基于变增益PID控制的起重机防摇摆设计与仿真

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刚性摆起重机PID控制防摇研究及实验验证

2019 年 7 月第 38 卷第 7 期
机械科学与技术 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering
DOI： 10．13433 / j．uly 2019 Vol．38 No．7
国内外很多大学和研究机构都对起重机的防摇摆进行了研究［1］。有的采用 PD 控制处理电机输入信号，研究起重机的摆动［2］；有的采用输入整形法
第7期
梁成等：刚性摆起重机 PID 控制防摇研究及实验验证
1075
降低起重机的摆动；有的采用最优迭代控制对起重机进行定位和防摇摆［3］；有的采用神经元控制的方法对起重机进行方摇摆研究［4］；有的采用自适应滑
关键词：刚性摆起重机；防摇； MATLAB； PID 控制； LABVIEW
中图分类号：TP242
文献标志码：A
文章编号：1003-8728（ 2019） 07-1074-05
Ｒesearch on Anti-swinging Characteristic of Ｒigid-pendulum-crane with PID Control and Experiment
Keywords： rigid-pendulum-crane； anti-swinging； MATLAB； PID control； LABVIEW
根据某单位自动化搬运项目的要求，设计刚性摆起重机。为了提高刚性摆起重机的搬运效率，对其防摇进行仿真研究和实验研究。起重机对提高人类社会生产力的作用是十分巨大的，不论是建筑领域还是交通领域，从施工到竣工都离不开起重机。
收稿日期：2018 09 03 基金项目：国家自然科学基金项目（ 51175442）资助作者简介：梁成（ 1993 －），硕士研究生，研究方向为机电一体化，

天车吊钩防摆控制器设计

摘要吊物的摆动是影响吊车装卸效率的主要原因。

电子防摇作为一种主动防摇方式，它将减摇和运行控制结合起来考虑，不依赖于司机的操作经验，可以有效的提高吊车的装卸效率，减轻司机的工作强度，是实现港口、厂矿装卸自动化的趋势。

本文首先建立了桥式吊车运动系统的数学模型，并搭建了系统的仿真实验模型，设计了双闭环PID控制器来实现吊车系统的防摆和定位控制。

针对常规PID 控制器很难满足桥式吊车这类控制参数变化很大的复杂系统对控制精度的要求，设计了非线性PID控制器（即PID参数随误差的变化而变化），该控制方案可以消除系统静差，缩短系统响应时间，抗干扰能力较强。

运用增量型PID控制算法对PID控制策略进行了数字实现。

本系统实现了吊车到达目的地吊钩不在摆动的目的，使所吊重物在到达指定地点时，摆角为零。

从而避免了作业时，照成不必要的事故。

关键词：桥式吊车；防摆；非线性PIDAbstractGenerally speaking, the loading efficiency of crane is mainly influenced by swing of hanging objects. As an active method for avoiding swing, electronic anti-swing is not dependent on the driver’s experience and can combine swing-decreasing with movement-control to improve the efficiency of crane, and lighten the intensity of drivers. Therefore, it will be used widely for loading of port and factory.In this thesis, the mathematical model of the overhead crane motion system is established and the simulation model is also built . The two closed-loop PID controller is designed to achieve the control of anti-swing and orientation. Comparing with the controlling results of using conventional PID algorithm as a controller on different disturbance conditions, we can find that it is difficult to meet the accuracy requirements of the practical operation of crane system which has easily variable control parameters in the process of running. So we design the nonlinear PID whose variable parameters change with error. The results of simulation indicate that the steady-state error can be eliminated, and the response time of system can be shortened, in addition, the disturbance rejection ability of system can be strengthened. Then, we complish the digital realization of PID control strategy with increment PID control algorithm.This system has realized the crane hook is not swinging the purpose of arriving at our destination, make lifting heavy weights in got to the designated place, pendulum Angle is zero. Avoiding the homework, as into unnecessary accidents.Key Words：Overhead crane；Anti-swing；Nonlinear PID目录第1章绪论 (1)1.1 课题的背景及意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.3 本文研究主要内容 (4)第2章系统建模 (5)2.1 问题的提出 (5)2.2 建模机理 (5)2.3 系统模型的建立 (6)第3章方案论证 (10)3.1 系统方案的论证 (10)3.2 总体方案设计 (11)3.3 传感器的选型 (11)3.4 转换器的选型 (13)3.5 单片机的选型 (15)3.6 变频器的选型 (16)第4章硬件电路设计 (17)4.1 数据检测模块 (17)4.2 滤波电路模块 (19)4.3 转换电路 (20)4.4 单片机最小系统 (20)4.5 变频器调速模块 (21)4.6 键盘电路 (22)4.7 电源电路 (23)第5章软件设计 (24)5.1 系统流程图 (24)5.2 检测控制流程图 (25)5.3 变频器子程序 (25)5.4 报警程序 (26)5.5 PID控制的设计 (27)5.5.1 非线性PID设计 (28)5.5.2 仿真实验验证 (30)5.5.3 增量型PID (37)5.5.4 吊车系统数字PID的实现 (38)第6章总结 (40)参考文献 (41)致谢 (42)附录Ⅰ ............................................................................................... 错误!未定义书签。

