起重机控制器doc

  一种用于桥式和龙门式起重机能精确定位和减小摆动的控制器 摘要 起重机的有效载荷难于实现精确控制。桥式起重机、小车的运动或外界环境的干扰均能 引起弱阻尼系统的振动。为了消除这两种振源，研制了一种集成反馈和输入整形的控制 器。该控制器由三个不同的模块组成，第一个反馈模块用于检测和补偿定位误差，第二 个反馈模块用于检测和消除干扰，第三个模块输入整形用于减少运动引起的振动。该精 确模型典型用于由矢量驱动和交流感应电动机组成的大型起重机，采用去卷积分析技术 与起重机执行器的非线性动力学相结合进行控制器设计。该控制器已经用于乔治亚理工 学院的10吨桥式起重机，实现了良好的精确定位，可明显减小振动。 关键词：输入整形；命令修正；起重机控制；振动控制；防偏；桥式起重机；龙门式起 重机 1 ?引言 桥式和龙门式起重机在工业中扮演着重要的角色。在全球范围内，它们被大范围的使用在 成千上万的码头，建筑施工工地，钢铁厂，仓库，核电站和废物储存设施，还冇其他工业设 施。这种及时和有效的操作系统对于工业生产十分重要。基于这个原因，改善起重机的 操作性能具有非常非常重要的应用价值。 这些结构，如图1所示，具有高度的灵活性。外部的干扰，例如风或桥式支撑元件 运动，能引起冇效载荷的振动。在许多应用场合，这些振动会产生不利影响。冇效载荷 或吊钩的摇摆会增加精确定位的时间及影响操作人员的工作效率；并且当有效载荷或周 围障碍物处在危险的环境中时，振动会带来安全风险隐患。 桥式和龙门式起重机的广泛应用，以及对振动控制的必要性，促进了针对这些结构 来控制的大量研究的岀现。工程师们慢慢的开始通过解决起重机系统的三个主要方而: (1)运动引起的振动；(2)干扰引起的振动；(3)定位能力。来改善其使用性能、工 作效率和安全性能。 Singer等人通过运用强大的输入整形技术减小了一台15吨桥式起重机运动时引起 的振动。Fang等人提出通过比例微分(PD)控制人为增加钢丝绳角度和电车运动的耦合 程度，来控制电车的最终位置和运动引起的振动。Piazzi提出了一种基于动态转化的控 制用于减小运动引起的瞬态和残余振动。Kim在一台集装箱起重机上使用了一种极点- 位置策略，用于控制运动和干扰引起的振动和最终位置o Moustafa提出了基于李雅普诺 夫稳定性分析的有效载荷轨迹跟踪的非线^ Connor捉岀了一种基与机械 波动概念的操控方法，其中包描通过一个电车的初始运动状态得到未知的动态。最后， Fliess使用一种广义的状态变量模型，捉出了一种线性反馈操控方法。电车的位置和吊 重物的钢丝绳的长度是控制变量，它们各口的参考轨迹局限于一类四阶多项式用于确保 有效载荷的最小摆动。这种操控方法没有试图消除干扰引起的振动。 LIST OF FIGURES TrolleyBridge Trolley Bridge 图1用于码头的桥式起重机 按照文献中的操控方法大致分为三种类型：时间优化控制，命令修正，和反馈控制。 应用这些不同的操控方法具有一些怵I难。一种常见的困难是关于使起重机动作的驱动器 和马达的特性。这些元件的特性使用传统的分析方法很难评估，因此，在设计控制器时 常被忽略。 时间优化控制的不足是由于系统轨迹预计算的必要性，不能用来实际时间。目前 还没有将吋间优化操控方法应用于商业起重机。 命令整形是一种参考信号修正技术，可用于实时控制。尽管如此，命令整形不具有 闭环反馈控制机制，因此，须结合反馈控制才能用于抑制干扰。 反馈控制是最常用的研究减小定位误差和钢丝绳摆动误差的方法。这种操控方法适 于桥或电车的定位。然而，当反馈控制器必须减小钢丝绳的摆动吋，这种操控方法就变 得困难重重了。精确检测有效载荷往往成本比较高或十分艰难。这些困难在用于新加坡巴 西班让码头的全自动商业起重机屮进行了详细讨论。此外，反馈操控方法有些慢，因其 固有的反应。