【摘要】：橋式吊車是一類典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),被廣泛應(yīng)用于工廠、建筑工地、海港、碼頭等諸多領(lǐng)域,其主要控制目標(biāo)是快速、準(zhǔn)確地將貨物運(yùn)送至目標(biāo)位置,并在此過程中保證貨物的擺動(dòng)盡可能小。橋式吊車系統(tǒng)的控制輸入(臺車驅(qū)動(dòng)力)的個(gè)數(shù)少于系統(tǒng)的待控自由度(臺車位移、負(fù)載擺角)。由于吊車系統(tǒng)節(jié)省了部分執(zhí)行器,因此具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、能耗小等優(yōu)點(diǎn)。但在控制方法設(shè)計(jì)過程中,需充分考慮各狀態(tài)之間的強(qiáng)耦合性、強(qiáng)非線性關(guān)系,這給控制器的設(shè)計(jì)帶來極大的挑戰(zhàn)。迄今為止,大部分工業(yè)吊車仍由人工手動(dòng)操作,臺車的定位性能及負(fù)載的消擺能力完全依賴操作人員的工作經(jīng)驗(yàn),吊車作業(yè)過程中存在工作效率低以及易發(fā)生安全事故的問題。因此,針對橋式吊車系統(tǒng),研究出適用于工業(yè)現(xiàn)場的自動(dòng)控制方法是非常重要的。雖然,國內(nèi)外眾多學(xué)者針對欠驅(qū)動(dòng)橋式吊車系統(tǒng),取得了一系列研究成果,不過,從吊車實(shí)際運(yùn)行的角度來看,現(xiàn)有控制方法存在以下幾個(gè)缺點(diǎn):1)大多數(shù)已有的控制方法忽視軌跡規(guī)劃過程,值得指出的是,目前并未有針對二級擺型橋式吊車系統(tǒng)軌跡規(guī)劃方法的文獻(xiàn);2)現(xiàn)有的軌跡跟蹤控制方法無法保證跟蹤誤差始終在允許的范圍內(nèi),且不能適用于系統(tǒng)參數(shù)未知的情形;3)為保證系統(tǒng)的收斂性,已有的控制方法往往需假設(shè)負(fù)載的初始擺角為零;4)當(dāng)負(fù)載運(yùn)送距離發(fā)生改變時(shí),現(xiàn)有的軌跡規(guī)劃方法需重新離線計(jì)算目標(biāo)軌跡參數(shù),因此,無法執(zhí)行不同運(yùn)輸任務(wù);5)已有的調(diào)節(jié)控制方法無法保證臺車的平滑啟動(dòng),且無法直接應(yīng)用于結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、狀態(tài)耦合性更強(qiáng)的三維橋式吊車系統(tǒng)、二級擺型橋式吊車系統(tǒng)以及伴隨負(fù)載升降運(yùn)動(dòng)的橋式吊車系統(tǒng);6)現(xiàn)有針對伴隨負(fù)載升降運(yùn)動(dòng)的橋式吊車系統(tǒng)的控制方法并未考慮負(fù)載受持續(xù)擾動(dòng)的情形,在這種情況下,負(fù)載最終不會垂直穩(wěn)定,而會與垂直方向形成一個(gè)夾角;7)已有的控制方法僅能保證系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性;8)現(xiàn)有大多數(shù)針對橋式吊車系統(tǒng)的控制方法需假設(shè)負(fù)載擺角可直接獲得,而在實(shí)際運(yùn)行中,負(fù)載擺角很難甚至無法直接測量。為提高欠驅(qū)動(dòng)橋式吊車的定位消擺控制效果,并解決已有控制方法存在的以上問題,本文對橋式吊車系統(tǒng)的控制方法展開了更加深入的研究,主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容:1)二級擺型橋式吊車系統(tǒng)在線軌跡規(guī)劃方法。臺車的加速度與吊鉤擺動(dòng)、負(fù)載擺動(dòng)的大小息息相關(guān),本文通過合理分析臺車加速度與吊鉤擺動(dòng)、負(fù)載擺動(dòng)之間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系,提出一種針對二級擺型橋式吊車系統(tǒng)的在線軌跡規(guī)劃方法。設(shè)計(jì)的軌跡可在線生成,不需要提前或離線規(guī)劃軌跡參數(shù),具有優(yōu)異的定位消擺控制性能。論文通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了所提在線軌跡規(guī)劃方法的控制性能。2)橋式吊車系統(tǒng)跟蹤控制方法。