吊车防摆的鲁棒PID控制系统设计

吊车防摆的鲁棒PID控制系统设计冯岷生;郭利进;叶宇翔【期刊名称】《计算机仿真》【年(卷),期】2014(000)005【摘要】龙门吊车利用绳索一类的柔性体代替刚体工作，以使得吊车的结构轻便，工作效率高。

但是，采用柔性体吊运也带来一些负面影响，存在吊车负载重物的摆动问题。

为了解决吊车负载重物的摆动问题，运用鲁棒控制理论分析设计出了一个双闭环的控制系统从而达到更好的稳定性能。

最后，通过参数设置进行仿真可知“鲁棒PID控制”的双闭环防摆控制系统是稳定的。

结果表明在绳长跟物重在一定的负荷要求范围内变动时，控制系统都能做出较快响应并能保证系统一定的稳定性，最终实现重物防摆的应用要求。

%Gantry crane uses flexible body such as ropes to replace the steel body so that the crane is lighter, and works more efficiently. However, the use of flexible body also brings some negative effects, one of which is the swing problem when the crane is lifting heavy objects. Based on robust control theory, a double closed control system is de-rived for Gantry crane system to achieve the better stability. The double closed system based on robust control theory is stabilized through the parameters setting and simulation. The control system can make a quick response and guarantee the stability of the system when the length and weight change within a certain load requirements. At last, the control system can carry out the application requirements of anti-swing.【总页数】5页(P250-254)【作者】冯岷生;郭利进;叶宇翔【作者单位】天津工业大学电气工程与自动化学院，天津300387;天津工业大学电气工程与自动化学院，天津300387;天津工业大学电气工程与自动化学院，天津300387【正文语种】中文【中图分类】TP391.9【相关文献】1.二级倒立摆的鲁棒建模及其鲁棒H∞最优控制 [J], 薛安克;王惠姣;王俊宏2.基于模糊自适应PID控制的吊车防摆定位系统 [J], 王建南;刘德君3.单神经元PID控制的吊车防摆定位系统 [J], 刘学军4.龙门吊车双闭环鲁棒PID控制 [J], 张博5.基于PID控制器的鲁棒自动飞行控制系统设计 [J], 苏彬;陈红英因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于变增益LQR的三维吊车防摆控制

