物料吊运装备状态在线监测系统设计开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

桥式起重机因为能够快速搬运重物，能够大幅度增加工厂及码头运行效率，在工业界被广泛应用。其一般由桥架（又称大车）、大车移行机构、装有提升机构的小车、操纵室、电气系统等部分组成。其中提成机构包括电动机，减速器，制动器，吊钩，用于直接吊起重物[1]。起重机运行过程往往会引起重物沿吊索振荡，不仅会影响搬运效率，也有可能产生危险。因此，对起重机的运动实施控制以尽可能减少搬运的重物的振荡是十分有必要的。在起重机控制中，起重机一般可被视作倒立摆。起重机的控制也就演变成对倒立摆的优化问题[2]。传统起重机控制一般只将电机的输出转矩纳入模型，忽略风力及其他阻力的影响。然而码头作为起重机的常见应用场景，往往具有十分强劲的风力。这些风力作用在负载上，产生的阻力会对负载的动力学模型会有严重的干扰[3]。忽略风力对于负载的影响会严重影响系统的鲁棒性。传统的阵风一般作用时间为两分钟[4]。在起重机单次运行时间内，风速可以被近似视为恒定。如果在起重机开始工作时，监测风速，并利用已有的风载模型将风速的影响纳入到起重机模型中，无疑能够增加系统的鲁棒性，更好的进行对于起重机防摆的控制，从而大幅度提高起重机的效率。

overhead crane is a widely used delivery machine in industry. it can deliver heavy objects in a quick speed to increase the efficiency of factories and ports.it normally consists of a bridge, trolley movement mechanism, trolley with a lifting mechanism, operating chamber and electrical system. the lifting mechanism includes a motor, a brake, and a hook for directly lifting a heavy object[1]. during the lifting process, the lifting object might sway along the moving cart. this will not only influence the delivery efficiency, but also cause some jeopardy. therefore, it is very necessary to have some control mechanisms for crane in order to decrease the sway as much as possible. for crane control, crane could be regarded as an inverted pendulum[2]. thus, the control of crane could be simplified to the optimization problem of inverted pendulum. the conventional control of overhead crane has only considered the inertia of the system and output momentum of motor. the wind disturbance and other friction force was ignored. however, port, as the comments scene for overhead crane, could have very strong wind for the most time. these disturbances working on the model would have severe negative influence[3]. omitting these disturbances could dramatically decrease the robustness of the system and cause some undesired consequence. normally most gaffs would exist for two minutes[4]. and during its action time, the wind speed could be approximately regarded as constant. it could increase the robustness of our system if wind speed is monitored and then put into the control model by existing wind load model when the trolley start moving. the efficiency of the crane would be improved by that.

