外文翻譯--三維橋式起重機(jī)的建模與控制 中文版【優(yōu)秀】.doc

美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)期刊動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)量與控制雜志1998年12月三維橋式起重機(jī)的建模與控制水源大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系Ho-HoonLee本文提出了一種新的三維橋式起重機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，它是基于新定義的雙自由度擺角建立的。此模型描述了起重機(jī)同時(shí)行進(jìn)橫動(dòng)和吊裝運(yùn)動(dòng)，以及由此產(chǎn)生的負(fù)荷擺動(dòng)。本文提出了一種能夠減弱震動(dòng)的反搖擺控制方案，此方案是建立在線性化動(dòng)態(tài)模型穩(wěn)定平衡的基礎(chǔ)上。這個(gè)方案不僅能夠保證迅速的阻尼負(fù)荷擺動(dòng)，而且能夠保證對(duì)起重機(jī)吊裝位置的精確控制，同時(shí)根據(jù)實(shí)際的行進(jìn)橫動(dòng)和緩慢的吊裝動(dòng)作來確定起重機(jī)的負(fù)荷量，并且本文給出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1.簡(jiǎn)介橋式起重機(jī)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)上運(yùn)輸重物。但是，起重機(jī)的加速需要運(yùn)動(dòng)，這總是會(huì)引起不良負(fù)荷擺動(dòng)，通常加速度越大誘發(fā)的負(fù)荷擺動(dòng)越大。負(fù)載的升起也往往使負(fù)荷擺動(dòng)更嚴(yán)重。這些不可避免的負(fù)荷擺動(dòng)經(jīng)常造成效率下降，負(fù)荷損失，甚至發(fā)生意外。為安全起見，橋式起重機(jī)工作時(shí)，通常要使其負(fù)載的懸掛位置高于任何可能的障礙，并使其起重臂的長(zhǎng)度保持不變或緩慢變化?？茖W(xué)家嘗試了各種方式來控制負(fù)荷擺動(dòng)。起重機(jī)系統(tǒng)的輸入量本質(zhì)上小于系統(tǒng)的產(chǎn)出量，這使得相關(guān)的控制問題復(fù)雜化。起重機(jī)的控制包括對(duì)起重機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制，對(duì)負(fù)載提升的控制以及對(duì)負(fù)荷擺動(dòng)的抑制。米塔和金井（1979）解決了一個(gè)最小時(shí)間控制的問題，這個(gè)問題是關(guān)于在加速的開始和結(jié)束時(shí)完全空載的情況下，起重機(jī)速度分布圖的混亂。Ohnishi(1981)等人提出：控制是否穩(wěn)定取決于負(fù)載的擺動(dòng)力。Starr(1985)提出來一種開環(huán)控制運(yùn)算法，這種算法的要求是初始的載荷擺動(dòng)須為零。Ridout(1987)設(shè)計(jì)了一種反饋控制法，這種控制法來源于根軌跡法。Yu(1995)等人提出非線性控制運(yùn)算法，它建立在一種特殊擾動(dòng)方法的基礎(chǔ)上，這種方法只有在負(fù)載量遠(yuǎn)大于起重機(jī)質(zhì)量時(shí)才有效。Moustafa和Abou-El-Yazid(1996)討論了起重機(jī)提升重物時(shí)，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。Lee等人(1997)提出反搖擺控制法，這種方法既保證了負(fù)荷擺動(dòng)的快速減弱，又保證了對(duì)起重機(jī)位置的精確控制。所有上述研究的重點(diǎn)是對(duì)二維橋式起重機(jī)的控制，這種起重機(jī)只能進(jìn)行行走和升起動(dòng)作。然而，在大多數(shù)工廠和倉庫，三維橋式起重機(jī)更為常用。Moustafa和Ebeid(1988)創(chuàng)造了一種三維橋式起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，這種模型建立在球面坐標(biāo)（Meirovitch，1970年和格林伍德，1988年）基礎(chǔ)上。