参考文献/References：
[1]GARRIDO S，ABDERRAHIM M，GIMENEZ A，et al. Antiswinging input shaping control of an automatic construction crane[J]. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering，2008，5（3）：549557.
对于固定绳长的情况，吊车的数学模型为非线性时不变系统，这种情况的抗摆控制比较容易，相关的控制方法也有很多。文献[1]采用输入整形（Input Shaping）的控制方法来进行防摆控制；文献[2]讨论了模糊滑模控制在吊车防摆控制中的应用。此外，涉及到的控制方法还有反馈控制[34]，增益调度[5]，模糊控制[6]等等。马博军等提出一种基于能量分析的控制方法和一种基于台车运动规划的自适应控制策略，并对紧急情况下的制动控制器设计进行了深入研究[79]。焦辰辉采用基于变论域自适应模糊控制理论针对当前研究中存在的问题，结合模糊滑模控制与变论域自适应模糊控制理论设计了一种新的自适应模糊滑模控制器[10]，变论域自适应模糊控制的引入使得控制器结构简单、起重机的定位与防摆更加快速、准确且无超调，保证了控制系统对系统参数变化和外界干扰的强鲁棒性，并在仿真和实物实验上得到了验证。近来，人们对三维吊车的研究中新技术与高级算法的融合非常明显。比如文献[11]研究了基于传感空间三维定位技术的塔吊防撞监控系统的设计与实现；文献[12]提出了一种基于视觉的反馈控制方法；文献[13]提出了一种虚拟仿真器来训练塔吊司机，等等。此外，文献[14]中介绍控制器设计方法与文献[15]提出的仿真方法对三维吊车的控制器设计与仿真也具有一定的帮助和指导意义。
取状态变量x=[x，ψ，y，θ，，，，]T，因为系统的绳长随时间变化而变化的，所以可以得到三维吊车防摆控制系统的含时变参数[l（9）和式（10）可得三维吊车在平衡点的时变线性状态空间方程

一种起重机防摇控制方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810312577.4(22)申请日 2018.04.09(71)申请人东华大学地址 201620 上海市松江区松江新城人民北路2999号(72)发明人冯雪　任正云　范智平　(74)专利代理机构上海泰能知识产权代理事务所 31233代理人宋缨　钱文斌(51)Int.Cl.G05B 11/42(2006.01)(54)发明名称一种起重机防摇控制方法(57)摘要本发明涉及一种起重机防摇控制方法，采用欧拉-拉格朗日法则通过计算起重机系统能量从而得到起重机的动力学方程；采用PID-PID内外环控制方案，构造状态空间，之后将状态空间表达为状态方程和输出方程，最终通过极点配置的方式完成对摆角和位置的控制，或根据线性最优二次型控制原理，使系统在由初始状态转移到目标状态的同时，摆角和小车位置指标达到最优。

本发明能够符合工程的控制要求。

权利要求书1页说明书7页附图5页CN 108549209 A 2018.09.18C N 108549209A1.一种起重机防摇控制方法，其特征在于，采用欧拉-拉格朗日法则通过计算起重机系统能量从而得到起重机的动力学方程；采用PID -PID内外环控制方案，构造状态空间，之后将状态空间表达为状态方程和输出方程，最终通过极点配置的方式完成对摆角和位置的控制，或根据线性最优二次型控制原理，使系统在由初始状态转移到目标状态的同时，摆角和小车位置指标达到最优。

2.根据权利要求1所述的起重机防摇控制方法，其特征在于，所述起重机的动力学方程中摆角-受力传递函数为小车位置-摆角传递函数为其中，m 1为负载质量、m 2为小车质量、l为摆长、X为小车位置、θ为负载摆角、F为外界给小车的力、b为摩擦因数、I为转动惯量，s为S域算子，Δ＝[(m 1+m 2)(I+m 1l 2)-(m 1l)2]。

一种基于神经网络PID的桥式起重机防摇控制方法[发明专利]

专利名称：一种基于神经网络PID的桥式起重机防摇控制方法专利类型：发明专利
发明人：王大方,魏辉,徐泽绪,汪井威,汤志皓,蔡金逸
申请号：CN201711492808.6
申请日：20171230
公开号：CN108190751A
公开日：
20180622
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种基于神经网络PID的桥式起重机防摇控制方法，涉及桥式起重机领域，采用BP神经网络与传统PID控制相结合,采用神经网络作在线估计器，实时的给出最佳PID控制参数。

设计了角度神经网络PID控制器、位置神经网络PID控制器，对起重机吊物的摆角和位置进行控制。

同时针对起重机大车运行过程中由于负载扰动导致的两侧电机转速失衡，设计了一种电机转速同步控制器，用作转矩补偿。

本发明不仅能实现起重机的精确定位、消除吊物摆动，还能解决起重机运输过程中大车两电机转速不等导致的啃轨现象。

申请人：王大方
地址：264200 山东省威海市环翠区文化西路2号
国籍：CN
代理机构：威海科星专利事务所
代理人：宋立国
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起重机定位防摇摆闭环控制方法及系统

