CN105668422A - 面向台车停车与负载消摆的桥式吊车紧急制动方法 - Google Patents

Abstract

一种面向台车停车与负载消摆的桥式吊车紧急制动方法。解决非线性桥式吊车系统紧急制动问题，本方法具有台车迅速制动以及负载摆动抑制的性能。首先对吊车系统紧急制动的目标进行深入分析，将其分为两部分进行处理，即台车快速制动以及制动过程中的负载摆动抑制。之后，通过分析系统动力学模型，针对台车制动以及负载摆动抑制分别设计相应的控制方法。最后将两种控制策略相结合，提出了一种综合的紧急制动策略，以同时实现台车停车与负载消摆的控制目标。实验结果表明，本发明能取得良好的控制效果，具有很好的实际应用价值。

Description

面向台车停车与负载消摆的桥式吊车紧急制动方法

技术领域

本发明属于非线性欠驱动机械系统自动控制的技术领域，特别是涉及一种着眼于桥式吊车台车紧急制动与负载摆动抑制的吊车紧急制动方法。

背景技术

在工业生产过程中，为搬运较重的负载至其指定的位置，各种各样的吊车系统均有着广泛的应用，它们为工业任务的完成提供了很大的帮助。其中桥式吊车系统作为一种最常见的吊车系统，在工业生产中承担着很重要的角色。对桥式吊车系统而言，无法直接对负载进行控制，而是通过台车的运动拖动负载运动。这种设计降低了系统的成本，同时也增加了系统控制的难度，使得桥式吊车系统成为一种欠驱动系统^[1]。因此，一般来说，桥式吊车均由经验丰富的工人操作，以避免出现负载摆动较大，导致危险的发生。但由于疲劳等原因引发误操作，导致了人工操作的吊车系统事故频发，对员工的人身安全以及工厂的工业生产都带来了极大的影响。基于上述考虑，对桥式吊车系统自动控制方法的研究，有着极其重要的现实意义。

对桥式吊车系统而言，控制目标主要包括两个方面，即快速精确的台车定位以及负载摆动的抑制与消除。但由于桥式吊车系统的欠驱动特性，同时完成这两方面的目标具有一定的难度，因此对该系统的自动控制方法的研究得到了广泛的关注，并提出了大量有效的桥式吊车控制策略^[2-14]。如Singhose等人利用输入整形的思想，为吊车设置相应的开环控制方法，可以在仅需要少量传感器的前提下，得到较好吊车控制效果^[2-3]。孙宁等通过对桥式吊车系统能量的深入分析，提出了一系列基于无源性的控制策略，可以得到渐进稳定的控制效果，并有着很好的鲁棒性^[4-5]。考虑吊车工作环境往往存在着不确定的各种干扰，一些学者将滑模控制算法成功地应用在桥式吊车系统上，能够得到较好的控制效果，并对未知干扰有着一定的抑制作用^[6-8]。轨迹规划方法着眼于为台车规划一条合理的曲线，并在规划过程中考虑负载摆动抑制的要求，同样可以得到较好的控制效果^[9-^12]。近年来，为充分利用操作人员的操作经验，一些学者提出了智能控制算法以控制吊车，如遗传算法^[13]、模糊控制^[14]等，均可得到较好的控制效果。

如上所述，桥式吊车系统的自动控制问题已经得到了深入的研究，并取得了一系列的成果。但同时也可以看出，这些往往是针对吊车系统的运送所设计的自动控制算法。由于桥式吊车系统的工作环境往往比较复杂，可能会出现一些突发情况。为保证安全，当突发情况出现时，可能需要吊车系统紧急制动，避免发生类似碰撞之类的事故。据我们所知，现阶段工业上所采用的桥式吊车系统，应对突发情况的紧急制动策略，往往是简单的台车抱闸制动。这种策略仅能保证台车及时制动，无法对制动后的负载摆动进行控制与抑制。因此，极可能会引起较大幅度的负载摆动，同样会导致类似碰撞的危险，造成一定的人员伤亡与财产损失。目前仅有少量对桥式吊车系统紧急制动的研究结果。马博军等提出了一种基于切换的吊车紧急制动算法，该方法将台车制动与负载摆动抑制作为两个步骤进行，但同样无法抑制在台车制动过程中可能发生的负载摆动，且由于切换的存在，整个制动的过程中控制量不连续，无法最大程度的保证安全性^[15]。

发明内容

本发明的目的是解决现有桥式吊车紧急制动算法存在的上述不足，提供一种面向台车停车与负载消摆的桥式吊车紧急制动方法。

本发明致力于通过分析桥式吊车系统紧急制动的控制目标，提出了一种面向台车停车与负载消摆的桥式吊车紧急制动方法，可实现台车在安全位置前的快速制动，同时对台车制动过程中的负载摆动进行有效的抑制，以最大程度的确保安全性，并将其应用于实际吊车平台进行实验，可极大地提高吊车系统应对紧急情况进行制动时的安全性。

