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桥式起重机
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双梁桥式起重机扭振的输入型控制技术,桥式起重机,输入,控制,节制,技术
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译自： 008， 34504双梁桥式起重机扭振的输入型控制技术 治亚理工学院 伍德拉夫学校机械工程学院 振幅 大对于起重机的 安全和 正常 运 行具有很大的影响 。在一 定 条件下，创建一个双钟摆效应 会使 问题更加复杂。大多数起重机控制 技术表 明单摆控制是有效的 。一些研究人员已经证明 ：通过 单模振荡可以大大减少起重机电机输入正确塑造。本文建立 在 以前的 理论基础上 创造一个 可以 抑制双摆载荷振荡的方法。输入整形控制器设计有一个便携式的桥式起重机上执行两个作业变化的 稳健性， 是用于 验证这种方法的有效性和 稳健性来 输入整形。 1 前言 大多数重要地方 ， 例如 核电厂，仓库，建筑工地，和船厂 等地 的重物操纵 是由 起重机完成。 更 不幸的是，起重机载荷的自然摆动， 会 造成安全隐患，时间延迟，定位精度的退化。起重机控制的前期工作，多集中于单摆动力学或悬挂单摆长度的变化 . 如果考虑利用 计算机控制器和控制设计中考虑电缆摆动，时间最优的命令，是否可以产生零残留振动的结果呢？答案是不，因为悬挂的横向运动过程中的有效载荷增加了控制的难度，振荡频率是时变。基于时变和非线性模型的最优控制可能难以产生？即使产生最佳的命令，实现可能是不切实际的，因为最后的设定值必须知道在一开始就确定。当反馈测量，自适应控制器一起组合开启时，闭环控制才是可能的。 如果将起重机的行为比作一个单摆，那么经验丰富的起重机操作员可以消除许多有效载荷摆动造成减速过程中的振荡，取消在加速过程中产生的振荡。然而，某些类型的有效载荷和索 具双摆在这些条件下动态，因此即使是熟练的操作手动消除振荡的方法变得非常困难。因此，一些研究人员建议增加反馈控制来抑制双摆动态。使用反馈控制的挑战，由于难以测量的有效载荷的议案。因此，本文不提倡反馈控制，而是塑造控制命令，不需要传感器。 起重机控制器，实际上是实时的振荡抑制，它必须从人类产生的指令信号过滤掉不必要的激励。这样的修改可以通过卷积与人类产生一个脉冲序列的指令信号。卷积的结果，然后用于驱动起重机电机。此输入塑造的过程中图 1脉冲命令输入整形包含三个冲动。请注意，速度脉冲的命令是在起重机控制很常见，因为人类的运营商往往按关闭按钮，驾驶起重机。在适当的时机和缩放整形冲动，确保该系统将在到达理想状态，无振动。输入整形已被证明为有效的控制振荡单摆起重机的。单钟摆式起重机可以进行有效载荷的吊装。 输入整形技术最早是在 20世纪 50年代开发的。史密斯开发的“ 控制方法分成两个小命令，其中一半是推迟自然频率的命令。主约束方程，用来计算命令组件确保会有零残余振动时，系统模型是完美的。因此，现在通常被称为 输入整形控制方法在佐治亚理工学院的佐治亚理工学院起重机 架空视觉系统中对核设施的几个大型桥式起重机和 10 吨起重机已经实现，可以跟踪挂钩和有效载荷的议案。图 2显示了根据标准操作的起重机吊钩的反应，并输入整形启用。这两种反应都是相同的人为操作。在正常操作下钩有大的瞬态和残余晃来晃去。然而，输入整形几乎消除了不利的振荡。 输入整形反馈控制器具有许多优势。输入整形不需要相机或其他传感器来确定起重机的有效载荷状态。因此，输入整形是不太昂贵的花费。使用输入整形时，该系统可以比单独的反馈控制器具有更快的稳定时间。最后，输入整形不能让系统失去稳定。 在本文中，桥式起重机的动力和 控制，表现出双摆动力学研究。双钟摆效应的重要性，作为一个系统参数段的功能特点作为这个发展的第一步。然后发展到一个基于线性时不变动态输入整形计划减轻双钟摆效应。这是这个发展的第二段。第三步演示了输入为低的振荡模式塑造的效果。虽然这大大降低了振荡，第二种模式仍然可以在大范围的操作条件是有问题的。因此，描述了一个塑造抑制这两种模式的输入法。被用来从一个桥式起重机的实验结果证明该方法所提供的改进响应。 如图 3显示了一个双摆起重机的示意图。移动应用的力量， U（ T），小车起重机：电缆长度为 在下 面的小车和作为支持（ 量）的挂钩，有效载荷吊挂电缆连接使用。在这里，作为第二线为蓝本的臂和有效载荷长度 点质量 设电缆和索具长度不改变，运动的线性方程，假设零初始条件，其中 1和 2描述的两个摆的角度， 注意，双摆起重机动态，也可以发生时的有效载荷是一个长期的分布式连接到一个无质量挂钩的质量。