外文翻译一个控制器使门式起重机和减摇桥精确定位.doc

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1、A controller enabling precise positioning and sway reduction inbridge and gantry cranesKhalid L. Sorensen, William Singhose, Stephen DickersonThe George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, 813 Ferst Dr., MARC 257, Atlanta, GA 30332-0405, USAReceived 28 Sept

2、ember 2005; accepted 30 March 2006Available online 5 June 2006一个控制器使门式起重机和减摇桥精确定位Khalid L. Sorensen, William Singhose, Stephen Dickerson,乔治亚机械工程学院，乔治亚技术学院， Ferst博士813，MARC 257 ,亚特兰大，GA 30332-0405,美国，2005年9月28日收到，2006年3月30日接受，2006年6月5日可在线使用.一个控制器使门式起重机和减摇桥精确定位 摘 要起重机是很难精确操纵载荷的。振荡,可以诱导成大桥或手推车的阻尼系统轻度运动

3、,并且还对环境造成滋扰. 为解决上述两种振荡的来源,结合反馈和输入整形控制器的发展。 该控制器是由三个不同的模块组成， 反馈模块的检测和定位误差补偿; 第二反馈模块侦测并拒绝振动; 使用塑料造填充的第三个模块,以减轻振荡。 一个使用精确的模型矢量驱动的交流感应马达，为典型的大型起重机, 用同一个褶分析技术,将非线性动力学起重机器分为对照设计。在佐治亚技术学院实验10吨桥式起重机控制器。该控制器具有良好的定位精度和性能以减少摆动.。关键词:输入整形； 指挥整形； 起重机控制； 振动控制； 防摇； 桥式起重机； 龙门吊床 1. 绪论桥、门式起重机在工业生产中占据了关键地位。它们被使用在世界各地数以

4、千计的船场、建筑工地、钢铁厂、仓库、核电厂及废料储存设施，以及其他工业园区。这种操纵系统的及时性和有效性为工业生产力起了重要贡献。因此，可以提高企业经济效益的起重机是极其宝贵的。这些结构，见图一。1.被给予高度评价的压电性质.、抗外部干扰，如风力或气压 (例如桥梁或小车) 能造成载荷振动。在许多实际生产中，这些振动产生了不良后果。摇动使得有效载荷或钩的精确定位在一人操作的时候费时费力；此外，当载荷或周边障碍有是一个危险和脆弱的时候，振荡可能存在安全风险。 广泛使用的桥、门式起重机，再加上要控制不必要的振荡，使得大量的研究与控制这些结构有了干劲。工程师们正试图改善其易用性，以增加经济效益，并减轻

5、安全上的顾虑，起重机系统的三个主要要解决的方面: (1)运动诱发的振荡；(2)扰动诱发的振荡；(3)定位能力。一个15吨的桥式起重机采用鲁棒输入整形技术来减少运动诱发的振荡(Singer,Singhose, & Kriikku,1997)。莱利建议控制小车位置和振荡通过比例-微分( PD )控制，在这之间的耦合电缆角和运动的小车将被增加(Fang, Dixon, Dawson, & Zergeroglu, 2001)。Piazzi提出了动态基于逆控制以降低瞬态和残余运动诱发振荡(Piazzi & Visioli, 2002)。金大中推行了极点配置策略,对一个真正的集装箱起重机运动控制和振荡以及

6、定位(Kim, Hong, & Sul, 2004) 。 Moustafa今日发达非线性控制载荷轨迹律跟踪基于Lyapunov的稳定性分析(Moustafa, 2001) 。奥康纳制定了控制策略,基于机械波的概念，涉及到未知的动力学习,通过小车的初步提案 (奥康纳, 2003年)。最后，据弗里斯用广义状态变量模型的建议(据弗里斯, 1989年)，再提出了一个线性反馈控制法(据弗里斯, levine , &罗琼, 1991年)。手推车的位置和电缆的长度是控制有效载荷的变数，以及各自的空间参考轨迹仅限于一类四阶多项式最小载荷的挥洒投保。控制并不是试图消除干扰引起的振荡。 控制计划开发的方法可大致分

