[發(fā)明專(zhuān)利]一種三維雙擺橋式吊車(chē)的防擺控制方法及控制系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111335482.2
• 申請(qǐng)日: 2021-11-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113955637B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-10-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 柴琳;郭啟航;劉惠康;劉馨;康新宇
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 武漢科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B66C13/06
• 分類(lèi)號(hào): B66C13/06;G05B13/04
• 代理公司: 北京金智普華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11401
• 代理人: 張曉博

本發(fā)明屬于橋式吊車(chē)防擺技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種三維雙擺橋式吊車(chē)的防擺控制方法及控制系統(tǒng)，根據(jù)拉格朗日方程建立三維雙擺橋式吊車(chē)動(dòng)力學(xué)模型；進(jìn)行狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)；進(jìn)行微分跟蹤器的建立；進(jìn)行滑模控制器的設(shè)計(jì)。本發(fā)明基于狀態(tài)觀測(cè)器，進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析，并通過(guò)大量的數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)所提方法的可行性與有效性實(shí)施了充分驗(yàn)證，進(jìn)一步提高了具有雙擺效應(yīng)的三維橋式吊車(chē)的運(yùn)行效率。同時(shí)，本發(fā)明在控制方法上結(jié)合了狀態(tài)觀測(cè)器與滑模控制，所以該方法很強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)性，對(duì)模型參數(shù)不敏感。因此，在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，本發(fā)明的方法依舊可實(shí)現(xiàn)較好防擺控制效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于橋式吊車(chē)防擺技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維雙擺橋式吊車(chē)的防擺控制方法及控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)

目前，吊車(chē)，又名起重機(jī)，是一種常見(jiàn)的大型工程搬運(yùn)設(shè)備，常用于冶金、電力、物流等行業(yè)，完成貨物的運(yùn)輸任務(wù)，極大地提高了生產(chǎn)效率并解放了勞動(dòng)力。在新的發(fā)展目標(biāo)中，傳統(tǒng)制造業(yè)將向數(shù)字化、無(wú)人化、智能化發(fā)展，而這些特點(diǎn)對(duì)制造業(yè)的常見(jiàn)運(yùn)輸工具——吊車(chē)，提出了高效率、高安全、高精度的要求。

吊車(chē)通常包括橋式吊車(chē)、塔式吊車(chē)、龍門(mén)吊車(chē)及臂式吊車(chē)。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作方式的差異，吊車(chē)可以大致分為兩類(lèi)：(1)橋式吊車(chē)和龍門(mén)吊車(chē)；(2)塔式吊車(chē)和桅桿式吊車(chē)。由于起重機(jī)系統(tǒng)的獨(dú)立控制變量個(gè)數(shù)小于系統(tǒng)自由度個(gè)數(shù)，因此該系統(tǒng)為典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，相比于全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這一類(lèi)系統(tǒng)往往更難控制。在各式各樣的吊車(chē)中，橋式吊車(chē)的應(yīng)用范圍最為廣泛。由于吊車(chē)系統(tǒng)的欠驅(qū)動(dòng)特性，臺(tái)車(chē)的加減速運(yùn)動(dòng)使得荷載在運(yùn)輸過(guò)程中和停止時(shí)引起負(fù)載擺動(dòng)，為了減少吊車(chē)運(yùn)行中的擺動(dòng)，操作人員只能操控臺(tái)車(chē)的水平方向運(yùn)動(dòng)以及負(fù)載升降，而無(wú)法直接控制負(fù)載擺動(dòng)。所以大多數(shù)情況下，負(fù)載的擺動(dòng)都由空氣阻力予以消除，而這往往需要花費(fèi)大量時(shí)間，極大地降低了工作效率。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，每次消除負(fù)載擺動(dòng)，將至少增加30％的運(yùn)輸時(shí)間。

因此如何設(shè)計(jì)出可以有效地抑制荷載擺動(dòng)的控制方法，從而確保初學(xué)者安全高效地操作起重機(jī)，一直以來(lái)是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。為了解決上述問(wèn)題，學(xué)者們已經(jīng)提出了各種各樣的控制器，主要包括軌跡規(guī)劃、滑模控制、ZV輸入整形、離線最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡和非線性反饋控制器混合控制、自適應(yīng)重復(fù)學(xué)習(xí)控制、在線軌跡生成、模型預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)防擺控制等控制方法。到目前為止，在三維運(yùn)動(dòng)模式下的研究都是假設(shè)吊鉤的質(zhì)量可以忽略且荷載可看作質(zhì)點(diǎn)，此時(shí)吊車(chē)系統(tǒng)的荷載擺動(dòng)呈現(xiàn)為單級(jí)擺動(dòng)。但是在部分情況下，如核燃料棒的轉(zhuǎn)運(yùn)，吊鉤與荷載的質(zhì)量相近，吊鉤的質(zhì)量無(wú)法忽略，或者荷載由于形狀不規(guī)則而無(wú)法簡(jiǎn)單看作質(zhì)點(diǎn)，此時(shí)，荷載擺動(dòng)將會(huì)呈現(xiàn)出雙擺現(xiàn)象，極大地增加了其動(dòng)態(tài)性能分析與控制器設(shè)計(jì)的難度，從而限制了現(xiàn)有控制策略大范圍應(yīng)用。同時(shí)，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中為減少負(fù)載的擺動(dòng)，通常會(huì)讓大車(chē)與臺(tái)車(chē)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，這等同于將一個(gè)三維運(yùn)動(dòng)分為兩個(gè)二維運(yùn)動(dòng)，這種方法雖然減小了擺角，但降低了吊車(chē)的運(yùn)行工作效率。因此，亟需一種新的三維雙擺橋式吊車(chē)的防擺控制方法及控制系統(tǒng)，以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

通過(guò)上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題及缺陷為：

(1)由于起重機(jī)系統(tǒng)的獨(dú)立控制變量個(gè)數(shù)小于系統(tǒng)自由度個(gè)數(shù)，因此該系統(tǒng)為典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這一類(lèi)系統(tǒng)往往更難控制。

(2)為了減少吊車(chē)運(yùn)行中的擺動(dòng)，操作人員只能操控臺(tái)車(chē)的水平方向運(yùn)動(dòng)以及負(fù)載升降，而無(wú)法直接控制負(fù)載擺動(dòng)。

(3)現(xiàn)有負(fù)載的擺動(dòng)都由空氣阻力予以消除，而這往往需要花費(fèi)大量時(shí)間，極大地降低了工作效率。

(4)在部分情況下，荷載擺動(dòng)將會(huì)呈現(xiàn)出雙擺現(xiàn)象，極大地增加了其動(dòng)態(tài)性能分析與控制器設(shè)計(jì)的難度，從而限制了現(xiàn)有控制策略大范圍應(yīng)用。

(5)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，通常會(huì)讓大車(chē)與臺(tái)車(chē)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，這等同于將一個(gè)三維運(yùn)動(dòng)分為兩個(gè)二維運(yùn)動(dòng)，這種方法降低了吊車(chē)的運(yùn)行工作效率。

解決以上問(wèn)題及缺陷的難度為：

(1)起重機(jī)系統(tǒng)的獨(dú)立控制變量個(gè)數(shù)小于系統(tǒng)自由度個(gè)數(shù)，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的欠驅(qū)動(dòng)性和非線性。