这项议案的方程起重机式虽然又写差别，但是，本文提出的输入整形技术将仍然是有效的，这样一个系统中的两个振荡频率可以合理近似。 图 1 脉冲输入图 双摆动态的线性频率模拟式 频率取决于两个电缆长度和质量比。这是调查的频率如何改变系统参数的函数 得出的结论 。这些信息 是 可以被用来设计一个有效的输入整形控制器 的 。 图 2 典型钩响应 图 3 双梁桥式起重机摆动 在本节中，我们检查起重机用于移动靠近地面保持有效载荷，起重机操作任务的一个子集。也就是说，两个电缆长度的总和保持不变。图 4显示了两个质量比功能的振荡频率和索具长度 长度 就是 悬索加操纵 的总长度 保持恒定在 6米。低频率的变化很小，密切合作，以对应一个单 一的 6米钟摆的频率。另一方面，第 二 种模式的索具长度上有很强的依赖性。 图 4 低频率、高频率变化比较图 低频最大化时两个电缆长度是相等的吗 （假设 在 3米这种情况下 ）？ 这个最大的条件可以区别 1 式 和 2 式， 就 是长度为 后设置结果等于在图的参数值的范围广泛 0- 4，低频率只有 z 和 是 11左右的中值 有 兹的变化。相比之下，第二种模式偏离相同的参数范围内超过 78。 这些结果似乎表明振荡控制计划，将需要更多的 稳定 性，比第一种模式中的第二个模式的变化。但是， 如果第二种模式的幅度相比是非常小的第一种模式，然后控制器并不需要解决的第二个模式。两种模式的相对贡献，可以检查 1和 2产生分解成组件整体的动态反应。 两个摆动角度， 1和 2，一个数量级的冲动的反应，在 就是以下算式： 在这种情况下使用： 如果我们假设小角度，然后在水平方向上的有效载荷的脉冲响应可以近似为 ： 两个系数， 2，表明整体负载响应每种模式的贡献。 这项工作的目标是设计一个输入成型机，移动式起重机双摆很少的残余振动。要做到这一点，我们需要从一系列的冲动的残余振动的最大 振幅限制。因为 1 2 和每个模式的阻尼接近于零，最大振幅可以发现加入每种模式的最大振幅如下： 使用这种分解，第二种模式的贡献变得明显，并表示需要时，双模式输入整形。图 5显示模式为大范围的长度和质量比低贡献高模式的贡献率，再次假设总长度为 6米。表面表明，双摆输入整形是必要的系统低负载到挂钩的质量比。第二模式的贡献是特别大时，悬挂和操纵长度大致相等。 有许多方法 可以用 来设计单模输入塑造。有兴趣的读者应该 可以在多本参考文献中看到 ， 其 中控锁输入塑造用于仿真和实验上的便携式桥式起重 机。起重机已被用来传授先进的控制课程， 比如 在佐治亚理工学院，佐治亚理工学院洛林 ，在法国 ， 在韩国科技研究所， 还有 日本东京技术研究所等。 图 6显示了模拟反应时，小车移动了 米的钩子。使用开 /关时产生人为操作把控制按钮的速度命令的标准。这些模拟 就是： 双摆的质量比为 2， 长度比为 1的模型 。图 6还显示预测的反应时，中控锁旨在抑制低模式的成型机是用来修改命令。模拟的反应表明，低模式已经被淘汰，但一些第二模式的振荡。振荡幅度是 9的不定形的情况下。 图 5 高模低模振幅比 图 6 R=2时模拟钩响应相应图 图 7 给出了实验测得的反应，使用大致相同的参数 和 设置在模拟图 6 的 参数是近似的，因为悬挂长度，索具长度，群众不能总精度测量。此外，在实验装置的执行器非线性不纳入模拟。进行这些试验用计算机生成的命令，使起重机将准确地移动 米。实验证实在低模式幅度时，利用中控锁塑造预测的大量减少。然而，剩余的振荡仅减少 22的不定形的情况下，由于小 ，它的 非零初始条件，建模误差，非线性执行机构的动态。实验和仿真结果表明单模中控锁塑造的重要成果，将衰减模式，但不一定 是第二种模式。 当第二个模式 可能 导致有效载荷振荡超过可接受的水平，那么它必须考虑到设计输入整形时。有一些设计模输入塑造的方法。在本节中，技术开发直接针对预测的两个频率双摆起重机。以确定输入整形脉冲的振幅和时间地点，制定一组约束方程，然后 达到 满意。 余振动约束 。从一系列的脉冲式的最大残余振动幅度。可用于作为一个约束方程需要的振动幅度，已经表明，如果振动被限制到一个较小的值，而不是被迫完全为零 ，稳定性是 可以改善 的 。 图 7 R=2时的实验响应图 振动模式塑 造的前期工作，并不仅限于物理尺寸的限制，如 1 厘米。相反，每种模式的振动被限制到很小的比例，没有使用输入 形状 制百分比振动发生的振动，在理论上是方便，它使 其 具有挑战性的执行性能要求，如物理尺寸表示，“限制的残余振荡小于 1厘米。”