7、为三类:时间最优控制，指挥整形，和反馈控制。执行这些不同的控制方法是有一些挑战的。共同的困难是驱动器的行为和电动机驱动起重机的方案，非线性行为,这些要素已经成为评价与分析方案的传统技术,也因此,控制器往往被设计忽略。 时间最优控制的缺点与问题是它无法实时实施，它必须预先计算系统的运动轨迹。在目前已知的范畴里没有用一个商业起重机执行时间最优控制的方案(Gustafsson & Heidenback, 2002) 。指挥塑造是一个参考信号modi.cation技术是可实时执行的 (Singer & Seering, 1990) 。然而,指挥塑造没有闭环机制,反馈控制,因此,我们必须使其可配合使用反

8、馈控制,如果是用于抗扰。在研究工作中，反馈控制是最常见的用以减轻定位和电缆摆动误差的策略。这种控制是适合有正确的定位的桥架或小车。 然而,当一个反馈控制器必须尽量避免电缆晃动的时候,控制任务将变得更加困难。准确的测量有效载荷是必须落实的,但往往是昂贵或困难的。 这些困难在新加坡举行的全自动商业起重机在码头的使用被pasir Panjang先生详细讨论了(Gustafsson & Heidenback, 2002)。 此外,反馈控制计划是有点慢,因为他们本来就被动。举例来说,当反馈是用来控制电缆的左摇右摆时,电缆晃动是本系统在控制中将试图必须消除的不良振荡。 其中最有用的技术,被大家不致可否的。

9、柔性方式输入整形。输入整形不需要闭环反馈系统的控制。反之，是预先减少控制振荡的方式，而不是被动地反馈。抑制振荡的实现需要一个参考信号，即预测在误差发生之前，而不是一个校正信号，即试图恢复偏差,回归到一个参考信号。在起重机控制这方面，这意味着传感光缆摇曳，是没有必要的。由于投入塑造是容易执行的，相比于反馈计划。 在许多情况下，输入整形技术还要适合于非线性硬出席启动和驱动马达等。在减少起重机电缆摇曳的方案中，输入整形技术已经被证明是有效的 (Kenison & Singhose, 1999; Lewis, Parker, Driessen, & Robinett, 1998; Singer et

10、al., 1997; Singhose, Porter, Kenison, & Kriikku 2000) 。 起重机利用输入整形控制也被展示了（Khalid et al., 2004) 。 在此基础上控制器的开发设计已定位在抑制振动性能和合并反馈控制输入整形上。管制是由不同单元组成，已被合并成一个联合控制体系。对起重机的性能控制的每一个模块都是设计的一个方面。 反馈控制模块是用来定位有效载荷的,在一个理想的位置, 虽然不同的反馈模块会导致动乱。 塑造投入使用的是第三个模块,用以尽量减少运动诱发的振荡。 这个分配个人控制任务的策略和Sorensen个别控制器的方法相类似, Singhose,

11、and Dickerson (2005) 。该战略在讨论和实施以前有助于减轻设计的难度，控制利用不同的模块的优点的任务，用他们是最适合的,反馈定位和抗干扰性,减少输入成形存在运动诱发振荡的非线性。在佐治亚技术学院(佐治亚技术) 位于制造研究中心(博) ,展示的是10吨桥式起重机控制评价试验机。 以下各节提供了金匮起重机动力学系统包含的非线性驱动和对电机的影响。第3节简要在介绍了整体控制系统之后,将更加详细地描述组成各个模块的控制器。对双闭环稳定模块进行了讨论。第4部分说明了由不同的模块组合成的单一控制体系, 审查结构和组合稳定的方法。第5节结束语，用于显示整个控制系统的关键方面的实验数据文件。

12、2 . 动态起重机马克在这里用图形容10吨级起重机测试控制。2 . 刨床方案,这台起重机可以简单地归结为一个钟摆,支持晚上移动作业。如图。 3 . 大规模的有效载荷开销都是支承结构的分别引起的；重力加速度是必须克服的；粘性阻尼力,而后者的有效载荷可以形容为阻尼系数；小车位置和长度的悬索是打成草,X将被视为控制变量。此时这种明显的选择对系统输入之下的一个汽车模型的起重机及工业用机是不必要的。后来这些制度时,会考虑决定系统响应的参考信号。 2 . 起重机类似动力学表达和塑造公式使用Fliess et al. (1991)。与起重机模型,以这种方式,该系统减少到一个程度的自由与有线的角度,钇,作为独