例如，当用反馈来控制钢丝绳的摆动时，钢丝绳的摆动必须先于试图减小 其引起的振动控制出现在系统屮。 一种很有效的消除一个系统的变形方式的技术是输入整形。输入整形不需要控制 器具有闭环反馈机制。相反，这种控制以一种预期方式减小振动，而不是被动的反馈方 式。用一个参考信号来预测误差，可在振动发生Z前完成抑制振动，而不是用修止信号 试图恢复偏差回到参考信号。在起重机控制范围内，这在某种程度上预示着检测钢丝绳是不必要的。 因此，与反馈相比输入整形更容易实现。在很多应用场合，输入整形技术也使用于复杂 的非线性驱动器和马达。输入整形技术已被证明是一种冇效的能显著减小起重机运动时 引起的钢丝绳摆动的方法。起重机使用输入整形控制也表明了其有效性与安全性的显著 改善。 本文提出的控制器结合反馈控制和输入整形设计了定位和抑制振动的性能。这种控 制器曲不同的模块组成，形成了一个统一的控制体系。每一个模块用于控制起重机的一 个方面的性能。反馈控制模块用于定位有效载荷到期望的位置，反馈模块用于消除干扰。 输入整形用于第三个模块，可减小运动引起的振动。 这种把单一控制任务分配给对应控制器的方法与Sorensen, Singhosc和 Dickerson (2005)使用的方法相似。这种方法口J以通过选用不同的针对最适合于该任务 的控制模块來减轻设计和应用时而面提到的存在非线性时的困难，如位置反馈、抑制干 扰和用输入整形减小运动引起的振动。该控制器的性能在乔治亚理工学院的制造研究中 心(MARC)的10吨桥式起重机上进行了实验。 以下部分概括了起重机结合非线性驱动器和马达影响的动态系统。第三部分 通过较为详细地描述控制器的各个模块，概括了整个控制管理系统。还讨论了两个闭环模块 的稳定性。第四部分介绍了怎样将不同的模块组合成一个控制结构，检测了该组合装置 的稳定性。第五部分包括总结评论。文中使用实验数据來证明控制管理系统的关键方面。 2.起重机动态系统 图2制造研究屮心的桥式起重机 Datum Datum 图3沿一个轴的起重机整体模型 图2是用于测试本文所述控制器的10吨MARC起重机。龙门起重机的运动可以简化为 一个悬挂在一个可移动的支撑单元上的钟摆模型，如图3所示。上部支撑单元和有效载 荷重物的质量分别表示为叫和叫；重力加速度是g； —种作用于重物的粘性阻尼力用阻尼 系数b表示；吊载的钢丝绳长度用L表示。电车的位移x,是一个控制变量。该系统输入 的显著优点是，在这种状态下起重机的马达和工业驱动器的模型是不必要的。随后当考 虑系统对参考信号的相应时才考虑这些模型。Flicss等人（1991）使用了相似的模型公 式。 按这种方法建立的起重机模型，系统钢丝绳的角度减少到一个门由度0 ,可看作为 独立的坐标。 该运动的微分方程是：0 + （丄）0 + （%sin 0 =（二^為（1） Lmp L L 起重机系统屮的钢丝绳摆动有极限，允许假设一个很小的摆角，这样仃）式简化为: ? ?〃+( ? ? 〃+( h Lmp 从（2）式能够准确的看出它是一个二阶阻尼振动系统，可以写成: 为了建立一个该系统上部支撑单元的速度和钢丝绳角度的关系式，可用上部支撑单 元位移推导出的必代替父。假设初始条件为零，将(3)式代入(5),得到下面关于钢丝绳 角度和上部支撑单元速度的方程： (-兀 2/g” 匕 G)厂 + 2qcons + con 图4起重机的输入速度与输出角度Z间的关系 图4表示了上述关系，方框中的“有效载荷”代表(6)式中的方程。上部支撑单元 的速度匕，引起的有效载荷的响应是钢丝绳的摆角乞。图4中述说明了期望的参考速 度匕与支撑单元速度匕的关系。方框“驱动器和马达”表示支撑单元的速度对参考速度 的响应。这个装置表明它是由执行元件和起重机所吊重物组成。这些执行元件包括上面 的桥和电车的质量，马达和驱动器。 曲交流电动机，向量驱动器和支撑单元组成的典型用于大型起重机的精确模型，可 见Sorensen(2005) 的介绍。