幸运的是 ， 让我们直接写在下面的表格，它的整体剩余振幅限制到一个特定的三维价值： 在这种情况下， 厘米或英寸。 图 8 两个频率的抑制范围图 幅约束。 可以通过输入整形引起的振动式的限制。然而，如果不限制输入整形脉冲振幅， 那么它们的值可以介于正面和负面的无穷。这个问题 有两个解决方案：限制脉冲幅度小于某一特定值或要求所有的冲动，有正面的 体现 。为了简化演示，本文所讨论的塑造者将包含如下积极的冲动 ： 其中 注意，这里介绍的方法适用于含有负脉冲的塑造。如果允许消极的冲动，然后将提高的上升时间，但必须解决未建模模式和高饱和执行器的激发，如潜在的弊端。已经有据可查的管理负输入塑造 改变 技术约束，必须执行第二幅形的命令 定性 约束 残余振动方程约束。可用于限制在一个单一的频率振动 1和 2。如果实际起重机频率 的配合式中所使用的设计 完成 ，然后将被淘汰。然而，为了确保建模误差和参数变化的 稳定 性，必须保持振荡邻里环绕造型频率的频率超过小。 稳定 性可以放心使用方程的多个版本。限制在几个点附近的建模频率的振动。这个过程中演示图 8 双模式系统。在这种情况下，振动已被限制在三个频率附近的低模式和附近的 5 个频率高的模式。因为这种方法允许设计师指定的频率范围内，抑制振动，由此产生的塑造者被称为指定的 稳定性 塑造这样一个整形的 稳定性，其 没有反应 的无量纲频率范围超过它抑制振动的测量。 图 8在 1 抑制 低范围的 削减 是从 称的 1 1 = 模式被抑制从 这个 二个模式不敏感，再次为 I= 在 第二次系列分析中 表明，高的模式更加依赖比低模式的物理参数。由于参数估计，总是会有错误，可能需要第二模抑制范围更广。在此框架内，这是很容易做到。此外，抑制范围并不需要估计频率对称。例如，如果起重机的正常运作，更可能导致增加而不是减少，第二个模式，然后抑制范围可以倾斜到更高的频率。最后，容忍 的振动限制，垂直起降，可以设置为任意值，甚至可以为每个模式有不同的价值。 双摆振动分析 也可以完成，直接关系到起重机的物理参数的方式在双频率范围内抑制。而不是建立制止估计频率范围，我们可以随悬浮串通的长度比正常起重机操作过程中所经历的范围。然后，可以使用约束方程限制振荡 种方法被证明图 9的情况下，当名义长度之比为 定义为无因次振动仍低于可容忍的限度的范围长度比长度比不敏感。例如，长度比不敏感的情况下，如图。 9因为振荡仅限于从 标称长度为 注意，额外的 限制，可以很容易地添加到容纳量或总悬浮长度的变化。 图 9长度比例抽样图（标称值 = 形时间最小化。 由于振荡约束方程的先验性质，有无穷多解。这些解决方案中进行选择，并确保尽可能快的上升时间是，整形时间必须尽可能短。因此，最后 需要 必要 的 设计约束，最大限度地减少了最后输入如下的整形脉冲的时间 . 总结设计过程，设计模式 入塑造令人满意。实施了两个频率范围包含整个长度的预期范围在几个点的预期频率比率。另一种方法图 9，是为了满足。超过长度或质量比预期的范围内实施 的 。这些都是简单 的数值优化。输入本文设计的塑造，获得使用 型机的设计权衡。 两个模式的 图整形时间与第二模式的频率不敏感的一个反映图 10 垂直起降不同的 ， 在低和高模式的范围。图 10使用典型的产生在佐治亚理工学院的 z 和 模式不敏感为 业起重机的频率设置为 5%）。很明显，有一定范围， 稳定性的 大幅增加导致整形时间只有少量增加。可用于这方面的知识，做一个明智的选择所需的灵敏度。例如，一个 20%）第 二模式不敏感， 5为低和高模式的垂直起降，可能是轻微足够为特定的应用。然而，由图中实线所示的结果。图 10 中，工程师应增加 需的灵敏度，只是一个微不足道的时间间隙产生。 图 10 几种整形方式对起重机稳健性的影响图 如图 11一个三维图，低和高模式功能的频率不敏感的整形时间。数据产生的低频和高频范围使用垂直起降 = 两个 灵敏度 是低 于 形时间超过3持续时间 2大于 就是说， 会造成成型机时间大幅 增加，如以前图 10。另一方面，当 1增加，整形时间增加 非常迅速。 图 11 第 另一个重要的输入整形器的设计参数是残余振动水平。每个系统都有一定的振动量是可以接受的。如果成型机的设计，以满足这一性能指标，而不是大大超过它，然后整形时间可以显着下降。这种效果由所图所示 10，但它清楚地表明，在图 12 成型机时间绘制容忍的振动幅度，垂直起降功能。五个单独的值所需的频率不敏感 2 = 论是低和高的模式。在每一种情况下，增加耐受振动，从 零到大量的时间被节约进而增加一些小值结果继续带来更高的上时间，但速度降低。 