无控制相比，在PD反馈控制策略中加入输入整形可明显减少货物的摆动角度，最大摆动角度的减少幅度达到了37.8％。加上自适应环节之后，桥式起重机系统适应钢丝绳长度变化的能力进一步增强，最大摆动角度的减少幅度达到了60.9％。此外，当输入整形被添加到控制策略中时，货物摆动角度可以更快地达到稳定状态。 （3）针对双摆桥式起重机的摆动问题，基于单摆桥式起重机的摆动控制策略，设计了针对双摆桥式起重机的级联法输入整形策略和PD结合输入整形策略。传统的输入整形控制器只适用于单模态二阶振荡系统，无法满足桥式起重机多模态振荡的要求。级联法可以抑制双摆桥式起重机吊钩和货物的摆动，但容易受到外界干扰的影响，因此在其基础上加上PD反馈控制器以提高控制系统的性能。仿真结果表明，PD结合输入整形策略具有一定的稳定性和鲁棒性，在钢丝绳长度和起吊货物绳长发生变化时仍能有效抑制货物的摆动。 （4）在研究货物摆动控制的基础上，分析了作用在桥式起重机上的控制力。当桥式起重机空行程运行时，PD结合输入整形控制可以显著降低小车机构位移曲线的超调量，并且具有更快的调整时间。与PD反馈控制系统相比，在相同反馈增益的情况下，PD结合输入整形控制系统消耗更少的控制能量。在PD反馈控制下，反馈增益越大，产生的超调量和控制力就越大。与PD反馈控制相比，PD结合输入整形控制策略能够降低超调量和控制力，因此可以允许更大的反馈增益，从而提高桥式起重机的运输效率和定位精度。当桥式起重机运输货物时，作用在其上的控制力随着货物质量的增加逐渐增加,在PD反馈控制策略的基础上添加输入整形后，作用在桥式起重机上的控制力明显减小,且降幅较大，这说明输入整形对于减小桥式起重机控制力有较好的效果。
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