13、立坐标。 微分方程表示为 有限电缆摇曳起重机系统允许一个假设近似小角度,减少( 1 ) : 承认( 2 ) ,这是一个二阶阻尼振荡系统,可写 系统的代表性与速度取决于单位角度,分析一个电缆可替代衍生的支持单位位置的时候, VT的数值,为10，假设初始条件为零,并利用关系( 3 )至( 5 ) , 其中得到了下列传递函数与有线角度速度的关系公式: 这种关系是作为一个方框图如图4，凡座打成“有效载荷”代表 ( 6 ) 表示传递函数。速度的定义,加速度,有效载荷响应与有线角的YP 。 如图也说明了。 四是支撑单位的速度关系,并取得理想的参考速度。实际速度的支持单位是反应植物标记“动力马达”的参考速度

14、。 这是一个综合性厂,代表了驱动要素与起重机质量。这些的组成元素是桥架和小车,马达,驱动器。 准确的产业模式,异步电动机,向量驱动器,并支持集体股,为典型的大型起重机, 导出索伦森( 2005 ) 。 这种模式是代表方框图无花果。 5 .该模型涉及的速度响应驱动马达,以一种全新的参考速度。 三个要素构成的模型:一个开关,速率限制器,线性,二阶,重阻尼厂八开关元件通常将球原始参考信号,村,对速率限制块。 然而,当起重机发出过渡速度指令时,暂时开关发出一个信号为零。起重机移行速度指令这些指令改变了旋转的方向 (向前扭转或虎钳 亦然) 。 这种行为取决于VR与VT的,可以说有以下转换规则:该模型可以

15、用来代表响应,不少工业建设载体和异步电动机的组合都正确选用四参数与模型: 参数的回转率变化率限制器,收盘; 转化成开关元件, x厘; 固有频率H级;阻尼比H,为的MARC起重机,这些参数估计为160% /秒,为0.9% . 6.98弧度/秒, 0.86。 MARC起重机的响应模型紧随实际反应的。 这可以看出,如图。 6 , 那里的反应模式和实际反应的支承指数的速度指令已铺上。 3 .输入整形和反馈控制结合 第2款起重机所述的是一种线性载荷和一个非线性传动/电机。这里描述控制系统的产生参考速度指令,在发出的非线性和驱动马达, 达到三个效果,在有效载荷: ( 1 )精确定位; ( 2 )运动诱发振

16、荡抑制; ( 3 )抗扰. 一个框图整个控制系统是列图. 7 . 联合控制的方法,实现了三个目标,分别考虑个别单元组成控制器是很容易理解的。 接着说明了每三个单元。对稳定的闭环模块进行了讨论。31 输入整形模块 一个成功的打压振荡线性办法参考生成指挥驱动系统，取消自己出的振荡。 这样一个技术,输入整形,是实施convolving序列冲动,称为输入整形，与参考信号(此过程图. 8说明 ) 。 形司令部则用来驱动的线性系统。振幅和时间地点的冲动,其中包括输入整形决意通过求解一组约束方程来限制不必要的系统动力学。这一切估计是都需要解一个该系统的固有频率和阻尼比的方程。如果金额残余振荡产生的序列脉冲设

17、定为零, 然后整形满足约束方程被称为零振动( Z对)牛头刨床(Singer & Seering, 1990; Smith, 1957) 。 Z对的整形列图. 8有两个推动力,并改变原来的指挥步骤成梯形状的指挥。上升时间由地面指挥,是上升期的整形, 四落实投入塑造一个物理系统,如博起重机是以预期的方式显示图. 9 . 形命令. 踏送到驱动马达, 然后驱动响应的和电动机驱动的载荷。鉴于这种情况 , 一要确定轻率非线性驱动马达对什么命令可计算,以消除从载荷来的振荡。如果驱动电机,可表现为线性传递函数, 则是投入没有不利影响的振荡抑制的磁器；这是由在互换性的输入整形和线性装置。 然而,该模型包含了非线

