一种消摆控制器及塔式吊车系统技术方案

本公开提供了一种消摆控制器及塔式吊车系统。消摆控制器的控制输入为悬臂旋转控制力矩M和平移控制力F；控制输出为悬臂旋转角速度

A kind of anti sway controller and tower crane system

【技术实现步骤摘要】
一种消摆控制器及塔式吊车系统
本公开属于塔式吊车控制领域，尤其涉及一种消摆控制器及塔式吊车系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。塔式吊车是一类将重型货物转移到目标位置的大型搬运工具，在建筑工地等许多领域得到了广泛的应用。与其它吊车相比，塔式吊车具有占地面积与工作空间比小的优点，同时由于其欠驱动的特性，存在着非常复杂的非线性控制问题。与其它吊车一样，塔式吊车也是欠驱动非线性系统，定位和负载摆动抑制/消除是其首要任务。目前，塔式吊车系统的控制问题仍然是一个具有开放性和挑战性的问题。在过去几十年中，许多研究人员一直在密切关注塔式吊车系统的控制问题，并报道了许多有意义的工作。两种常见的开环控制方法分别是输入整形控制方法和最优控制方法。开环控制方法具有结构简单，易于在实际应用中实现的优点。然而，这些控制方法的控制性能可能会受到外部干扰和参数不确定性的影响。为了提高鲁棒性，研究人员针对塔式吊车系统设计了一些闭环控制方法，包括增益调度反馈控制、基于激光的路径跟踪控制、模型预测控制、神经网络控制和基于能量的控制、自适应滑模方法。专利技术人发现，上述控制方法均忽略了吊钩质量以及吊钩重心和负载重心之间的距离，并且将负载的摆动视为单摆运动进行处理的。在某些情况下，吊钩质量不能忽略，而且负载的尺寸通常很大。在这种情况下，负载将围绕吊钩旋转，即产生二级摆效应。与单摆模型相比，二级摆模型更接近实际情况。因此，虽然二级摆型塔式吊车的动力学问题较为复杂，但对其控制问题的研究具有非常重要的理论和实际应用价值。目前通过对吊车模型进行简化，提出了一种输入整形控制器来消除残余摆动。然而，输入整形方法属于开环控制方法，对外界干扰敏感。此外，这种方法需要假设吊钩和负载只在一个平面上摆动。事实上，吊钩和负载的摆动并没有限制在一个平面上，而是会偏离原来的摆动平面，形成一个球体，即球面摆。
技术实现思路
为了解决上述问题，本公开的第一个方面提供一种消摆控制器，其实现了带有二级摆及球面摆特性的塔式吊车系统的闭环控制，能够快速消除初始负载摆角以及外部扰动，提高塔式吊车系统的稳定性。一种消摆控制器，其控制输入为悬臂旋转控制力矩M和平移控制力F；控制输出为悬臂旋转角速度以及台车速度消摆控制器的表达式为：其中，eφ和ex分别表示悬臂旋转角度误差和台车位移误差；kpφ、kdφ、khφ、kpx、kdx和khx表示控制增益，为已知参数；θ1,θ2分别代表吊钩第一摆角和吊钩第二摆角，θ3,θ4分别表示负载第一摆角和负载第二摆角；分别代表吊钩第一摆角速度、吊钩第二摆角速度、负载第一摆角速度和负载第二摆角速度；Mf为旋转摩擦力；Ff为平移摩擦力。进一步地，旋转摩擦力Mf的表达式为：其中，froφ和krφ表示旋转摩擦力系数，为已知参数。进一步地，平移摩擦力Ff的表达式为：其中，frox和krx表示平移摩擦力系数，为已知参数。进一步地，悬臂旋转角度误差eφ和台车位移误差ex的表达式分别为：eφ＝φ-φdex＝x-xd其中，φd以及xd分别表示悬臂目标角度以及台车目标位置。进一步地，吊钩以及负载摆动始终保持在如下范围内：为了解决上述问题，本公开的第二个方面提供一种塔式吊车系统。一种塔式吊车系统，包括上述所述的消摆控制器。进一步地，所述消摆控制器的输入端与悬臂旋转控制力矩采集器和平移控制力采集器分别相连，所述悬臂旋转控制力矩采集器和平移控制力采集器分别用于采集悬臂旋转控制力矩和台车平移控制力。