这种模型在图5中表示了出来。 图5交流感应电动机与向量驱动器的模型 该模型屮的驱动器和马达的速度响应与期望的参考速度有关。该模型由三个尤件组成：一个开关，一个速度限制器，和一个线性、二阶大阻尼装置H。开关元件将原始的参考信号匕传递给速度限制器方框。当向起重机发出过渡的速度命令吋，开关临吋发送一个零信号。过度速度命令就是那些用来改变起重机行驶方向(向而或向后)的命令。这种性能类型取决于匕和匕，可用卜-面的开关规则表示： Vr,Sign(Vr) = Sign(yr\ 开关输出二 Vr,VfX%, (7) 0,其它 这个模型通过合理选择与模型相关的四个参数可用来表示多个工业向量驱动器和 交流电动机相结合的响应。这四个相关参数是：速度限制器的凹转速度参数S；开关元 件的开关百分比X%；固有频率II；和II的阻尼比。对MARC起重机來说，这些参数分别 为 160%/s, 0. 9%, 6.98 弧度/秒，和 0.86。 (lunExelu (lunExelu %) A=ooo Time (s) 图6在不同的速度命令下实际与模拟响应的比较 从图6中能够准确的看出，模型的响应紧跟随MARC起重机的实际响应。从中能够准确的看出对 于不同的速度命令模型的响应与实际支撑单元的响应重合了。 3.输入整形和反馈控制相结合 第2部分中描述的起重机由一个线性的有效载荷装置和一个非线性的驱动器/ 马达装置组成。这里描述的控制管理系统是当向非线性驱动器和马达发送参考速度命令时， 可对冇效载荷产生三种期望结果：(1)精确定位;(2)运动引起的振动抑制；(3)消除干 扰。整个控制管理系统的方框图如图7所示。 图7集合输入整形、定位和抑制干扰的控制器 通过分别考虑组成控制器的各个模块就会容易理解整个控制器对三个目标进行控 制的方法。下血的小节分别描述了这三个模块。同时讨论了闭环模型的稳定性。 3.1输入整形模块 在线性装置中成功抑制振动的方法是，发出一个参考命令來驱动一个系统消除其自 身的振动。输入整形就是这样一种技术。通过卷积处理脉冲序列和参考信号实现，称作 输入整形(这样的一个过程在图8中进行了说明)。经过整形的命令用于驱动线性系统。 振幅和脉冲时间位移组成的输入整形曲一组求解约束方程实现，口J以用來抑制系统 不期望的动态特性的出现。所有这些解方程所必需的系统固有频率和阻尼比都是估计 值。当脉冲序列产生的残余振动量等于零时，则满足约束方程的整形称为零振动(ZV) 整形。零振动整形如图8所示，它有两个脉冲可将初始阶跃指令转变成一个阶梯形的指 令。由于持续整形，修正指令的上升时间壇加了 ZV Shaped ZV Shaped Comma nd H Time 0 图8输入整形过程 在实际系统中应用输入整形的例子，如MARC起重机按照如图9所示的方式完成了 输入整形。修正的命令先被送到驱动器和马达屮，然后利用驱动器和马达的响应来驱动 有效载荷。 图9 图9输入整形模型 鉴于此结构，一定要考虑非线性驱动器和马达对减小载荷振动的修止命令的影响能 力。如果驱动器和发动机口J以表示为一个线性传递函数，则对输入整形的振动抑制没冇 不利影响。这是由于输入整形和线性装置的互换性。然而，该模型包含一个非线性速度 限制器和一个非线性开关；I大I此使用传递函数的可能性就被排除了。 (b) (b) 图10非线性和等价的线性方框图： (a)典型输入整形模型(b)等价的输入整形模型 为了理解非线性驱动器和马达装置的影响，如图10 (a)所示的系统方框图。其中 一个任意的参考信号X,曲输入整形器A修正产生一个修正命令Xs。假设参考信号最 终可获得一个稳定的状态值。同样假设输入整形是用于消除一个线性装置G的振动，例 如驱动

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