18、性率限制器,以及非线性开关; 因此,代表了一种传递函数有可能已被排除。 非线性驱动和电机厂了解的效应考虑框图系统显示图。 10A条凡任意参考信号,第十,是由非模态整形投入生产指挥形,即刻。假定参考信号,终于得到了稳态值，还假定输入整形旨在取消振荡的线性厂克。如果是即刻作为输入一个非线性厂,例如驱动马达模型然后响应的非线性植物可作为ynp .同一非线性响应, ynp ,可以得到一个交替过程中的一些基线指令,钨, 非模态是由输入整形乙(不一定是由一个合消除振荡脉冲序列适克) , 减少系统,无花果. 10B款. 这是一个等价系统,不包含非线性元件. 无花果. 11说明这个过程中,当x是一个阶跃输入,

19、 和非线性植物分为率限制器回转率参数,通知国会说,有相同的反应,多 国民党,是由指挥钨和ZV整形乙 。任意球为基准指令解决过程中的一个和投入整形称为卷积。如果可以显示输入整形因卷积(插二)由一个脉冲序列适合消除振荡克,而该基线指令,钨,获得了一些稳态值, 那么非线性元件的原有系统不会有任何不利影响的振荡抑制性能的影响 形信号,即刻。 这是因为原有的制度朝野如果信号ynp创立妥善塑造指令部 克。如果这些委用条件双方不能满足, 那么非线性元件的原有系统,可减少降低性能的原始振动投入整形 。祸害率的评价限制器形指令任何十大回转速度参数, S号 一个可以发挥无遗褶分析每个组合的X和S ,这当然是不切实

20、际的。相反,一个可能很快评价限制器的影响率,通过使用一个无量纲比率rzv 。这个例如述说速率限制器改变一个参考信号,如何迅速建立Z对输入整形改观参考信号。 这是因为小车 rzv edzv = 50% 80.6%,63.9% ,而dzv的成型期。 一个速率限制因素对输入整形并没有对Z有不利影响, 不管他的指令是X或S参数,对下列范围rzv : 1przvpn或rzv 1=氮, 氮1 , 2 , 3 ,信义 rzv的价值的MARC起重机,是在可接受的范围以内. 这些结果列于表1 .卷积分析技术也可以用来分析不同的开关元件对整形的Z (召回该开关元件电机回应影响只有移行速度指令由起重机发出) 。发现

21、不利影响确实存在, 即便如此固有频率和H这严重影响这些差异大约为逆的, 如果没有利用，由于h值为博起重机诱发振荡造成的开关元件仍signi.cantly低于整形。 这显然表明无花果. 12 . 固线. 定单获得通过模拟试验; 它表明如何残余振幅当输入整形,是采用随哦 自然频率H的三角形和四方形标志,是实验振荡振幅与不整形, 分别; 其安插在图表上对应的商品,为博起重机. 根据上述结果,一方面是保证输入整形模块图. 9 signi.cantly减少有效载荷诱发的运动振荡,即使存在非线性的驱动和电机厂。 bene.cial各式各样的影响输入整形分别由拥有众多起重机经营商通过一个杂乱的工作环境前后无

22、输入整形(琼等. 2004年) 。 而起重机的运动,向下寻找录像机捕获载荷的议案。 无花果. 13比较反应的一个典型试验. 在不定形议案钩摆动时,起重机正在指挥提出后,有人指挥停车, 此外,载荷两次相撞周围的障碍。 相比之下,形轨迹显示诱发振荡的方案被淘汰,并没有发生碰撞。 32 定位模块再次审议传递函数( 6 ) ,用于间接支承单位的电缆角度速度。状态空间描述这种植物后,直接的传递函数: 由于关系季和Y成立( 8 ) , 1日承认,该国第二季等于_yl ,手推车之间的相对位移和有效载荷。 计算值,我们有因为真正的一部分的值是一个负数, 国家Q2为渐近稳定Lyapunov意义。 因此,值总是趋