图 12 振动成型时间图 使用两个模式的 不是一个模式的 要的是要知道，如果这次罚款是一个明显的缺点。图 13 显示了一个典型的双模式 幅相比，低模式设计的单一模式的 生成的曲线，塑造设计 整形时间加入高模抑制而招致的惩罚是非常小的低模式不敏感比 此，抑制振动的模式可以用非常低的成本完成。 图 13 I=第一种成型方式对稳健性的增加值 上述过程被用于设计输入整形器的有效载荷钩的质量比为 2 和悬挂索具长度比为 1便携式起重机。成型机的设计，以适应在低模式 兹 ( 10 )的变化 和 在高模式 兹 ( 5 )的变化。 造成输入整形包含五个冲动： 该成型机的灵敏度曲线如图中的实线。曲线显示双摆系统的规范化的振动幅度，并表明，双摆起重机这两种模式将被抑制。图 15 给出了实验的反应时，利用双摆整形。正如预测的灵敏度曲线，无论是第一和第二的模式有效地抑制输入成 形过程。 图 14 两种模式的灵敏度曲线 图 15 R=2 时的双梁输入钩响应图 图 16 R=的双梁输入钩响应图 图 17 R=2 时振幅长度之比 回想一下，对于低质量比，第二种模式将更加重要和需要塑造模式将增加。当质量比降低到 个频率精确到 已转向第二种模式。这些值，两种模式是： 该成型机的灵敏度曲线显示在虚线附近的低模式的振荡抑制 特性是几乎相同的 R = 2 成型机，然而，第二模抑制范围已转移到一个较低的频率范围匹配的第二模式降低频率的 R= 情况下。如图 16 证明这两种模式的 形在 R = 对于任何控制技术是切实可行的，它必须是强大的建模误差。输入成形的稳定性的程度，可以很容易地控制，通过调整设计成型机使用的 灵敏度 。如前所述，式中的塑造，旨在抑制振动模式的变化 5和 10的高模式变化的预期值从低。稳定性测试，如果实现，悬挂的长度和吊挂电缆多种多样，反复测试（不改变输入整形）。获得存在建模误差的 残余振动幅度。图 17 不定形振动幅度超过的全长的情况下，当 r = 2，实验结果清楚地表明了所需的 稳健性 大范围。 对于某些有效载荷和索具配置，桥式起重机，可以表现出显着的双摆的动态。第二种模式就变得很重要，当钩的质量显着相比，有效载荷质量。此外，第二个模式的贡献最大化，当悬挂长度和索具长度是相等的。当第二个模式是重要的，可以设计输入整形抑制多模振动。此外，输入整形可以建模误差和参数变化的稳定性，抑制了可能出现的频率或预期的参数变化范围。便携式起重机上的实验表明，该方法有效、实用、稳定。 致谢 作者感谢西门子能源和自动化，为这项研究提供的设备和资金。在 此外，在佐治亚理工学院的赞助感谢总统的本科生科研奖励计划这个项目。 参考文献 to 208518,9to of 8 010 or A 303327478of is a to on be by on a to in on a of of at is of of of on or on a is is be 208511of of is on be 208512,3if be at of is 208514,a a of by of in 208516,7of by in F 6, 2006; 4, 2008. 2008a to be it a by a of 2085110,11of is to is 1 a in to of at of 208515,12,13of in 2085111is by of to be is to as 20849on at 2085112,14a 10208515,15an of of is or to of is to a 2085116a of of is as a 2. An on is As a in 3 of of be in a of 4 of to a to by a of a is by a A of 1, a of to is a of do of 008, 130 / 0345048 010 or 1208732087392582of R of to g is to is a a of of q. in be in a of q. =20849220881208493on is of to of be an 1 a 2 3 130, 008In we a of is to of as a of 20849is m. to of a m On a on is 208493 m in by 92751q. 2to of 4, z is a
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