起重机定位防摇摆闭环控制方法及系统下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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模糊PID控制算法对起重机防摇控制效果的仿真分析

模糊PID控制算法对起重机防摇控制效果的仿真分析
石杨婷
【期刊名称】《现代工业经济和信息化》
【年(卷),期】2024(14)3
【摘要】为解决起重机在实际工程应用时由于吊重摆动所引发的作业效率降低和运行安全性隐患大的问题,在对其防摇控制原理分析的基础上,基于模糊控制算法得出PID控制器相对应的位移和摆角的模糊控制规则查询表,并基于MATLAB软件对自由停摆控制和模糊PID控制算法防摇控制下起重机的停摆过程进行仿真对比分析,充分得出模糊PID控制算法防摇控制的优势.
【总页数】3页(P110-112)
【作者】石杨婷
【作者单位】山西兴新安全生产技术服务有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TH215
【相关文献】
1.基于滑转率的拖拉机驱动防滑模糊PID控制算法仿真分析
2.高炉鼓风机防喘振模糊PID控制算法
3.基于滑转率的四轮驱动拖拉机防滑模糊控制算法仿真研究
4.基于模糊PID控制的直流电机控制算法仿真分析
5.改进模糊PID控制算法的起重机吊重消摆及行车定位控制系统
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龙门吊车重物防摆的鲁棒 PID 控制方案

¶T ( )¶x3
¶T ¶x3
=
-mgx2
sin
x3
-h x3
综合以上公式的系统的方程组为：
ì(m + m0 )x1 - mx2 sin x3 - mx2x3 cos x3 - 2mx2x3 cos x3 + mx2x3 sin x3 ïï+Dx1 = F1 íïmx2 - mx1 sin x3 - mx2x3 - mg cos x3 = F2 ïîmx22x3 + 2mx2x2x3 - mx1x2 cos x3 + mgx2 sin x3 +h x3 = 0
+ym2）
=
1 2
(m0
+
m) x12
+
1 2
m(
x22
+
x22
x32
-
2x1x2
sin
x3
-
2x1x2
x3
cos
x3
)
此系统的拉格朗日方程组为：
ìd
ï ï
dt
¶T () ¶x1
-
¶T ¶x1
=
F1
-
Dx1
ï d ¶T ¶T
í ï
dt
( )¶x2 ¶x2
=
F2
+ mg cos x3
ïd ï î dt
((u[7]-9.8*u[8]*u[3]*u[4]-u[8]*u[6]*u[5]*u[5]*u[3])/(u[9]+u[8] *u[3]*u[3]))*u(4)/u[6]-9.8*u[3]/u[6]
图 9 小车位置坐标 X 的值
图 10 重物摆角q
从中可以看出，在 1N 恒力作用下，负载不断的在q Î[0,x ]区间内摆动，小车的位置不断增加。这一结果符合前述的实验设计，故可以在一定程度上确认：该吊车系统的数学模型是有效的。