23、近于零。这个正规治疗中的状态方程,一个明显的事实是强调: 有效载荷将始终来至下方直接间接支持点。 因此,精确定位的支承单位损耗等于精确定位的有效载荷。这一事实让定位模块被设计成一个配置控制器的损耗支持该股反而 非控制器配置的有效载荷,从而简化了控制目标signi.cantly . 这一有效载荷定位策略采用PD控制器则说明方框图无花果. 14 . 本模块控制地位的有效载荷沿大桥轴线. 一个理想的设想是发给管理人员作为一个位置参考信号,公关。 关于博起重机,一台激光距离传感器提供桥架位置的反馈,铅. 这两种信号进行比较,产生一种错误的信号,聚乙烯,即送到钯块。 针对不同的错误信号,钯块产生一个信号

24、较预期桥架速度。 为防止这一信号驱动桥架从超过安全速度, 一个已经插入饱和PD控制块。 截短参考速度,村,送到桥式驱动马达的, 造成桥梁响应速度的VB。 最后,载荷对大桥的速度与有线的角度看,昆明。稳定的模块,可确定的. RST的考虑产出, VB和昆明. 该系统被认为是基本稳定,如果对任何有界的投入体系,产出, VB和昆明也有界。 其次,因为存在着非线性(例如饱和开关座元件, 速率限制器) ,还必须关注极限环的存在。 BIBO稳定系统迅速确定考虑特征的H (二阶植物在 驱动马达模型) ,有效载荷。对每个特征值均有负实部分。 因此,对于任何有界投入上述各厂,产出VB和昆明还将界的. 界VB可立即

25、显现,因为饱和界村。 由于VB的界线,昆明也是界的。 极限环系统与“硬”非线性预测存在,像饱和或速率限制因素, 已进行多年, 基于通过描述正弦输入函数使用方法。 描述函数法是一种近似技术,让一系列控制器增益为一个可预测系统无法呈现的极限环。 因为近似性的技术,三种偏差都可能(Slotine & Li, 1991) : （1 ) 上限周期的幅度和频率的预测是不准确的。( 2 )一个周期的限制预测,实际上并不存在。 ( 3 )现有的极限周期,是不是预言。 历史上的描述函数方法已用于对系统仅有一个非线性元件. 最近, 新的研究已经进行了因多种非线性元件了解环可能存在的极限 (安德森 1998年) 。

26、进行了系统的解答。 A controller enabling precise positioning and sway reduction inbridge and gantry cranesKhalid L. Sorensen, William Singhose_, Stephen DickersonAbstractPrecise manipulation of payloads is dif.cult with cranes. Oscillation can be induced into the lightly damped system by motion of the bridge

27、 or trolley, or from environmental disturbances. To address both sources of oscillation, a combined feedback and input shaping controller is developed. The controller is comprised of three distinct modules. A feedback module detects and compensates for positioning error; a second feedback module det

28、ects and rejects disturbances; input shaping is used in a third module to mitigate motioninduced oscillation. An accurate model of vector drive and AC induction motors, typical to large cranes, was used jointly with adeconvolution analysis technique to incorporate the nonlinear dynamics of crane act

29、uators into the control design. The controller isimplemented on a 10-ton bridge crane at the Georgia Institute of Technology. The controller achieves good positioning accuracy andsigni.cant sway reduction. r 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.Keywords: Input shaping; Command shaping; Crane contr

30、ol; Oscillation control; Anti-sway; Bridge crane; Gantry crane1. IntroductionBridge and gantry cranes occupy a crucial role within industry. They are used throughout the world in thousands of shipping yards, construction sites, steel mills, warehouses, nuclear power and waste storage facilities, and

31、other industrial complexes. The timeliness and effectiveness of this manipulation system are important contributors to industrial productivity. For this reason, improving the operational effectiveness of cranes can be extremely valuable. These structures, like the one shown in Fig. 1, are highly .ex

32、ible in nature. External disturbances, such as wind or motion of the overhead support unit (e.g. the bridge or trolley), can cause the payload to oscillate. In many applications these oscillations have adverse consequences. Swinging of the payload or hook makes precision positioning time consuming a

33、nd inef.cient for a human operator; furthermore, when the payload or surrounding obstacles are of a hazardous or fragile nature, theoscillations may present a safety risk (Khalid, Singhose, Huey, & Lawrence, 2004). The broad usage of bridge and gantry cranes, coupled with the need to control unwante

