PDF《欠驱动桥式吊车消摆跟踪控制》

第32 卷第

3 期2015 年3月控制理论与应用Control Theory &

Applications Vol.

32 No.

3 Mar.

2015 欠欠欠驱 驱 驱动 动 动桥 桥 桥式 式 式吊 吊 吊车 车 车消 消 消摆 摆 摆跟 跟 跟踪 踪 踪控 控 控制 制制DOI: 10.7641/CTA.2015.31139 孙宁, 方勇纯? , 陈鹤(南开大学 机器人与信息自动化研究所, 天津 300071;

南开大学 天津市智能机器人技术重点实验室, 天津 300071) 摘要: 对于桥式吊车系统而言, 其控制目标是将货物快速、 精确、 摆动尽可能小地运送到目标位置. 为此, 本文提 出了一种新型的轨迹跟踪控制策略, 可在保证负载快速平稳运送的同时, 有效地抑制并消除整个过程中负载的摆 动. 具体而言, 通过对吊车动力学模型进行一系列的变换, 设计了一种新颖的跟踪控制器, 并对闭环系统信号的有界 性与收敛性进行了理论分析. 与调节控制方法相比, 本文方法可保证台车的平滑启动与运行;

此外, 本方法放宽了已 有轨迹跟踪控制方法对参考轨迹的约束条件, 更具实用性与一般性. 实验结果表明, 本文设计的控制器能取得优于 已有方法的控制效果, 并对外界干扰具有很强的鲁棒性. 关键词: 欠驱动系统;

吊车;

防摆控制;

非线性系统 中图分类号: TP273 文献标识码: A Antiswing tracking control for underactuated bridge cranes SUN Ning, FANG Yong-chun?, CHEN He (Institute of Robotics and Automatic Information System, Nankai University, Tianjin 300071, China;

Tianjin Key Laboratory of Intelligent Robotics, Nankai University, Tianjin 300071, China) Abstract: The control objective for bridge crane systems is to transport cargos to the desired location rapidly and accurately, with the cargo swing being as small as possible. Motivated by the desire to tackle this problem, we present a new swing elimination tracking control approach in this paper to achieve smooth payload transferring while simultaneously attenuating unexpected swing. In particular, some model transformation operations are performed for the crane dynamics, and then a novel tracking controller is designed, on the basis of which some theoretical analysis is implemented to show the boundedness and convergence of the closed-loop signals. In comparison with regulation controllers, the proposed method can ensure smoother trolley motion, and moreover, it relaxes some constraints imposed on reference trajectories, which are usually required by most existing tracking strategies. Hardware experiment results are included to illustrate that the designed controller achieves improved performance than existing methods and shows strong robustness with respect to extraneous disturbances. Key words: underactuated systems;

cranes;

antiswing control;

nonlinear systems

1 引引引言 言言(Introduction) 作为最为常见的重型货物搬运工具之一, 桥式吊 车被广泛应用于国民经济建设的各个领域, 如海 港、 核电站、 钢厂、 车间、 道路建设等, 发挥着极为重 要的作用. 随着我国工业生产规模不断扩大, 生产效 率不断提高, 其货物搬运的作用愈加凸显. 对于桥式 吊车系统而言, 其主要控制目标为对负载的快速、 准确 点对点 搬运. 然而, 由于吊车的欠驱动特性, 加 之系统易受到各种外界干扰的影响, 在搬运过程中负 载极易发生大幅摆动, 严重影响了负载的定位精度, 在降低系统工作效率的同时, 带来了诸多的不安全因 素. 在一些特殊场合, 对防摆控制有着非常高的要求, 如在钢包吊运的过程中, 大幅摆动会引起高温钢水的 侧漏, 造成安全事故. 因此, 如何保证台车的快速、 准 确定位, 并充分抑制货物的摆动, 是吊车控制所面临 的首要问题. 从控制的角度出发, 对于二维桥式吊车系统, 其待 控变量为台车位移与负载摆角, 控制量为作用在台车 上的驱动力, 对于负载摆动, 只能通过合理地控制台 车运动来加以抑制与消除, 它与具有旋转激励的平移 振荡器(translational oscillations with a rotational act- uator, TORA)[1] 、 欠驱动机器人[2C3] 、 无人机[4C5] 、 倒 收稿日期: 2013?10?30;