然后他們?cè)O(shè)計(jì)了一種依靠起重機(jī)軌跡來控制的方法，這種方法是以依照預(yù)期軌跡設(shè)計(jì)的動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)。其線性模型是相互聯(lián)系的，并且它的參數(shù)取決于起重機(jī)的軌跡，這讓與控制有關(guān)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用變得復(fù)雜。這些控制只是為了抑制負(fù)荷擺動(dòng)，因此，這些控制在起重機(jī)的工作中造成了很多的位置誤差。文中提出了對(duì)三維橋式起重機(jī)的建模及控制的實(shí)際解決方案，文章還全面講述了在建模與控制中的負(fù)荷擺動(dòng)，升起動(dòng)作及負(fù)載起重問題。首先，文中精確的解釋了與起重機(jī)行走相關(guān)的新雙向自由擺角問題，以及三維橋式起重機(jī)的Z軸。然后文章提出了一個(gè)關(guān)于起重機(jī)的新的非線性動(dòng)態(tài)模型，這個(gè)模型以新的擺角為基礎(chǔ)，它就相當(dāng)于一個(gè)具有最靈活風(fēng)格的三環(huán)節(jié)機(jī)器人。其次，這個(gè)新的動(dòng)態(tài)模型圍繞豎直方向的穩(wěn)定平衡來進(jìn)行線性化。然后由此產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)模型是與起重機(jī)的行走與橫動(dòng)相互均衡的，并且模型的參數(shù)與起重機(jī)的軌跡無關(guān)，值得關(guān)注的是，這使得控制問題簡(jiǎn)單化。根據(jù)這個(gè)結(jié)論，文章提出了一個(gè)新的減弱反擺角控制方案，此方案保證了對(duì)起重機(jī)位置及重物升起的精確控制，還保證了負(fù)載擺動(dòng)的快速減弱，這是起重機(jī)運(yùn)行，穿越和緩慢起重動(dòng)作的實(shí)例。文章的其余安排如下。第二部分要說明的是，三維橋式起重機(jī)的非線性動(dòng)態(tài)模型是建立在新的雙向自由度旋角之上。第三部分的說明中，非線性動(dòng)態(tài)模型被線性化了，然后文中通過開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行修正，依靠根軌跡設(shè)計(jì)了一個(gè)新的減弱反擺動(dòng)控制方案，并得到了程序控制的方法。第四部分中，這個(gè)減弱控制方案致力于對(duì)三維橋式起重機(jī)原型的性能評(píng)估。第五部分，這項(xiàng)研究得到一些結(jié)論。2.三維橋式起重機(jī)的建模2.1廣義坐標(biāo)的定義圖1表示三維橋式起重機(jī)及其負(fù)載的坐標(biāo)系。坐標(biāo)系中XYZ軸是固定的，XjYjZr是坐標(biāo)系中隨著起重機(jī)移動(dòng)的點(diǎn)。這個(gè)移動(dòng)的坐標(biāo)系的起點(diǎn)是固定坐標(biāo)系中的(x,y,0)點(diǎn)。移動(dòng)坐標(biāo)系的每一個(gè)軸都與固定坐標(biāo)系中相對(duì)應(yīng)的軸平行。Yr被定義為沿著起重機(jī)的梁，但它在圖中沒有表示出來。這個(gè)點(diǎn)沿著梁向Y方向移動(dòng)，并且梁和Y軸是向X方向移動(dòng)的。是負(fù)載在空間任意方向上的旋角，它一共有兩個(gè)部分：x和y，x是在XZ平面預(yù)計(jì)的旋角，而y是在XZ平面測(cè)量出來的旋角。Trolley：起重機(jī)load：重物圖1：三維橋式起重機(jī)的坐標(biāo)系負(fù)載在固定坐標(biāo)系中的位置由方程（1）（2）（3）決定：其中L指繩子的長(zhǎng)度。本次研究的目的是控制起重機(jī)和負(fù)載的運(yùn)動(dòng)，因此X,Y,L,x和y是由描述此運(yùn)動(dòng)的廣義坐標(biāo)系確定的。2.2三維橋式起重機(jī)的動(dòng)態(tài)模型在這個(gè)部分，起重機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程是利用拉格朗日方程推到出來的(Meirovitch,1970)。在本項(xiàng)研究中，負(fù)載被認(rèn)為是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)群，而繩子的質(zhì)量和硬度是忽略的。K是起重機(jī)和負(fù)載的動(dòng)能，而P是負(fù)載的勢(shì)能，有以下方程：其