針對現(xiàn)有跟蹤控制方法存在的問題,本文設(shè)計(jì)了兩種魯棒跟蹤控制方法。第一種自適應(yīng)跟蹤控制方法是針對受系統(tǒng)參數(shù)不確定性以及外部擾動(dòng)影響的二級擺型橋式吊車系統(tǒng)提出的。該方法可有效抑制上述干擾的影響,從理論上保證臺車跟蹤誤差始終被約束在合理范圍內(nèi),并最終實(shí)現(xiàn)臺車快速、精確的定位以及吊鉤、負(fù)載擺動(dòng)的有效消除。第二種控制方法可將橋式吊車系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑囟ńY(jié)構(gòu)的期望目標(biāo)系統(tǒng),該方法放寬已有控制方法對初始負(fù)載擺角為零的假設(shè)。并且,所設(shè)計(jì)的期望誤差軌跡可用于執(zhí)行不同的運(yùn)輸任務(wù),無需任何離線優(yōu)化運(yùn)算,具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提誤差跟蹤控制方法具有良好的控制效果。3)橋式吊車系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制方法。圍繞現(xiàn)有調(diào)節(jié)控制方法的限制與不足,提出兩種非線性調(diào)節(jié)控制方法。第一種方法針對三維橋式吊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種增強(qiáng)耦合非線性控制方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單、不包含與吊繩長度相關(guān)的項(xiàng),因此針對不同/不確定吊繩長度具有很強(qiáng)的魯棒性。此外,通過增強(qiáng)臺車運(yùn)動(dòng)與負(fù)載擺動(dòng)之間的耦合關(guān)系,大幅度提升了系統(tǒng)的暫態(tài)控制性能。為測試該方法的實(shí)際控制性能,本文給出了詳細(xì)的數(shù)值仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第二種控制方法針對狀態(tài)間耦合性更強(qiáng)的二級擺型橋式吊車系統(tǒng),提出了一種能量耦合控制方法。該方法具有PD型的簡單結(jié)構(gòu),且與系統(tǒng)參數(shù)無關(guān),通過在控制器中引入雙曲正切函數(shù),大大減少了臺車的初始驅(qū)動(dòng)力,進(jìn)而保證了臺車的平滑啟動(dòng)。借助數(shù)值仿真,將所提能量耦合控制方法與現(xiàn)有控制方法進(jìn)行對比,驗(yàn)證了它優(yōu)異的定位消擺控制性能。4)伴有負(fù)載升降運(yùn)動(dòng)的橋式吊車控制方法。負(fù)載的升/落吊運(yùn)動(dòng)極易引起負(fù)載的大幅度擺動(dòng),并導(dǎo)致現(xiàn)有定繩長吊車控制策略無法應(yīng)用的問題。本文在不對吊車非線性動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行任何線性化或者近似處理的條件下,提出了局部飽和自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制方法以及基于能量分析的模糊控制方法。第一種控制方法考慮了系統(tǒng)參數(shù)未知/不確定以及外部擾動(dòng)的影響,通過引入雙曲正切函數(shù),從理論上證明即使臺車以及吊繩初始速度很大時(shí),所提局部飽和自適應(yīng)控制方法仍可保證臺車的平滑啟動(dòng)。此外,通過在所設(shè)計(jì)的控制器中加入記憶�？�,有效地減少了未知/不確定系統(tǒng)參數(shù)的收斂時(shí)間。第二種控制方法充分考慮了負(fù)載受持續(xù)擾動(dòng)的情況,建立了帶有持續(xù)擾動(dòng)的變繩長橋式吊車系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,并通過設(shè)計(jì)模糊擾動(dòng)觀測器,對持續(xù)擾動(dòng)進(jìn)行完全補(bǔ)償。論文對這兩種控制方法的定位與消擺控制性能進(jìn)行了大量的測試。5)考慮未建模動(dòng)態(tài)及外部擾動(dòng)的滑模控制方法。針對受外部擾動(dòng)及系統(tǒng)未建模動(dòng)態(tài)影響的二級擺型橋式吊車系統(tǒng)、二維橋式吊車系統(tǒng),分別設(shè)計(jì)了增強(qiáng)耦合非線性的PD型滑�？刂品椒ā⒂邢迺r(shí)間軌跡跟蹤控制方法。