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吊具防摇定位控制是决定桥式起重机高效率作业的关键,目前常用的吊具防摇定位控制方式包括:人工防摇、机械防摇和电子防摇三种。随着起重机自动化程度越来越高,电子防摇由于其成本小、控制精度高等优点成为应用最广泛的防摇方法。但在电子防摇控制器设计过程中,模型的高非线性、强耦合、欠驱动以及外部干扰等问题对防摇定位控制系统的设计带来很大的挑战。因此,合理运用控制方法设计稳定性强、快速性好的起重机吊具防摇控制系统,对改善起重机吊具定位精度、提高装卸运输效率,具有重要的理论意义和工程实用价值。本文针对上述问题,以港口桥式起重机吊具防摇定位控制器的设计为研究内容,提出一种吊具防摇主动控制的方法,对改善吊具定位精度、提高系统鲁棒性进行了深入研究,完成的主要工作如下:(1)建立系统动力学模型,是设计桥式起重机吊具防摇定位控制系统首要进行的工作。首先以起重机吊装二维模型为基础,全面分析模型受力情况;然后根据拉格朗日原理,建立系统的非线性动力学模型;最后通过小角度近似处理的简化方法,计算其线性动力学方程,为验证吊具防摇定位主动控制器的有效性提供理论基础。(2)输入整形技术结构简单,抑制吊具摆动的控制效果显著,是设计起重机吊具防摇控制器的首选方法。将输入整形技术与PID反馈控制相结合设计防摇定位控制器,不仅有效减小吊具的残余摆动,而且系统具有良好的抗干扰性。首先,基于输入整形技术原理,设计零振动(Zero Vibration,ZV)、零振动微分(Zero Vibration and Derivation,ZVD)和极不灵敏(Extra Insensitivity,EI)防摇控制器,并通过仿真验证其抑制吊具残余摆动的有效性;其次,基于PID反馈控制,设计PID-ZVD的桥式起重机吊具防摇定位控制律;最后,分别对ZVD、PID和PID-ZVD的防摇定位控制效果进行仿真验证。仿真结果表明,PID-ZVD防摇控制器有效抑制了吊具残余摆动,系统能够精确跟踪小车设定位置,而且在加入外部干扰后,控制器具有良好的抗干扰能力。(3)针对PID-ZVD防摇定位控制器输出较大致使执行机构饱和问题,提出运用预测控制替代PID反馈控制的方法设计防摇定位控制器。首先,在控制输出合理约束范围内,利用预测控制显式处理系统约束的能力,分别基于广义预测控制(Generalized predictive control,GPC)和预测函数控制(Predictive function control,PFC)算法设计起重机吊具的防摇定位控制器,并通过仿真实验对比两种控制算法的控制性能,实验结果表明,PFC防摇控制器计算量小、控制精度高、抗干扰能力良好,是替代PID反馈控制的最佳方法;然后,借助输入整形ZVD技术有效抑制吊具摆动的特性,将PFC控制算法与输入整形ZVD技术相结合设计防摇定位控制器,通过仿真实验发现,该方法在执行机构有效执行范围内,能够精确跟踪小车位置,有效抑制吊具摆动。(4)绝大多数的起重机作业过程中都存在干扰,它不仅影响系统建模的精度,而且还会影响系统的控制性能,如何进一步减小系统干扰对控制系统的影响,是本文最后要研究的内容。基于此,本文分别运用指数收敛观测器和扩张状态观测器(Extended state observer,ESO)的方法,设计防摇控制内部扰动衰减环,将扰动观测器的干扰估计值通过前馈补偿作用,引入到基于输入整形技术的PFC防摇定位环中,形成最直接的扰动主动抑制策略,以此构建强鲁棒性的主动防摇定位控制器。通过大量仿真实验,验证该主动控制策略能够实现防摇定位控制目标,提高系统的鲁棒性和抗干扰性,改善系统的稳定性和快速性。