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安全高效自動操作橋式吊車系統

項目成果/簡介:本項目開發了一套 32 噸級工業自動吊車系統，相關技術處于國際領先地位。本展品可使吊車運送效率比當前主流方法提高 77%以上，行程 6 米時，最大定位誤差不超過 5 毫米，精度非常高。同時，本展品可確保事故率降低 50%以上，使操作人員工作效率提高 2-3 倍。本展品已在天津起重設備有限公司生產的吊車上進行了大量的推廣應用。這項成果符合《中國制造 2025》的戰略目標，具有非常顯著的經濟效益。它定位精度高，有助于實現核廢料運送與處理等操作。無人式的操作方式可以使橋式吊車在各種危險環境下作業，從而進一步拓寬了其工作范圍，在先進制造行業產生了非常積極的影響。這項成果在創新性方面處國際領先水平。在吊車控制方面，國際上近 5 年來引用數排名前十名的論文中，這項成果占到 4 篇；成果第一完成人方勇純教授應邀前往波蘭華沙參加第 11 屆機器人運動與控制研討會并做大會報告（其他三位大會報告人分別來自美國，法國，葡萄牙）。2016 年，成果入選國家自然科學基金委資助項目優秀成果選編（六），信息科學部 5 年共入選成果 25 項，其它入選成果的第一完成人分別為高文院士，楊學軍院士，錢鋒院士，房建成院士，郝躍院士等著名專家。應用范圍:吊車是應用領域最廣的設備之一，我國在基礎設施建設上的持續投入，為吊車類起重機械的蓬勃發展提供了非常好的機會。隨著產業轉型升級和戰略性新興產業發展，智能起重機是起重機行業的大勢所趨，也是當前智能制造業的迫切需求。具體體現在：（1）新興產業促使起重機趨向大噸位、高效率、自動化、智能化及多用途方向發展。（2）用戶對起重機性能的要求不斷提高，為此必須借助于新興的智能技術來研制智能型起重機。（3）隨著全球經濟一體化，制造企業需要借助于智能起重機來提升裝配水平和生產效率，增強在國際市場的競爭力。本自動化吊車可以為地方經濟和社會發展注入活力，可望形成重要的產業基地。主要體現在：（1）本自動吊車科技水平高，可以提高相關制造業的技術水平和產品競爭力。（2）本自動吊車本身及衍生產業可以提供就業機會，緩解社會壓力。（3）本自動吊車主要用于具有智能化生產流程的核電、碼頭、建筑行業等，可帶動上下游企業的發展。（4）本自動吊車具有良好的市場前景，更便于帶動產業的發展，在實施地區可形成重要的產業基地。效益分析:特色 1：本展品的自動化吊車包括機械部分與電氣部分，還開發了吊車自動控制軟件系統。具體而言，為了實現高性能自動控制，提高實時性，設計了基于 DSP 的多軸控制板。手/自動操作可由遙控器上三個按鈕進行設置，DSP 可以實時監測對應的三路信號來判斷吊車的手/自動狀態，以便在變頻器操作模式無變化的情況下，通過 PLC實現吊車手/自動控制狀態的平滑切換，自動模式由 DSP 提供控制信號，手動模式由單片機提供。特色 2：建模、軌跡規劃、跟蹤及自動快速消擺技術。提出了一種精確的多吊繩吊車模型與一種基于魚群行為的 RNA 遺傳算法的建模方法。可更為準確地刻畫實際工業吊車特性，為后續控制方法設計與分析奠定堅實的基礎。提出了多種便于臺車跟蹤的自動消擺軌跡，簡單易行，效果良好。此外，提出了一種增強耦合非線性消擺控制技術、一種魯棒滑模控制方法以及一種考慮軌道約束的自適應消擺控制技術，能充分考慮外界干擾與未建模動態的干擾，取得良好的防擺與定位控制效果。此外，考慮吊車執行器的飽和約束、部分信號不可測量等實際問題，還設計并提出了一系列行之有效的自動控制方法。特色 3：運動體檢測與三維場景重建技術。具體而言，項目組搭建了一種彩色點云獲取設備，可以準確獲取實際工況下帶有顏色信息的三維點云。提出了一種三維的正態分布變換算法，在實際應用中取得了穩定有效的結果。為防止橋式吊車現場危險事故的發生，設計了一種智能監控系統來發現進入吊車操作現場的人，并在可能發生危險時進行警報。經大量測試，所提技術能很好地完成預定任務。特色 4：持續擾動抑制。針對野外工作的吊車系統，設計了一種適用于持續擾動情況下的非線性復合消擺方法。除此之外，針對周期性干擾的不利影響，項目組還提出了一種重復學習與部分反饋相結合的控制方法。兩種方法均可有效抑制持續干擾對吊車系統的影響。特色 5：豎直起降技術。針對負載的起吊、落吊、水平傳送過程，提出了一種非線性跟蹤控制方法，該方法能保證臺車及繩長變化的跟蹤誤差始終地保持在任意設定的范圍內并收斂于零，同時能有效地消除負載的擺動，大幅提高系統的工作效率。

南開大學 2021-04-11

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