本公开的有益效果是：1)本公开的一种消摆控制器实现了带有二级摆及球面摆特性的塔式吊车系统的闭环控制，能够快速消除初始负载摆角以及外部扰动，提高塔式吊车系统的稳定性。2)本公开的一种消摆控制器结构简单，便于实际应用。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。图1是本公开实施例的带有二级摆及球面摆特性的塔式吊车系统的原理图；图2(a)是本公开实施例的PD控制器的仿真1摆动幅值仿真结果；图2(b)是本公开实施例的PD控制器的仿真1残余摆角仿真结果；图3(a)是本公开实施例提出的控制器的仿真1摆动幅值仿真结果；图3(b)是本公开实施例提出的控制器的仿真1残余摆角仿真结果；图4(a)是本公开实施例提出的控制器仿真2针对情况1的摆动幅值仿真结果；图4(b)是本公开实施例提出的控制器仿真2针对情况1的残余摆角仿真结果；图5(a)是本公开实施例提出的控制器仿真2针对情况2的摆动幅值仿真结果；图5(b)是本公开实施例提出的控制器仿真2针对情况2的残余摆角仿真结果；图6(a)是本公开实施例提出的控制器仿真2针对情况3的摆动幅值仿真结果；图6(b)是本公开实施例提出的控制器仿真2针对情况3的残余摆角仿真结果；图7(a)是本公开实施例提出的控制器仿真2针对情况4的摆动幅值仿真结果；图7(b)是本公开实施例提出的控制器仿真2针对情况4的残余摆角仿真结果。具体实施方式下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。本公开首先建立了带有二级摆及球面摆特性的塔式吊车系统的动力学模型。然后，提出了一种可消除吊钩以及负载摆动的基于能量的控制方法，利用李雅普诺夫方法和拉萨尔不变性定理证明了闭环系统的稳定性和系统状态的收敛性。最后，给出了仿真结果，验证了所设计的控制方法的正确性和有效性。下面建立带有二级摆及球面摆特性的塔式吊车系统的动力学模型：图1给出带有二级摆及球面摆特性的塔式吊车系统的原理图。由图1可知，台车的位置pM、吊钩的位置ph，以及负载的位置pm可写为：pM＝[x00]T,(1)ph＝[x+l1S1C2l1S2l1C1C2]T,(2)pm＝[x+l1S1C2+l2S3C4l1S2+l2S4l1C1C2+l2C3C4]T,(3)其中，x表示台车位移,l1和l2分别表示吊钩与台车之间的距离，以及负载与吊钩之间的距离，S1,S2,S3,S4,C1,C2,C3以及C4分别表示sinθ1,sinθ2,sinθ3,sinθ3,sinθ4,cos本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种消摆控制器，其特征在于，所述消摆控制器的控制输入为悬臂旋转控制力矩M和平移控制力F；控制输出为悬臂旋转角速度

【技术特征摘要】
1.一种消摆控制器，其特征在于，所述消摆控制器的控制输入为悬臂旋转控制力矩M和平移控制力F；控制输出为悬臂旋转角速度以及台车速度消摆控制器的表达式为：






其中，eφ和ex分别表示悬臂旋转角度误差和台车位移误差；kdφ、khφ、kpx、kdx和khx表示控制增益，为已知参数；θ1,θ2分别代表吊钩第一摆角和吊钩第二摆角，θ3,θ4分别表示负载第一摆角和负载第二摆角；分别代表吊钩第一摆角速度、吊钩第二摆角速度、负载第一摆角速度和负载第二摆角速度；Mf为旋转摩擦力；Ff为平移摩擦力。


2.如权利要求1所述的消摆控制器，其特征在于，旋转摩擦力Mf的表达式为：



其中，froφ和krφ表示旋转摩擦力系数。


3.如权利要求1所述的消摆控制器，其特征在于，平移摩擦力Ff...

【专利技术属性】
技术研发人员：张梦华，张永峰，程新功，张静亮，宗西举，王鲁浩，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东;37