桥式抓斗卸船机前馈防摆控制研究

1、    桥式抓斗卸船机前馈防摆控制研究    王晓军摘要为了提高作业效率，人们对桥式起重机的防摆控制进行了越来越广泛的研究考虑到实际需要，本文主要研究了一种基于输入整形的桥式抓斗却船机馈防摆技术，该技术简单实用而且易于扩展仿真结果表明了该方法的良好性能。和典型的梯形前馈防摆方法进行比较，该方法在考虑负载提升时能更有效地抑制负载的残留振荡，对绳长变化具有更好的鲁棒性。【关键词】桥式起重机 桥式抓斗却船机 防摆控制 输入整形技术1 引言在港口、码头，桥式起重机被广泛地用于传输、调度重型原材料。然而，在桥式起重机的工作过程中，由于小车的加减速，负载的提升以及外

2、部干扰等原因，负载会产生来回的摆动。这种摆动不但很容易造成安全事故，而且严重阻碍了生产作业效率的提高。为了解决上述问题，桥式起重机的自动控制问题引起了人们越来越广泛的关注。许多学者对桥式起重机的自动控制进行了研究：最优控制，增益调节，自适应控制等等。然而这些控制方法中，除了最优控制，都是假设负载摆角可以反馈测量，可以直接用于控制系统的反馈设计当中;然而在实际的桥式起重机系统中，由于环境及外部干扰等因素，摆角传感器的测量精度受到很大影响，实际控制效果往往不好，尤其是对于桥式抓斗卸船机，由于其主要用于传输铁矿石等散型货物，所以安装摆角传感器更加不切实际。所以目前投用的比较高级的实用的起重机控制器大

3、多都是采用开环控制算法，通过对小车速度的有效控制，来减小或消除负载的摆动。本文主要讨论了一种基于输入整形的前馈防摆控制方法，通过把小车期望的系统输入和一系列脉冲序列进行卷积，得到一个整形的输入来驱动系统，从而有效地消除负载摆动。而且通过加入鲁棒性约束方程，可以顯著提高系统对绳长变化的鲁棒性，更加适于实际应用。2 系统模型桥式抓斗卸船机的简化模型如图1所示。图中xm为小车的位移;1为悬绳的绳长;0为悬绳的摆角;xm和ym分别为负载和水平和垂直位移。利用拉格朗日力学对系统进行受力分析可得：如果以小车加速度和负载提升加速度分别作为系统的控制输入，则起重机模型可以表述为一个非线性的状态空间形式：其中，

4、状态向量：控制向量：3 控制方案3.1 梯形参考曲线防摆方法benhidjeb和gissinger在对桥式起重机的模糊控制方法研究中提供了一个完整的梯形小车速度参考曲线，用来有效减小负载的摆动。设计中，假设绳长不变，并且认为摆角足够小，此时式（1）可以简化为：假设系统的初始摆角和摆角速度都为零，在初始时刻t0给小车施加一个常加速度作为输入，对式（3）进行微分求解可得到负载的摆角和摆角速度表达式：其中，负载振动周期为：从式（4）不能看出，当小车以常加速度a运行一个振动周期后取消控制输入，则负载摆角和摆角速度都将为零;相同的过程可以用到小车减速阶段，这样得到一个小车的梯形速度参考曲线形如图2所示。

5、但是由于这种梯形参考曲线的前提是绳长不变，所以它对绳长的变化比较敏感。下面介绍一种输入整形防摆方法，可以通过加入鲁棒性约束来提高对系统参数变化的不灵敏性。3.2 输入整形防摆方法输入整形是将期望的系统输入和包含一系列脉冲序列的输入整形器进行卷积，产生一个整形的输入来驱动系统。如果输入整形过程用来减小系统的残留振荡，则输入整形器所包含的脉冲序列必须要有合适的幅值和时间位置。整形器参数可以通过求解一系列约束方程来获得。系统的残留震荡可以表示为整形下的系统余振和未整形的系统余振的比值，可以表述为一个二阶谐振和的函数：式中，ai和ti是脉冲序列的幅值和时间位置，n是输入整形器中的脉冲个数。本文主要介绍