基于模型预测控制的桥式起重机荷载消摆控制研究

基于模型预测控制的桥式起重机荷载消摆控制研究桥式起重机是一种常见的工程机械设备，用于搬运重物。

在操作起重机时，由于吊钩和载荷之间的摆动，会对起重机的运动稳定性和负载能力产生负面影响。

为了提高起重机的运动稳定性和工作效率，需要对起重机的荷载消摆进行控制。

目前，常用的起重机荷载消摆控制方法主要有两种：PID控制和模型预测控制。

PID控制是一种通过调节控制器参数来实现系统稳定的经典控制方法，但是由于起重机的动态特性复杂，PID控制难以满足要求。

模型预测控制则是基于系统的动态模型，通过预测系统的未来状态来计算控制量，从而实现荷载消摆控制。

本文基于模型预测控制方法，以桥式起重机为研究对象，对其荷载消摆进行控制。

通过对起重机的动态建模，得到起重机的状态方程和输出方程。

然后，以荷载摆动角度和速度为状态变量，使用最小二乘法对系统进行参数辨识，得到起重机的数值模型。

接着，利用模型预测控制方法，根据当前状态和未来状态的预测值，计算并实施控制量，从而实现荷载消摆控制。

通过仿真实验对控制方法进行验证。

仿真结果表明，基于模型预测控制的桥式起重机荷载消摆控制方法具有较好的控制性能。

与传统的PID控制方法相比，模型预测控制方法能更准确地预测和控制起重机的荷载消摆，能够实现更快的响应和更稳定的控制效果。

该控制方法还能适应不同起重机参数和工况变化，具有较强的鲁棒性和适应性。

本文基于模型预测控制方法，针对桥式起重机的荷载消摆进行了研究。

通过仿真实验证实，该控制方法能够有效提高起重机的运动稳定性和工作效率，具有一定的工程应用价值。

未来的研究可以进一步优化控制算法，提高控制精度和鲁棒性，以适应更复杂的工况和要求。

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引用格式：郭瀛舟，郑建立．基于变增益ＰＩＤ控制的起重机防摇摆设计与仿真［Ｊ］．微型机与应用，２０１７，３６（１４）：１ — ３，１Ｏ．
Ｔｈｅａｎｔｉ — ｓｈａｋｅｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｍｏｔｉｏｎｓｔａｔｅｆｅｅｄｂａｃｋｃｏｎｔｒｏｌ
摘
要：以防摇系统装置的小车为控制对象，对防摇模型的相应受力情况进行分析，建立小车的动力学模型，设计了基于比例积
分微分（ＰＩＤ）和状态反馈的控制器。通过Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对模型系统进行了验证和仿真，得到ＰＩＤ的最优控制参数，最后通过编程，在
ＳｍａｒｔＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｅｃｕｒｉｔｙ
基于变增益ＰＩＤ控制的起重机防摇摆设计与仿真
郭瀛舟，郑建立
（东华大学信息科学与技术学院，上海２０１６２０）
ＧｕｏＹｉｎｇｚｈｏｕ，ＺｈｅｎｇＪｉａｎｌｉ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＤｏｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ，ｗｅｔａｋｅｔｈｅｃａｒｔｏｆａｎｔｉ－ｓｗｉｎｇｓｙｓｔｅｍｄｅｖｉｃｅａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｂｊｅｃｔ，ａｎａｌｙｚｅｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅａｎｔｉ — ｓｗｉｎｇｍｏｄｅｌ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｃａｒｔ，ａｎｄｄｅｓｉｇｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｉｎｔｅｇｒａｌｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ（ＰＩＤ）ａｎｄｓｔａｔｅｆｅｅｄｂａｃｋ．
近年来，国内外对防摇方法的研究日益增多，核心问题在于实现对起吊装置大、小车的定位以及对负载的防摇
０引言在集装箱运输业中，码头常见的起吊装置有桥吊、门
架、限位开关、寻参开关、导轨、摆锤、编码器等。
１．２模型建立
吊等设备。在装卸过程，由于自身及外界原因，集装箱难免会发生摇摆现象。为了提升安全性和装卸货物的效率，经常会给相应系统加装一个防摇控制器。ｔ．ｒ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｎｔｉ — ｓｈａｋｅｓｙｓｔｅｍ；ｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌ；ｓｔａｔｅｆｅｅｄｂａｃｋ
ＶｅｒｉｆｙｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｉｓｍｏｄｅｌｓｙｓｔｅｍｖｉａＳｉｍｕｌｉｎｋ，ｗｅｏｂｔａｉｎｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＰＩＤ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅｒｅａｌｉｚｅｔｈｅａｎｔｉ — ｓｗｉｎｇ
实际装置上实现了对小车的防摇控制。实验结果表明，变增益ＰＩＤ控制器能够实现小车的迅速消摆。
关键词：防摇系统；运动控制；系统模型；状态反馈
中图分类号：ＴＰ３９３
文献标识码：Ａ
ＤＯＩ：１０．１９３５８／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４ — ７７２０．２０１７．１４．００１
ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｃａｒｉｎｐａｒｔｉｃｕｌａｒｄｅｖｉｃｅｔｈｒｏｕｇｈｐｒｏｇｒａｍｉｎｇ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｖａｒｉａｂｌｅｇａｉｎＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｃａｎｒａｐｉｄｌｙｅｌｉｍｉ —