本发明提供的面向台车停车与负载消摆的桥式吊车紧急制动方法包括：

第1、确定系统的控制目标

选择吊车系统台车初始位置为x_i，正常运送的目标位置为x_d，紧急制动情况下的安全位置为λ，开始紧急制动时的台车位置为x_b，则存在如下关系，即x_i＜x_b,x_b＜λ。系统的紧急制动控制目标包括两个方面，一是台车紧急制动，并保证制动过程中，台车的位置不会超过安全位置λ；二是负载摆动抑制，即在台车制动过程中，负载的摆动应得到有效的抑制，以保证系统的安全。

第2、设计紧急制动控制律

利用状态反馈的思想，设计紧急制动控制器，具体步骤如下：

第2.1、考虑台车制动的控制目标，构造如下的控制器：

其中，k₁,k₂∈R⁺表示正的控制增益，x(t),分别表示台车的位移以及台车的速度，括号中的t表示该变量是关于时间t的变量，为简化表示为x,λ表示系统的安全位置，x_b表示开始制动时刻台车的位置。

分析式(1)的具体形式，可以看出，F₁可以提供与台车速度方向相反的力，即制动力。同时，当台车位置距给定安全位置λ越近时，由于项的存在，相应的制动力也就越大，以保证台车更快的制动，避免发生碰撞。则可知，利用该控制器可以实现台车在安全位置前的制动；

第2.2、考虑制动过程中的负载摆动抑制，利用状态反馈，设计如下的摆动抑制控制律：

其中，k₃,k₄∈R⁺表示正的控制增益，θ(t),分别表示负载摆动的摆角以及摆动的角速度，括号中的t表示该变量是关于时间t的变量，为简化表示为θ,

分析式(2)的具体形式可知，控制器F₂利用摆角信号以及角速度信号反馈，可以根据负载的摆动快速响应，实现对负载摆动的有效抑制。

第2.3、综合两方面的控制目标，以及相应的控制器，可得到如下的紧急制动控制律：

第3、实现控制方法

利用吊车系统装备的码盘或激光传感器等，获得台车的位置与速度信号x(t),同时利用编码器或视觉传感器获得的负载摆动的摆角及角速度信号θ(t),利用设计的控制器(3)，计算得到实时的控制信号，驱动台车运动，完成紧急制动的控制目标。

本发明的优点和有益效果

本发明针对桥式吊车系统的紧急制动问题，提出了一种面向台车停车与负载消摆的桥式吊车紧急制动方法。具体而言，首先分析桥式吊车系统紧急制动的控制目标，将其具体分为两个方面，分别进行考虑与控制方法的设计。接着，针对台车快速制动的目标，设计了一种基于势函数思想的控制方法，可以实现台车在给定安全位置前及时制动；针对制动过程中负载摆动抑制的目标，设计了一种状态反馈的控制算法，可以实现对负载摆动的有效抑制。最后将两种控制方法相结合，提出了一种面向台车停车与负载消摆的桥式吊车紧急制动方法。本发明所提紧急制动方法，可以实现台车快速制动，且整个制动过程中，台车的位置均不会超过相应的安全位置；同时，由于加入了对负载摆角的处理项，可有效的抑制负载摆动，避免制动过程中出现碰撞等危险，保证了制动过程的安全。通过一系列的实验，验证了本发明中方法的有效性。

附图说明：

图1表示本发明中紧急制动算法实验1结果；

图2表示本发明中紧急制动算法实验2结果；

图3表示工业现有技术采用制动方法实验结果。

具体实施方式：

实施例1：

第1、确定系统的控制目标

选择吊车系统台车初始位置为x_i＝0，正常运送的目标位置为x_d＝0.8m，紧急制动情况下的安全位置为λ，开始紧急制动时的台车位置为x_b，则存在如下关系，即x_i＜x_b,x_b＜λ，λ,x_b的具体值参见第3步实验结果描述部分。系统的紧急制动控制目标包括两个方面，一是台车紧急制动，并保证制动过程中，台车的位置不会超过安全位置λ；二是负载摆动抑制，即在台车制动过程中，负载的摆动应得到有效的抑制，以保证系统的安全。

第2、设计紧急制动控制律

利用状态反馈的思想，设计紧急制动控制器，具体步骤如下：

第2.1、考虑台车制动的控制目标，构造如下的台车制动控制器：

其中，k₁,k₂∈R⁺表示正的控制增益，x(t),分别表示台车的位移以及台车的速度，括号中的t表示该变量是关于时间t的变量。

第2.2、考虑制动过程中的负载摆动抑制，利用状态反馈，设计如下的摆动抑制控制律：

其中，k₃,k₄∈R⁺表示正的控制增益，θ(t),分别表示负载摆动的摆角以及摆动的角速度，括号中的t表示该变量是关于时间t的变量。

第2.3、综合两方面的控制目标，以及相应的控制器，可得到如下的紧急制动控制律：

具体的参数选取，见实验结果描述部分。

第3、实验结果描述

为验证本发明所提方法的有效性，依照上述步骤，在桥式吊车实验平台上进行实验。该实验平台的具体参数如下：

M＝6.5kg,m＝1kg,l＝0.75m

其中M,m,l分别代表台车质量、负载质量和吊绳长度。实验分为两个方面进行，分别验证了本发明所提方法对不同安全距离下进行紧急制动的效果。同时作为对比，这里也给出了目前工业采用的台车直接抱闸制动结果。

