论文总字数：22451字

摘 要

起重机是一种用来吊运大重量货物的机器，极大的减轻了人力劳动，使得货物的快速搬运问题得到了有效解决，使用场所主要集中在机械工厂、仓库、货运码头等场所。而起重机工作时，负载因为起重机小车或大车的加减速而产生来回摆动，这对高效的生产作业带来的非常大的影响，而且也给生产活动造成了巨大的安全隐患。就是因为这些原因，起重机消摆的控制研究越来越得到大家的重视。

本文通过对桥式起重机工作原理研究，将桥式起重机系统看做成一个双摆系统，运用拉格朗日运动学方程建模机制，对起重机进行了拉格朗日力学建模。这之后，针对实际生活中的操作规律，提出起重机模型线性化地方法。

接着通过PID控制，对线性化后的起重机模型构建了控制器。通过仿真，PID控制对线性化后的模型的控制效果也不太理想，仅仅是能够初步实现控制目的。而且真实的情况是，起重机负载系统非线性的特点非常强，加上又会受到许多未知因素的干扰，所建模型很难达到精确，因此传统PID控制方法具有一定的局限性。为了解决PID控制所遇到的问题，考虑到桥式起重机系统的非线性特点，结合滑模变结构控制鲁棒性好，参数变化不敏感等优点，利用滑模控制对桥式起重机进行消摆控制，并完成了滑模控制器的设计。然后利用Matlab进行仿真实验，初步得出了滑模控制要优于PID控制的结论。

在文章的末尾总结了研究进展，并对未来研究方向进行了展望！

关键词：桥式起重机 双摆 PID控制 滑模控制 消摆

Anti sway control of double pendulum overhead traveling crane based on sliding mode control

Abstract

The crane is a machine used for lifting the weight of goods, greatly reducing the human labor, the rapid transportation of goods has been effectively resolved, used mainly in machinery factory, warehouse, wharf and other places. And when the crane works, load for crane car or cart deceleration and back and forth the swing, efficient operation has very big effect, but also caused a huge risk to the safe production. Because of these reasons, crane anti pendulum control research more and more attention.

In this paper, through the research on the working principle of bridge crane, bridge crane system will be viewed as a double pendulum system, using Lagrange kinematics modeling mechanism of crane Lagrange mechanics modeling. After that, according to the operating rules in real life, the crane model linearization method.

Then through the PID control of the crane, the linearized model constructed controller. Through the simulation, PID control of the linear model is not ideal, only can realize the purpose of control. But the truth is that the nonlinear characteristics of the crane load system is very strong, and will be disturbed many unknown factors, the model is difficult to achieve accurate, so the traditional PID control method has some limitations. In order to solve the PID control problems, considering the nonlinear characteristics of the bridge crane system, combining sliding mode variable structure control has good robustness, not sensitive to parameter variations. The sliding mode control of bridge crane is carried out, and the design of sliding mode controller is completed. Then, the simulation experiment is carried out by using Matlab. The conclusion of sliding mode control is better than that of PID control.

Finally, the thesis is summarized and the future research directions are prospected!

Key Words: overhead traveling crane, double pendulum, PID control, sliding mode control, pendulum suppression

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 应用背景 1

1.2 研究现状 3

1.3 本文的主要工作 3

第二章 双摆桥式起重机数学模型的建立 5

2.1 起重机系统物理模型的介绍 5

2.2 拉格朗日方程的特点 5

2.3 数学模型的建立 6

2.4 本章小结 10

第三章 PID控制器设计 11

3.1 PID控制器介绍 11

3.2 桥式起重机消摆系统的Simulink模型 12

3.3 PID控制器的参数整定及仿真 14

3.4 仿真结果与分析 16

3.4.1 PID控制仿真与分析 16

3.4.2 控制器消摆效果对比与分析 18

3.5 本章小结 21

第四章 滑模控制器设计 22

4.1 滑模变结构控制器的理论基础 22

4.2 滑模控制器方案设计 24

4.2.1 起重机消摆滑模控制分析 24

4.2.2 稳定性分析 25

4.3 仿真研究与分析 28

4.3.1 滑模控制仿真与分析 28

4.3.2 控制器消摆效果对比与分析 29

4.4 本章小结 32

第五章 结论与展望 34

5.1 全文总结 34

5.2 研究展望 34

参考文献 36

致谢 38

第一章 绪论

1.1 应用背景

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