6、三种输入整形器：零振荡整形（zv）器，零震荡及微分整形（zvd）器，零振荡及双微分整形（zvdd）器。其中，zv整形器使系统残留振荡为零，即满足式6幅值等于零。zvd和zvdd整形器则加入了鲁棒约束以提高对模型误差的不灵敏性。zvd和zvdd满足zv约束以及式（6）在模型频率处对频率的一次和二次微分为零。为了更好的说明zvd和zvdd整形器的鲁棒性，可以灵敏度曲线来表示：即式（6）所示的残留振荡与系统归一化频率的关系曲线，如图3所示。图中可以看出，当系统的模型频率不准确时，zvdd整形器对系统频率变化的鲁棒性要明显优于zv整形器和zvd整形器，更加适于实际应用。4 仿真结果本文对桥式抓斗卸船机

7、的两种防摆方法进行了仿真对比研究。仿真中卸船机的系统参数：小车最大速度0.2m/s;小车最大加速度0.1m/s2;提升最大速度0.1m/s;提升最大加速度0.1m/s2。图4中把梯形防摆技术和时间最优控制进行了对比，其中，小车的时间最优控制就是小车的梯形曲线的速度和加速度都以额定值运行。从图中可以看出虽然小车的运行时间得到了最优，负载却出现了很大的振动。而以梯形防摆方法，使小车运行一个振动周期后，负载余振为零。然而这种方法对绳长的变化比较敏感，考虑负载提升时，余振幅值明显增大，当负载提升到2m时，负载余振幅值达到了时间最优下幅值的11.98%;这显然在实际控制中是不希望看到的。图5是zvdd输

8、入整形的仿真结果。其中未整形的期望系统输入即为时间最优控制。图中可以看出zvdd极大地增强了系统对绳长变化的敏感性，当负载提升2m时的余振幅值仅为时间最优下幅值的0.562%，性能明显优于梯形防摆方法。图6是相应的zvdd控制方法下的小车运行曲线，这时的小车曲线不再是一个梯形曲线，而是一个4级加速曲线。zvdd的参数如下所示。这种方法的不足之处在于zvdd的响应时间要比小车的时间最优控制延长了1.5个振动周期，但是这种时间上的惩罚比起系统鲁棒性的极大提高是比较值得的。5 結论本文对桥式抓斗卸船机的输入整形前馈防摆技术和一种典型的梯形前馈防摆方法进行了性能对比研究。仿真结果证明了输入整形防摆技术

9、的优越性能，它不仅能够有效地消除负载摆动，而且控制性能对绳长变化的鲁棒性较强，更为适合在实际控制中应用。参考文献1khaled a.alghanim，khaled a.alhazza，ziyad n.masoud.discrete-timecommand profile for simultaneoustravel and hoist maneuvers ofoverhead cranes，journal of sound andvibration，2015，345：47-57.2g.corriga，a.giua，fixed-order gain-scheduling anti-sway co

10、ntrolof overhead bridge cranes，mechatronics，2016，39：237-247.3h.butler，g.honderd，j.van amerongen，“model reference adaptive controlof a gantry scale model，”ieeecontrol system magazine pp.57-62，janu.1991.4w.singhose，and l.pao，a comparisonof input shaping and time-optimalflexible-body control.controleng

11、ineering practice，5，459467，1997.5n.c.singer，and w.p.seering，preshaping command inputs to reducesystem vibration.journal of dynamicsystems，measurement，and control，112，7682，1990.6e.m.abdel-rahman，a.h.nayfeh，andz.n.masoud，dynamics and control ofcranes：a review.journal of vibrationand control，9：863-908.2003.7