文档介绍：基于非线性PID的吊车防摆控制方法研究
刘 通,高兴泉*
（信息与控制工程学院,自动050１班）
摘要:针对非线性、变参数、强耦合的桥式吊车水平运动过程，采用非线性PＩD控制器(即PＩD参数随跟踪误差的变化而变化)对吊车系统进行防摆和定位控制．仿真结果表明非线性PID控制器可以消除跟踪静差,缩短响应时间,提高闭环系统的抗干扰能力．
关键词：桥式吊车;防摆;非线性ＰIＤ
０ 引 言
以往，消除吊车摆动的方法多是利用吊车司机的操作经验。这种方式下不但操作人员的劳动强度大，而且人工控制方式精度差、效率低,已经远远不能满足现代生产、运输的需要。为此，电子防摇技术的研究越来越得到研究者的重视。由于吊车系统是一个非常复杂的系统，定位控制和摆角控制相互影响，且在工作过程中绳长和吊物质量是变化的，这将影响到吊车系统快速消摆和精确定位等控制目标的实现。
传统的PID控制很难满足控制精度的要求，本文提出了基于非线性ＰＩD的控制方案。仿真实验结果表明：该控制方案可以消除系统静差,缩短系统响应时间，抗干扰能力强.
1 吊车系统数学模型的建立
为了分析其本质，对吊车系统做简化处理,给出如下假设：
（1)对于桥式吊车系统，由于吊车在进行装卸作业时，大车一般处于静止状态,故建立系统动力学模型时，可不考虑大车运动;
(2)吊物只在垂直于水平面的平面内运动且不计风力和空气阻尼;
（３）钢丝绳的质量相对于吊物的质量可以忽略不计且其长度变化也忽略不计。
基于上面的假设,吊车系统的力学简化模型如图１所示。
图1 吊车系统的力学简化模型
＊指导教师:高兴泉（1976—)，男,吉林松原人,吉林化工学院副教授,主要研究方向：非线性系统控制，:。
取系统的状态变量为：小车的位置及速度,重物的摆角及摆角变化率；控制量为外力。则系统的状态变量、输入变量和输出变量可记为：,,.根据理论力学的相关原理，运用拉格朗日方程可得到桥式吊车水平运动过程的状态空间表达式为:
ﻩﻩﻩ ﻩ (1）
式中：为小车的位置,为重物的摆角,是小车行走电机的水平拉力,为小车的质量，为重物的质量,为绳索的长度,为重力加速度，为小车与水平轨道的摩擦阻尼系数。
由系统的动态方程可见:桥式吊车水平运动系统是一个非线性、强耦合、变参数的复杂对象．
2 吊车系统仿真实验模型的建立
针对式（1)所描述的桥式吊车水平运动系统，运用MAＴLAＢ／Simulinｋ中的相应模块搭建吊车系统的仿真实验模型,如图2所示。
图2 桥式吊车运动系统的仿真实验模型框图
３ 非线性PIＤ控制器的设计
设一个一般系统的阶跃响应曲线如图3所示，采用该曲线可以分析非线性ＰID控制器增益参数的构造思想。
图3 一般系统的阶跃响应曲线
非线性ＰＩD控制器的设计原理如下:
(1）比例参数增益:在响应时间段，为保证系统有较快的响应速度，比例增益参数在初始时应较大,同时为了减小超调量，希望误差逐渐减小时，比例增益也随之减小；在段，为了增大反向控制作用,减小超调,期望逐渐增大；在段，为了使系统尽快回到稳定点，并不再产生大的惯性，期望逐渐减小;在段,期望逐渐增大，,按上述变化规律，随误差变化的大致形状如图4。17所示,根