第一種控制方法與系統(tǒng)模型、參數(shù)無關(guān),并兼具滑模控制方法的強(qiáng)魯棒性以及PD控制方法的結(jié)構(gòu)簡單、易于工程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),具有很好的實(shí)用價(jià)值。此外該方法通過引入一個(gè)廣義信號,增強(qiáng)了臺車運(yùn)動(dòng)、吊鉤擺動(dòng)以及負(fù)載擺動(dòng)之間的耦合關(guān)系,大大提升了系統(tǒng)的暫態(tài)控制性能。第二種控制方法是基于兩個(gè)終端滑模觀測器提出的,其中一個(gè)觀測器用來估計(jì)負(fù)載擺角,另一個(gè)觀測器用來估計(jì)不確定動(dòng)力學(xué)。因此,所提控制方法針對不確定系統(tǒng)參數(shù)以及外部擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性,且不需要負(fù)載擺角的反饋。此外,上述控制方法可實(shí)現(xiàn)臺車位移的有限時(shí)間收斂性。通過將這兩種控制方法與現(xiàn)有控制方法進(jìn)行對比,可證得這兩種方法具有優(yōu)越的控制性能。
【圖文】：

個(gè)位置的搬運(yùn)設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于工廠、建筑工地、海港、碼頭等諸多領(lǐng)域。逡逑常見的吊車主要包括橋式吊車、龍門吊車、回轉(zhuǎn)懸臂式吊車、塔式吊車等［１］，如逡逑圖１－１所示。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)形式，吊車可粗略的分為兩大類：ａ）橋逡逑式吊車、龍門吊車；ｂ）回轉(zhuǎn)懸臂式吊車、塔式吊車。由圖ｌ－ｌ（ａ）可知，臺車可以逡逑沿著水平橋架往左、右兩個(gè)方向移動(dòng)。另外，橋式吊車的水平橋架是安裝在兩側(cè)逡逑高架上的軌道上的，這會產(chǎn)生向前、后的作用力。除此之外，吊鉤可上下運(yùn)動(dòng)以逡逑垂直放置負(fù)載。龍門吊車和橋式吊車的結(jié)構(gòu)十分相似，不同之處在于它是沿鋪設(shè)邐ｕ逡逑在地面上的軌道向前、后兩個(gè)方向移動(dòng)的，而且其水平橋架是安裝在兩個(gè)支撐架逡逑上，構(gòu)成門架形狀，如圖１－１㈨所示。龍門吊車通常應(yīng)用在工廠、倉庫、港口等逡逑重要場合。回轉(zhuǎn)懸臂式吊車可繞固定于基座上的定柱旋轉(zhuǎn)，如圖ｌ－ｌ（ｃ）所示，主逡逑要應(yīng)用于船上或直接安裝在固定物體上。塔式吊車

應(yīng)該提到的是發(fā)生在沙特阿拉伯麥加的慘烈吊車事故，該事故造成１１０人死逡逑亡，至少２３０人受傷［１１］。Ｒｉｓｈｍａｗｉ［１２］研究了邋２０１１年１月到２０１５年１０月發(fā)生的逡逑吊車事故以及原因，最后得出吊車側(cè)翻是引起事故主要原因的結(jié)論，圖１－２給出逡逑了吊車側(cè)翻事故的現(xiàn)場圖片。報(bào)道中指出，負(fù)載的移動(dòng)也是導(dǎo)致吊車事故的原因逡逑之一，當(dāng)負(fù)載被吊離地面后，會側(cè)向擺動(dòng)擊打周圍人員。這兩個(gè)原因都與負(fù)載的逡逑擺動(dòng)息息相關(guān)。因此，為提高吊車的工作效率以及安全性，亟待設(shè)計(jì)高性能自動(dòng)逡逑定位消擺控制方法替代人工操作。逡逑ｆ逡逑圖１－２吊車事故現(xiàn)場逡逑欠驅(qū)動(dòng)橋式吊車的控制問題得到了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，并取得了很多重逡逑要的研究成果［１３］。不過到目前為止，仍然有一些難點(diǎn)問題亟待解決。如大多數(shù)逡逑已有的控制方法僅考慮吊車系統(tǒng)的單級擺動(dòng)特性，而在很多情況下：１）吊鉤質(zhì)逡逑量與負(fù)載質(zhì)量相近而不能忽略吊鉤質(zhì)量時(shí)；２）負(fù)載質(zhì)量分布不均勻、尺寸較大逡逑不能看成質(zhì)點(diǎn)時(shí)，吊車系統(tǒng)會呈現(xiàn)二級擺動(dòng)特性。當(dāng)出現(xiàn)二級擺動(dòng)特性時(shí)，，負(fù)載逡逑會繞吊鉤擺動(dòng)
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH21;TP273

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2692185