一种起重机双摆系统开环优化防摇控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种起重机双摆系统开环优化防摇控制方法及系统，该方法包括以下步骤：S1、建立分布式质量负载起重机双摆系统模型，将分布式质量负载的振动分为绕卷筒的准单摆和绕吊钩的二级摆；S2、利用数值分析方法计算准单摆周期，确定对应的准单摆绳长；S3、基于准单摆绳长，建立准单摆模型，根据极小值原理建立抑制准单摆振动的时间最优控制轨迹；S4、根据振动系统的矩形脉冲响应规律，建立二级摆振动抑制策略；S5、结合时间最优控制轨迹和二级摆振动抑制策略，得到时间最优防摇控制方法。本发明专利技术通过时间最优轨迹抑制准单摆振动，通过振荡抑制策略抑制二级摆振动，最终实现分布式质量负载的消摆控制，提高了起重机工作效率和运行安全性。运行安全性。运行安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种起重机双摆系统开环优化防摇控制方法及系统


[0001]本专利技术属于起重机
，具体涉及一种起重机双摆系统开环优化防摇控制方法及系统。

技术介绍

[0002]桥式起重机作为应用最广泛的起重机类型，广泛应用于仓库、制造车间、装配厂、钢厂、港口等重要场所。桥式起重机的起升机构通过柔性钢丝绳来实现货物的起吊，因此桥式起重机是一种典型的欠驱动系统。在小车和大车速度变化时，不可避免的会发生负载的振动。负载长时间的摆动将严重影响起重机的工作效率，甚至威胁周围设备和工作人员的安全，造成安全事故。因此，抑制负载的摆动是起重机控制中需要解决的关键问题。
[0003]目前，起重机的防摇控制大致可以分为开环控制和闭环控制两种。闭环控制利用测量值与期望值之间的偏差来实现有效载荷的平稳运输，主要包括PID控制、滑模控制、模糊控制、自适应跟踪控制、能量耦合控制、非线性控制等。然而闭环控制也面临许多挑战，例如起重机状态的精确测量问题，特别是起重机双摆系统中负载角度的测量。同时还需要解决人工操作和控制系统之间的协调问题。另一方面，开环控制基于起重机动力学分析，通过规划大车和小车的运动轨迹来实现负载摆动的抑制，主要包括输入整形技术、平滑命令、离线轨迹规划等控制方法。上述这些方法均可以实现负载摆动的抑制，但是大多数控制方法主要应用于起重机单摆系统，当应用于起重机双摆系统时，其控制性能将降低。同时，目前研究中大多将负载作为点质量，并建立点质量单摆或双摆模型。而起重机实际应用中，例如角钢仓库、棒材仓库等，特殊的负载形状和起升机构将导致复杂的分布式质量负载起重机双摆效应。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种起重机双摆系统开环优化防摇控制方法及系统，实现分布式质量负载摆动的抑制和消除，提高起重机的工作效率和运行安全性。
[0005]本专利技术提供的技术方案如下：
[0006]一种起重机双摆系统开环优化防摇控制方法，包括以下步骤：
[0007]S1、建立分布式质量负载起重机双摆系统模型，将分布式质量负载的振动分为绕卷筒的准单摆和绕吊钩的二级摆；
[0008]S2、利用数值分析方法计算准单摆周期，确定对应的准单摆绳长；
[0009]S3、基于准单摆绳长建立准单摆模型，根据极小值原理建立抑制准单摆振动的时间最优控制轨迹；
[0010]S4、根据振动系统的矩形脉冲响应规律，建立二级摆振动抑制策略；
[0011]S5、结合时间最优控制轨迹和二级摆振动抑制策略，得到时间最优防摇控制方法。
[0012]优选地，步骤S1具体为：
[0013]S11、建立分布式质量负载起重机双摆系统模型：
[0014]设l1为起吊绳长，l2为斜拉绳长，m1为吊钩质量，m2和l
p
分别为分布式质量负载的质量和长度，g为重力加速常数，为小车和/或大车加速度，则吊钩到分布式质量负载的垂直距离为分布式质量负载与吊钩的质量比为负载绕负载中点的转矩为设静止状态的起吊绳所在直线方向为竖直起吊中心，θ1为吊钩相对竖直起吊中心的偏摆角度，为吊钩的角加速度，θ2为负载相对竖直起吊中心的偏摆角度，为负载的角加速度，则分布式质量负载起重机双摆系统的动力方程为：
[0015][0016]设则吊钩和分布式质量负载的摆动频率ω1和ω2的方程分别为：
[0017][0018]设设则吊钩和分布式质量负载在脉冲作用下摆动响应方程为：
[0019][0020]S12、将分布式质量负载的振动分为绕卷筒的准单摆和绕吊钩的二级摆；分布式质量负载与吊钩构成二级摆；设θ3为准单摆的偏摆角度，基于吊钩和负载的几何位置关系，则准单摆的偏摆角度为：
[0021][0022]优选地，步骤S2具体为：
[0023]S21、设t
i
为θ3的数值解为零的时刻，T
e
为准单摆周期，则准单摆周期计算公式如
下：
[0024][0025]S22、对应求得准单摆频率ω
e
和准单摆绳长l
e
:
[0026][0027]优选地，步骤S3具体为：
[0028]S31、令建立准单摆模型：
[0029]式中，
[0030]S32、根据极小值原理，构建抑制准单摆振动的时间最优控制轨迹方程：
[0031][0032][0033]式中，J为性能指标，t
f
为运行时间，a
max
为预设最大加速度，V
max
为预设最大运行速度。
[0034]优选地，时间最优控制轨迹方程求解步骤如下：
[0035]S321、构造Hamilton函数
