论文总字数：23156字

摘 要

桥式起重机作为一种随处可见的起重设备，因其可以充分利用桥架下面的空间调运物料，不受地面设备的阻碍，所以是使用范围最广、数量最多的一种起重机械。但由于桥式起重机系统的非线性等特点，负载防摇的性能对桥式起重机的运行效率有直接的影响，而且因为负载的高空运输而导致的摆动给操作人员带来的安全隐患，防摇控制已经逐渐成为自动控制领域的一个研究热门对象。

本文第二章采用了拉格朗日动力学原理来建立一个三维桥式起重机动力学模型，分析了参数之间的关系，将三维起重机模型分解成两个独立的二维模型，确定二维起重机模型作为参考对象。

本文第三章针对实际生产中控制量达到驱动电机上限时出现的一系列问题与某些特定场合中运输一些特殊负载时对负载摆角的一些限制条件，设计了模型预测控制方法，然后作为本文主要方法的对比，针对控制系统定位轨迹速度较慢等问题提出了在线轨迹规划控制方法。接着先通过仿真验证模型预测控制方法不仅有利于系统的安全运行，而且更适用于实际系统中运用，然后通过仿真验证在线轨迹规划方法的有效性。最后对控制器在经济性方面的优势进行对比分析，通过与桥式起重机PD控制进行对比分析模型预测控制方法在经济性上的优越性。

本文第四章是在完成毕设后对此次设计的总结与对未能展示部分的展望。

关键词：桥式起重机 防摇控制 模型预测 经济性分析 在线轨迹规划

Research on anti-swing control of overhead traveling crane based on model predictive control theory

Abstract

As a kind of lifting equipment which can be seen everywhere, the bridge crane is the most widely used and the most numerous one because it can make full use of the space under the bridge to move the material and is not hindered by the ground equipment. However, due to the non-linear and other characteristics of the overhead traveling crane system, the anti-sway performance of the load has a direct impact on the operating efficiency of the overhead traveling crane, and the swing caused by the high-altitude transportation of the load brings hidden danger to the operators, anti-swing control has gradually become a hot research object in the field of automatic control.

In the second chapter, a three-dimensional dynamic model of overhead traveling crane is established based on Joseph-Louis Lagrange's dynamic principle, and the relationship between the parameters is analyzed, the two-dimensional crane model is determined as a reference object.

In the third chapter of this paper, a series of problems appear when the control quantity reaches the upper limit of the drive motor in the actual production and some restrictions on the load swing angle when transporting some special loads in some special occasions, a model predictive control method is designed, and as a comparison of the main methods in this paper, an on-line trajectory planning control method is proposed to solve the problem of slow positioning trajectory of the control system. The simulation results show that the model predictive control method is not only beneficial to the safe operation of the system, but also more applicable to the actual system. Finally, the economic advantages of the controller are compared with the PD control of bridge crane, and the economic advantages of the model predictive control method are analyzed.

The Fourth Chapter is the summary of the design after the completion of the project and the prospect of the part that can not be shown.

Key Words: Bridge Crane; Anti-swing control; Model Prediction; Economic Analysis;Online trajectory planning

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 2

1.1 引言 2

1.2 起重机防摇控制的国内外研究现状 3

1.2.1 国外研究现状 3

1.2.2 国内研究现状 4

1.3 本文主要研究内容 5

第二章 桥式起重机动力学模型的建立与分析 6

2.1 引言 6

2.2 桥式起重机工作原理及动力学模型 7

2.2.1 桥式起重机工作原理 7

2.2.2 桥式起重机三维动力学模型 7

2.3 桥式起重机模型分析 9

2.4 本章小结 11

第三章 桥式起重机模型预测控制方法 13

3.1 引言 13

3.2 模型预测控制设计与分析 13

3.2.1 系统线性化与离散化 13

3.2.2 考虑输入饱和约束的模型预测控制方法 14

3.2.3 考虑负载摆角约束的模型预测控制方法 17

3.3 对比方法设计 20

3.3.1 定位轨迹的选取 21

3.3.2 消摆环节的设计 21

3.4 仿真结果分析 22

3.5 经济性分析 25

3.5.1 PD控制仿真结果 25

3.5.2 简单经济性比较分析 26

3.6 本章小结 27

第四章 结论 28

4.1 本文总结 28

4.2 未来展望 28

参考文献 30

致谢 33

2. 绪论
   1. 引言

在建筑业快速发展的今天，国家提出了工程建设规划政策。随着政策的不断落实，建设项目的规模也在不断扩大，起重机的安装越来越多，需要起重设备的地方也越来越多。比如，最常见的地方有：隧道施工、仓库、工地，都需要使用起重设备。除了上述场景中需要起重机外，其余的设备车间、金工车间、金属结构车间等场所都离不开起重机。然而，仓库、工地等场所的相继应用，极大地促进了起重机的发展。但随着工程建设技术要求的不断提高，当然对起重设备也有相应的要求。

作为应用最广泛的桥式起重机之一，它的基本任务是垂直提升货物，使重物在短距离内水平移动，以满足装卸、安装等作业的需要。桥式起重机不仅可以作为辅助生产设备，完成原材料、半成品和产品的装卸和搬运，进行机电设备的安装和维护，而且是一些生产过程操作中必不可少的设备，如冶金毛巾生产的各个环节，如原子能行业的一些工艺操作，这些都是很难达到的。没有桥式起重机就不可能生产武器。此外，桥式起重机还广泛应用于工矿企业、港口码头、车站仓库、建筑工地、海洋开发、航天导航等工业部门，成为合理组织批量生产和机械化流水作业的基础。

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