34、d oscillations, has motivated a large amount of research pertaining to the control of these structures. Engineers have sought toimprove the ease-of-use, increase operational ef.ciency, and mitigate safety concerns by addressing three primary aspects of crane systems: (1) motion-induced oscillation;

35、(2) disturbance-induced oscillation; and (3) positioning capability. Singer et al. reduced motion-induced oscillations of a 15-ton bridge crane by using robust input shaping techniques (Singer, Singhose, & Kriikku, 1997). Fang et al. proposed to control .nal trolley position and motioninduced oscill

36、ation through proportional-derivative (PD) control in which the coupling between the cable angle and the motion of the trolley was arti.cially increased (Fang, Dixon, Dawson, & Zergeroglu, 2001). Piazzi proposed a dynamic-inversion-based control for reducing transientand residual motion-induced osci

37、llation (Piazzi & Visioli, 2002) Kim implemented a pole-placement strategy on a real container crane to control motion and disturbanceinduced oscillation, as well as .nal positioning (Kim, Hong, & Sul, 2004). Moustafa developed nonlinear control laws for payload trajectory tracking based on a Lyapun

38、ov stability analysis (Moustafa, 2001). OConnor developed a control strategy based on mechanical wave concepts that involves learning unknown dynamics through an initial trolley motion (OConnor, 2003). Finally, Fliess used a generalized state variable model suggested in (Fliess, 1989), and then prop

39、osed a linearizing feedback control law (Fliess, Levine, & Rouchon, 1991). The position of the trolley and length of the payload cable were the controlled variables, and their respective reference trajectories were limited to a class of fourthorder polynomials to insure minimal payload sway. The con

40、trol did not attempt to eliminate disturbance-induced oscillations. The control schemes developed in the literature may be broadly grouped into three categories: time-optimal control, command shaping, and feedback control. The implementation of these various control methods presents several challeng

41、es. A common dif.culty is the behavior of drives and motors that actuate crane motion. Nonlinear behavior of these elements have been dif.cult to evaluate with traditional analysis techniques, and are, therefore, often neglected in controller designs. A drawback related to time-optimal control is it

42、s inability to be implemented in real-time, owing to the necessity of precomputation of system trajectories. There is no known implementation of a time-optimal control scheme used with a commercial crane (Gustafsson & Heidenback, 2002).Command shaping is a reference signal modi.cation technique that

43、 is implementable in real time (Singer & Seering, 1990). However, command shaping does not have the closed-loop mechanisms of feedback control, and must, therefore, be used in conjunction with a feedback control if it is to be used for disturbance rejection. Feedback control is the most common strat

44、egy used in research efforts to mitigate positioning and cable sway errors. This type of control is aptly suited for positioning a bridge or trolley. However, when a feedback controller must minimize cable sway, the control task becomes much more problematic. Accurate sensing of the payload must be

45、implemented, which is often costly or dif.cult. These dif.culties are discussed in detail for fully automatic commercial cranes in use at the Pasir Panjang terminal in Singapore (Gustafsson & Heidenback, 2002). Furthermore, feedback control schemes are somewhat slow because they are inherently react

46、ive. For example, when feedback is utilized to control cable sway, cable sway must be present in the system before the control will attempt to eliminate the undesired oscillations.One of the most useful techniques used for negating systems .exible modes is input shaping. Input shaping does not requi

47、re the feedback mechanisms of closed-loop controllers. Instead, the control reduces oscillations in an anticipatory manner, as opposed to the reactive manner of feedback. Oscillation suppression is accomplished with a reference signal that anticipates the error before it occurs, rather than with a c

48、orrecting signal that attempts to restore deviations back to a reference signal. In the context of crane control, this means that sensing cable sway is not necessary. As a result, input shaping is easier to implement than feedback schemes. In many instances, input shaping techniques are also amenable to hard nonlinearities present in actuating drives and motors. Input shaping techniques have proven effective at signi.cantly reducing motioninduced cable sway during crane motion (Kenison & Singhose, 1999; Lewis, Parker, Driessen, & Robinett, 1998; Singer et al., 1997; Singhose, Porter, Keniso