外文翻譯--三維橋式起重機的建模與控制 中文版【優(yōu)秀】.doc

美國機械工程師協(xié)會期刊動力系統(tǒng)測量與控制雜志1998年12月三維橋式起重機的建模與控制水源大學機械工程學系Ho-HoonLee本文提出了一種新的三維橋式起重機動力學模型，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同時行進橫動和吊裝運動，以及由此產生的負荷擺動。本文提出了一種能夠減弱震動的反搖擺控制方案，此方案是建立在線性化動態(tài)模型穩(wěn)定平衡的基礎上。這個方案不僅能夠保證迅速的阻尼負荷擺動，而且能夠保證對起重機吊裝位置的精確控制，同時根據實際的行進橫動和緩慢的吊裝動作來確定起重機的負荷量，并且本文給出了實驗驗證。1.簡介橋式起重機被廣泛應用于工業(yè)上運輸重物。但是，起重機的加速需要運動，這總是會引起不良負荷擺動，通常加速度越大誘發(fā)的負荷擺動越大。負載的升起也往往使負荷擺動更嚴重。這些不可避免的負荷擺動經常造成效率下降，負荷損失，甚至發(fā)生意外。為安全起見，橋式起重機工作時，通常要使其負載的懸掛位置高于任何可能的障礙，并使其起重臂的長度保持不變或緩慢變化。科學家嘗試了各種方式來控制負荷擺動。起重機系統(tǒng)的輸入量本質上小于系統(tǒng)的產出量，這使得相關的控制問題復雜化。起重機的控制包括對起重機運動的控制，對負載提升的控制以及對負荷擺動的抑制。米塔和金井（1979）解決了一個最小時間控制的問題，這個問題是關于在加速的開始和結束時完全空載的情況下，起重機速度分布圖的混亂。Ohnishi(1981)等人提出：控制是否穩(wěn)定取決于負載的擺動力。Starr(1985)提出來一種開環(huán)控制運算法，這種算法的要求是初始的載荷擺動須為零。Ridout(1987)設計了一種反饋控制法，這種控制法來源于根軌跡法。Yu(1995)等人提出非線性控制運算法，它建立在一種特殊擾動方法的基礎上，這種方法只有在負載量遠大于起重機質量時才有效。Moustafa和Abou-El-Yazid(1996)討論了起重機提升重物時，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荷擺動的快速減弱，又保證了對起重機位置的精確控制。所有上述研究的重點是對二維橋式起重機的控制，這種起重機只能進行行走和升起動作。然而，在大多數工廠和倉庫，三維橋式起重機更為常用。Moustafa和Ebeid(1988)創(chuàng)造了一種三維橋式起重機的動力學模型，這種模型建立在球面坐標（Meirovitch，1970年和格林伍德，1988年）基礎上。然后他們設計了一種依靠起重機軌跡來控制的方法，這種方法是以依照預期軌跡設計的動力學模型為基礎。其線性模型是相互聯系的，并且它的參數取決于起重機的軌跡，這讓與控制有關的設計和應用變得復雜。這些控制只是為了抑制負荷擺動，因此，這些控制在起重機的工作中造成了很多的位置誤差。文中提出了對三維橋式起重機的建模及控制的實際解決方案，文章還全面講述了在建模與控制中的負荷擺動，升起動作及負載起重問題。首先，文中精確的解釋了與起重機行走相關的新雙向自由擺角問題，以及三維橋式起重機的Z軸。然后文章提出了一個關于起重機的新的非線性動態(tài)模型，這個模型以新的擺角為基礎，它就相當于一個具有最靈活風格的三環(huán)節(jié)機器人。其次，這個新的動態(tài)模型圍繞豎直方向的穩(wěn)定平衡來進行線性化。然后由此產生的動態(tài)模型是與起重機的行走與橫動相互均衡的，并且模型的參數與起重機的軌跡無關，值得關注的是，這使得控制問題簡單化。根據這個結論，文章提出了一個新的減弱反擺角控制方案，此方案保證了對起重機位置及重物升起的精確控制，還保證了負載擺動的快速減弱，這是起重機運行，穿越和緩慢起重動作的實例。文章的其余安排如下。第二部分要說明的是，三維橋式起重機的非線性動態(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，非線性動態(tài)模型被線性化了，然后文中通過開環(huán)系統(tǒng)進行修正，依靠根軌跡設計了一個新的減弱反擺動控制方案，并得到了程序控制的方法。第四部分中，這個減弱控制方案致力于對三維橋式起重機原型的性能評估。第五部分，這項研究得到一些結論。2.三維橋式起重機的建模2.1廣義坐標的定義圖1表示三維橋式起重機及其負載的坐標系。坐標系中XYZ軸是固定的，XjYjZr是坐標系中隨著起重機移動的點。這個移動的坐標系的起點是固定坐標系中的(x,y,0)點。移動坐標系的每一個軸都與固定坐標系中相對應的軸平行。Yr被定義為沿著起重機的梁，但它在圖中沒有表示出來。這個點沿著梁向Y方向移動，并且梁和Y軸是向X方向移動的。是負載在空間任意方向上的旋角，它一共有兩個部分：x和y，x是在XZ平面預計的旋角，而y是在XZ平面測量出來的旋角。Trolley：起重機load：重物圖1：三維橋式起重機的坐標系負載在固定坐標系中的位置由方程（1）（2）（3）決定：其中L指繩子的長度。本次研究的目的是控制起重機和負載的運動，因此X,Y,L,x和y是由描述此運動的廣義坐標系確定的。2.2三維橋式起重機的動態(tài)模型在這個部分，起重機系統(tǒng)的運動方程是利用拉格朗日方程推到出來的(Meirovitch,1970)。在本項研究中，負載被認為是一個質點群，而繩子的質量和硬度是忽略的。K是起重機和負載的動能，而P是負載的勢能，有以下方程：其