正常运送时，选择吊车系统的控制算法为轨迹规划方法，具体的台车轨迹为：

其中，x_r(t)即台车参考轨迹，(t)代表它是时间相关的函数；l代表吊绳长度，这里l＝0.75m，g代表重力加速度常数，g＝9.8m/s²；T表示吊车从初始位置x_i运送到目标位置x_d的时间，这里设置T＝6s；p_d代表台车运送距离，且存在如下关系：

p_d＝x_d-x_i

第3.1、实验1：开始，台车按照参考轨迹x_r(t)运动，在3s时进行紧急制动，安全位置为λ＝0.6m，此时的台车位置为x_b＝0.4m。在实际应用时，安全位置根据吊车工作时影响其正常工作障碍物的位置确定。此时将吊车控制器切换为所设计的紧急制动控制器(3)，通过多次试验与调整，其具体控制增益选择如下：

k₁＝1,k₂＝4,k₃＝300,k₄＝80

具体的控制效果如附图1所示，其中虚线表示了给定的安全位置。从图中可以看出，在所设计制动方法作用下，台车很快停止，且整个制动过程中，台车的位置均未超过安全位置。同时负载摆动得到了有效的抑制，使其一直处在安全范围内。

第3.2、实验2：与实验1类似，开始先让台车按照参考轨迹x_r(t)运动，在3s时进行紧急制动。为进一步测试本方法的效果，此时设置安全位置为λ＝0.5m，可知此时的台车位置为x_b＝0.4m。此时将吊车控制器切换为所设计的紧急制动控制器(3)，通过多次测试，具体控制增益选择如下：

k₁＝1,k₂＝4,k₃＝300,k₄＝200

具体的控制效果如附图2所示，其中虚线表示了给定的安全位置。从图中可以看出，在所设计制动方法作用下，台车很快停止，且整个制动过程中，台车的位置均未超过安全位置。同时本方法有效地抑制了负载摆动，未发生过大幅度的摆动。

作为对比，附图3给出了利用现有技术采用制动方法，台车在3s时直接抱死的控制结果。可以看出，尽管此方法同样可以实现对台车的制动，但同时抱死的制动方法会导致负载大幅度摆动，造成了极大的安全隐患。

参考文献

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[15]MaB,FangY,ZhangY.Switching-basedemergencybrakingcontrolforanoverheadcranesystem.IETControlTheory&Applications,2010,4(9):1739-1747。

Claims (1)

1.一种面向台车停车与负载消摆的桥式吊车紧急制动方法，其特征在于该方法包括：

第1、确定系统的控制目标

选择吊车系统台车初始位置为x_i，正常运送的目标位置为x_d，紧急制动情况下的安全位置为λ，开始紧急制动时的台车位置为x_b，则存在如下关系，即x_i<x_b,x_b<λ；系统的紧急制动控制目标包括两个方面，一是台车紧急制动，并保证制动过程中，台车的位置不会超过安全位置λ；二是负载摆动抑制，即在台车制动过程中，负载的摆动应得到有效的抑制，以保证系统的安全；

第2、设计紧急制动控制律

利用状态反馈的思想，设计紧急制动控制器，具体步骤如下：

第2.1、考虑台车制动的控制目标，构造如下的控制器：

其中，k₁,k₂∈R⁺表示正的控制增益，x(t),分别表示台车的位移以及台车的速度，括号中的t表示该变量是关于时间t的变量，为简化表示为x,λ表示系统的安全位置，x_b表示开始制动时刻台车的位置；利用该控制器(1)能够实现台车在安全位置前的制动；

第2.2、考虑制动过程中的负载摆动抑制，利用状态反馈，设计如下的摆动抑制控制律：

其中，k₃,k₄∈R⁺表示正的控制增益，θ(t),分别表示负载摆动的摆角以及摆动的角速度，括号中的t表示该变量是关于时间t的变量，为简化表示为θ,利用该控制器(2)能够实现对负载摆动的有效抑制；

第2.3、综合两方面的控制目标，以及相应的控制器，得到如下的紧急制动控制律：

第3、实现控制方法

利用吊车系统装备的码盘或激光传感器，获得台车的位置与速度信号x(t),同时利用编码器或视觉传感器获得负载摆动的摆角及角速度信号θ(t),利用设计的控制器(3)，计算得到实时的控制信号，驱动台车运动，完成紧急制动的控制目标。