集装箱门式起重机防摇摆多工况动力学仿真

作     者：董杰恒 

作者单位：太原科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：秦义校

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：集装箱门式起重机 防摇摆控制 拉格朗日方程 滑模变结构控制 李雅普诺夫稳定性理论 动力学仿真 

摘      要：集装箱门式起重机作为物流运输的一种重要大型工程机械设备,广泛应用于港口国际贸易行业。相比一般门式起重机,其具有更大的大小车运行速度,而由于起重小车与被吊物间的柔性连接方式,有效载荷无法做到全约束,进而会导致其在工作中产生较大的摆动角度。过度的负载摆动会增大货物损坏的风险以及对周围环境、工作人员的安全隐患。此外被吊物的摆动时间越久,集装箱搬运作业效率就越低,从而会大大降低产量,统计数据表明,传统的对接设备在固定负载上需占用超过30%的总作业时间。为了保障作业安全性,提升作业效率,推动作业流程的自动化、智能化,针对集装箱门式起重机的防摇摆控制是一个重要且具有实际意义的工程问题。 本文在充分调查了起重机防摇摆国内外研究现状后,以40.5t集装箱门式起重机作为研究对象,进行了防摇摆控制方法研究,主要研究内容如下: (1)通过ADAMS仿真发现集装箱门式起重机在作业时货物摆动主要发生在小车运行方向,而研究发现传统的起重机二维单摆或双摆模型并不能很好反应研究对象的运动学特性。因此针对集装箱门机利用力学分析方法建立小车运行平面内二维动力学方程,并证明了系统的可控性。给出了小车位移跟踪函数以及系统物理参数。 (2)由于传统滑模控制(SMC)对于起重机欠驱动系统的控制效果不理想,因此利用非线性闭环控制的滑模控制理论建立了结合一种新型分数阶趋近律的改进分层滑模控制器(HSMC),仿真结果表明该方法在控制小车以误差不大于0.06m精准跟踪轨迹的同时能在小车到达预定位置后被吊物的残余摆角和姿态俯仰角均不大于0.1°,证明该方法是针对研究对象的最佳防摇摆控制策略。 (3)提出了一种基于RBF神经网络的自适应鲁棒滑模控制(ARSMC)。该控制器最大特点为去模型化,即无需模型具体参数仅依靠需反馈信号进行自适应控制,且该控制方法由于其特性对于外界扰动以及系统参数不确定性都有着很好的自适应性。但由于其存在逼近过程,因此收敛速度要略差于改进HSMC。 (4)以被吊物的重量以及钢丝绳绳长作为两组控制变量,建立出八种工况对两种方法进行仿真,仿真结果证明了两种方法都具有很好的鲁棒性。此外通过ADAMS的虚拟样机模拟真实集装箱门机的小车运动过程,建立出联合仿真平台进行验证,虽然在运行过程中角度摆动情况存在一些差异,但仍可较为精准定位小车位置,并使残余摆角降到最低。 (5)设计了集装箱门式起重机防摇摆系统实验,根据设计思路搭建了试验台的机械系统以及控制系统。经过实验与仿真对比以及不同工况的实验,结果证明了本文所建立二维集装箱门式起重机动力学系统的正确性以及所提防摇摆控制方法的有效性。