[0036]式中，λ为拉格朗日乘子，大小为3
×
3；
[0037]S322、求解时间最优解时间最优轨迹满足方程：
[0038][0039]式中，sgn()为符号函数；
[0040]根据时间最优轨迹方程得：时间最优控制的幅值是a
max
，即最优加速度为预设最大加速度a
max
；
[0041]而加速度的方向由b
T
λ确定，因此时间最优控制轨迹方程的求解问题转变为切换时间的求解问题；根据时间最优控制的开关次数定理得开关次数为2，因此加速度切换2次，
即先以最大加速度a
max
加速运行，然后以最大加速度a
max
减速运行，最后再以最大加速度a
max
加速运行达到最大速度V
max
；
[0042]S323、设准单摆的初始摆动角度θ3和角速度均为零，则θ3和的计算方程为：
[0043][0044]根据θ3和的方程得到时间最优轨迹图，根据时间最优轨迹图得到2次加速运行时间相同，设t
α
和t
β
分别为加速运行和减速运行的运行时间，则有v
max
＝a
max
(2t
α
‑
t
β
)；
ꢀꢀ
(1)
[0045]同时，根据时间最优轨迹图得到t
α
和t
β
分别对应的角度α和β满足三角函数关系：
[0046][0047]S324、根据振荡时相位与角频率的关系，分别得到运行时间t
α
和t
β
的计算方程：
[0048][0049]联立式(1)、式(2)和式(3)求得运行时间t
α
和t
β
。
[0050]优选地，步骤S4具体为：
[0051]S41、将起重机准单摆模型看作是一个单自由度的振动系统，单自由度振动系统的阶跃响应为：
[0052][0053]式中，θ
t
为振动角度，l
t
为绳长，ω
t
为振本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种起重机双摆系统开环优化防摇控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立分布式质量负载起重机双摆系统模型，将分布式质量负载的振动分为绕卷筒的准单摆和绕吊钩的二级摆；S2、利用数值分析方法计算准单摆周期，确定对应的准单摆绳长；S3、基于准单摆绳长建立准单摆模型，根据极小值原理建立抑制准单摆振动的时间最优控制轨迹；S4、根据振动系统的矩形脉冲响应规律，建立二级摆振动抑制策略；S5、结合时间最优控制轨迹和二级摆振动抑制策略，得到时间最优防摇控制方法。2.根据权利要求1所述的起重机双摆系统开环优化防摇控制方法，其特征在于，步骤S1具体为：S11、建立分布式质量负载起重机双摆系统模型：设l1为起吊绳长，l2为斜拉绳长，m1为吊钩质量，m2和l
p
分别为分布式质量负载的质量和长度，g为重力加速常数，为小车和/或大车加速度，则吊钩到分布式质量负载的垂直距离为分布式质量负载与吊钩的质量比为负载绕负载中点的转矩为设静止状态的起吊绳所在直线方向为竖直起吊中心，θ1为吊钩相对竖直起吊中心的偏摆角度，为吊钩的角加速度，θ2为负载相对竖直起吊中心的偏摆角度，为负载的角加速度，则分布式质量负载起重机双摆系统的动力方程为：设则吊钩和分布式质量负载的摆动频率ω1和ω2的方程分别为：设则吊钩和分布式质量负载在脉冲作用下摆动响应方程为：
S12、将分布式质量负载的振动分为绕卷筒的准单摆和绕吊钩的二级摆；分布式质量负载与吊钩构成二级摆；设θ3为准单摆的偏摆角度，基于吊钩和负载的几何位置关系，则准单摆的偏摆角度为：3.根据权利要求2所述的起重机双摆系统开环优化防摇控制方法，其特征在于，步骤S2具体为：S21、设t
i
为θ3的数值解为零的时刻，T
e
为准单摆周期，则准单摆周期计算公式如下：S22、对应求得准单摆频率ω
e
和准单摆绳长l
e
:4.根据权利要求3所述的起重机双摆系统开环优化防摇控制方法，其特征在于，步骤S3具体为：S31、令x2＝θ,建立准单摆模型：式中，S32、根据极小值原理，构建抑制准单摆振动的时间最优控制轨迹方程：S32、根据极小值原理，构建抑制准单摆振动的时间最优控制轨迹方程：
式中，J为性能指标，t
f
为运行时间，a
max
为预设最大加速度，V
max
为预设最大运行速度。5.根据权利要求4所述的起重机双摆系统开环优化防摇控制方法，其特征在于，时间最优控制轨迹方程求解步骤如下：S321、构造Hamilton函数式中，λ为拉格朗日乘子，大小为3
×
3；S322、求解时间最优解时间最优轨迹满足方程：式中，sgn()为符号函数；根据时间最优轨迹方程得：时间最优控制的幅值是a
max
，即最优加速度为预设最大加速度a
max
；而加速度的方向由b
T
λ确定，因此时间最优控制轨迹方程的求解问题转变为切换时间的求解问题；根据时间最优控制的开关次数定理得开关次数为2，因此加速度切换2次，即先以最大加速度a
max
加速运行，然后以最大加速度a
max
减速运行，最后再以最大加速度a
max
加速运行达到最大速度V
max
；S323、设准单摆的初始摆动角度θ3和角速度均为零，则θ3和的计算方程为：根据θ3和的方程得到时间最优轨迹图，根据时间最优轨迹图得到2次加速运行时间相同，设t
α
和t<...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪小凯，吴庆祥，夏明辉，华林，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：