2. 研究的基本内容与方案

2.国内外研究现状1876年，萨普森摩尔（sampson moore)在英国伦敦为了运送枪支，发明了世界上第一个桥式起重机。1960年罗博基（roberge)在他的本科毕业论文中首次进行了倒立摆的研究，这可以看作是起重机控制研究的雏形[5]。2003年voisin等人开始用风洞研究大风对于起重机的影响[6]。同年，smolders等人开始尝试利用闭环控制以减少起重机的负载的振荡问题[7]。2012年，young-yeol choo提出了一种实时测量起重机风速用于提高起重机稳定性和安全性的系统,不过该系统更着重于研究设备之间的通信以预警风速的危险，而非利用控制手段[8]。2017年irandi gutierrez 等人提出将吊索改为双线控制以提高吊运的稳定性，相较于传统的单线提成机构，双线能够有效降低负载的摆动[9]。2018年auwalu等人设计了一种自适应式基于输出的输入整形器用以解决起重机提升负载时风力的影响，与传统输入整形器只能作用于固定系统不同，该系统可以利用在线系统自适应不同的起重机系统[10]。同年sevenja otto等人提出了一种利用伺服控制的方法控制桥式起重机的实时轨迹[11]。我国进行起重机的防摆控制的研究也很早就开始进行了。2005年中交四航局二公司的顾汝基就开始研究起重机的抗风稳定问题,该研究得出了完整的起重机的风载模型[12]。2006年，上海交通大学的王晓军提出了一种合了鲁棒输入整形技术以及线形二次型调节器 (lqr)的技术，减小起重机负载的瞬时振荡, 从而保障起重机的安全作业[13]。2011年西南交通大学的王少华提出了用梯形速度变换以消除起重机由于风载引起的吊重摆动的方法，该方法针对桥式起重机工作过程中由于偏吊、风载或控制不当引起的 2 阶段加减速法无法消除的吊重摆动十分有效[14]。2012年第二炮兵工程大学的杜文正开展了基于模糊自适应pid控制器的桥式起重机定位与防摆控制的研究以自动控制风力对起重机的影响[15]。2019年太原科技大学胡富元等人提出了一种利用基于微分平坦理论的基于模型预测算法的消摆控制方法，该方法能够兼顾起重机台车的快速定位于负载摆角[16]。3.研究的基本内容、拟采用的技术方案及措施3.1主要研究内容通过对已有的港口重物的风载模型进行分析，可以得到风速与起重机负载受到的风力的关系。再通过拉格朗日力学对起重机系统进行受力分析，得到将风速纳入到起重机系统的数学模型。利用线性二次型最优控制原理找到最优的反馈系数从而建立最适合的负载摆动控制模型。模型建立后通过simulink软件对起重机进行仿真，分别对考虑与未考虑风载的起重机模型进行线性二次型最优控制，然后对仿真结果进行分析，比较考虑风载时的模型的优劣。最后利用实际的起重机在模拟港口风载环境的情况下比较新模型在实际工作情况的表现。3.2技术方案及措施（1）了解线形二次型最优控制原理并熟悉常见起重机的负载摆动控制模型。（2）了解港口起重机的风载荷模型并将其纳入到起重机的控制模型。（3）了解并熟悉simulink的使用，并在simulink中构建起重机模型。（4）利用simulink获得仿真数据，并对结果进行分析，

（5）利用真实起重机并模拟港口风载环境得到新模型在实际工作情况的表现，并对结果进行分析。

3. 研究计划与安排

4.进度安排根据设计的情况来安排设计进度如下：(1)7学期第9周：毕业设计动员会，开始毕业设计选题。(2)7学期第18-19周：校外实习、校外资料收集、完成实习报告。(3)7学期第20周： 确定毕业设计选题、毕业设计任务书(相关参数)、校内资料收集。(4)8学期第1周：方案构思、文献检索、完成开题报告。(5)8学期第2-3周：外文翻译、资料再收集。(6)8学期第4-6周：模型搭建、草图绘制、simulink编程、控制基础学习。(7)8学期第7-9周：图样绘制、编写设计计算说明书（论文）、预答辩。(8)8学期第10-12周：图样及设计计算说明书整理、资料袋整理，答辩资格审查。(9)8学期第13周：学生提出答辩申请，并作答辩准备；教师审阅图纸、说明书。(10)8学期14-15周：参加答辩、推荐省优。

semester 7, week 19~20 determine the topic of graduation design, improve the task book of graduation design (related parameters), and the collection of school dataweek1 project conception, document retrieval, completion of opening reportweek 2~3 extracurricular practice, extracurricular data collection, foreign language translation and data re-collectionweek 4～6 build crane dynamics model, study control strategy and control algorithm, sketch drawingweek 7～9 drawing drawings, compiling design calculation instructions (papers).week 10～12 drawing and design calculation instructions collation, data collection, defense qualification examination, printing materialsweek 13 students apply for a defense and prepare for it. teachers review drawings and instructions.week 14～15 participate in thesis defense

4. 参考文献（12篇以上）

addin mendeleybibliography csl_bibliography [1]张炜, 李向东. 桥式起重机模块化设计及功能拓展[j].设计计算， 2019(09): 62–63.

[2]余洪锋, 张欢, 丁永前等. 基于通用控制器和matlab的倒立摆实验平台的构建[j]. 高校实验室工作研究,2017(03):69–73.

[3]张明海, 薛金荣. 岸边集装箱起重机在工作状态下抗风的探讨[j]. 起重运输机械, 2011(11): 89–92.