CN110589684A - 起重机防摇摆驱动控制方法 - Google Patents

起重机防摇摆驱动控制方法 Download PDF

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CN110589684A CN201910939483.4A CN201910939483A CN110589684A CN 110589684 A CN110589684 A CN 110589684A CN 201910939483 A CN201910939483 A CN 201910939483A CN 110589684 A CN110589684 A CN 110589684A
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张玉北
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Abstract

本发明涉及起重机控制领域，具体涉及一种起重机防摇摆驱动控制方法，包括以下步骤：1、通过传感器输入变量，包括小车位置x，速度载荷摆角θ以及摆角加速度2、将输入变量输入滑模控制模块，将滑模控制模块输出量引入二型模糊系统进行处理；3、设置二型模糊控制器中的输入输出隶属度函数；4、按照模糊规则进行二型模糊推理和降型,并通过解模糊得到最终的精确输出值Y；5、按照u＝k0*Y的方式将模糊论域输出变量转换为实际输出值控制力,k0为常数；6、把u的值应用在起重机防摆模型中,得出摆角,然后返回执行步骤1,直到摆角达到设定值。本发明具有更好的鲁棒性，具有优异的操控性能，具有更强的抗干扰能力。

Description

起重机防摇摆驱动控制方法
技术领域
本发明涉及起重机控制领域，具体涉及一种起重机防摇摆驱动控制方法。
背景技术
当起重机工作时，起重机的大车、小车以及起升装置通过各自的工作指令独立工作。当起重机搬运货物加速水平移动，或者当货物搬运至目标地点减速运行时，由于起重机大车、小车的加减速，使货物发生摇摆。当货物发生摇摆时，不能进行卸货作业。对于摇摆现象，一般措施是起重机操作人员通过控制大小车，使大车、小车的加速度方向与货物的摇摆方向相同来减小最大摇摆角，并通过不断的重复操作来逐渐减小最大摇摆角来消除摇摆。人工消除摇摆费时费力，对起重机操作人员的操作本领要求很高，并且要耽误很长的工作时间，人工消除摇摆的时间大约占整个货物吊装时间的三分之一，严重的货物摇摆甚至会危及工作人员以及起重设备的安全。
防摇摆技术分为机械式与电子式两种。机械式防摇摆是通过增加机械装置或者增加起重机吊装钢索的刚度来抑制摇摆现象。机械式防摇摆装置实现简单，可操作性强，但是需要额外增加复杂的防摇摆机械或液压装置，增加了投资成本，增加了起重机设备的体积与重量，降低了系统的整体可靠性。电子式依靠电机控制器根据起重机工作状态对大车、小车进行控制，以起重机大车、小车运行速度，起升装置吊索长度，摇摆角度，摇摆角加速度的大小为依据对大车、小车进行控制，消除摇摆现象。电子式防摇摆装置分为开环控制式与闭环控制式。开环防摇摆控制系统结构简单，但控制精度低，响应速度慢，调节效果有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种起重机防摇摆驱动控制方法，采用闭环控制，具有更好的鲁棒性，具有优异的操控性能，在工作过程中能够通过实时监测与反馈快速消除外部扰动造成的干扰，具有更强的抗干扰能力。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
所述起重机防摇摆驱动控制方法，包括以下步骤：
步骤1、通过传感器输入变量，包括小车位置x，速度载荷摆角θ以及摆角加速度
步骤2、按照公式将输入变量xθ输入滑模控制模块，将滑模控制模块输出量引入二型模糊系统进行处理，其中， s1，s2表示水平位移与摆角两组状态构成的第一级滑动平面，c1，c2表示输入调节参数，α、β分别表示为一级滑动函数的调整参数，e表示水平方向上当前位置x与参考位置x*之差，为起重机水平运动速度误差；
步骤3、依据式σ∈[σ1，σ2]设置二型模糊控制器中的输入输出隶属度函数，其中m为隶属度函数的中心,σ1和σ2为隶属度函数的两个偏差；
步骤4、按照模糊规则进行二型模糊推理和降型,并通过解模糊得到最终的精确输出值Y。
步骤5、按照u＝k0*Y的方式将模糊论域输出变量转换为实际输出值控制力,k0为常数；
步骤6、把u的值应用在起重机防摆模型中,得出相应的起重机摆角,然后返回到步骤1继续执行,直到摆角达到设定值。
起重机防摇摆控制对工作效率的提高和载荷碰撞的预防起着至关重要的作用。为了有效地降低因不确定性因素带来的载荷摇摆,以二型模糊逻辑理论为基础,建立相应的二型模糊控制器对起重机小车进行控制,根据实时检测到小车速度，摆角以及摆角速度对起重机小车进行控制,使得起重机工作过程中摆角尽可能的最小。
为了降低一般二型模糊系统在模糊推理及降型中的计算复杂度问题,我们采用区间二型模糊集合表达方式。由于高斯型隶属度函数曲线形状和控制特性都比较平缓,稳定性好,是描述模糊子集的合理形式。因此，隶属度函数选用不确定偏差的区间二型高斯隶属度函数。
滑模控制具有结构简单和鲁棒性好的优点，由于在滑模面周围的开关特性不连续，通常会出现颤振问题，这种颤振问题会影响滑模控制的控制性能，尤其影响衰减载荷振荡的性能。此外，不确定的干扰因素也会对控制过程产生一定的不利影响，区间2型模糊逻辑系统与滑模控制相结合，能够解决抖振和不确定干扰因素问题。
优选地，为了展现出二型模糊控制系统的优势，输入输出变量均采用五级模糊划分方式，即“负大(NS)"、“负小(NL)”、“零(ZO)”、“正小(PL)”、“正大(PS)”,输入变量分别代表负大摆幅、负小摆幅和没有摆幅、正小摆幅、正大摆幅五种摇摆角度,输出变量分别代表负大控制力、负小控制力、无需控制力、正小控制力、正大控制力五种种控制力输出。
优选地，在起重机加减速阶段k0取大值T，以实现叫减速过程抑制摇摆效果；在起重机匀速阶段k0取小值t，以实现匀速吊装过程中的限制摇摆效果。
优选地，所述步骤4的具体实现方式为：
4.1、模糊器模块将精确的输入变量根据模糊语言映射到2型模糊集，且只考虑单点模糊集合，二型模糊集合只有一个非零隶属度的点；
4.2、将专家经验知识通过“if-then”逻辑关系的形式表达出来，“if-then”表达式的描述如下：If x1 isand…and xp isthen y is Bl，其中是规则的前件二型模糊集合，Bl是规则的后件二型模糊集合，p是输入变量的维数，l是规则序数；
4.3、二型模糊系统采用单点模糊化方法进行模糊推理；
4.4、区间二型模糊集采用center-of-set集合类型简化方法进行降型为一型模糊集合后通过模糊集合到精确数的映射解模糊，采用加权平均的方法得到精确输出值Y。
优选地，起重机防摆模型如下：
定义小车的质量M，吊重的质量G，钢丝绳长度为L，重力加速度为g，小车位置x，速度加速度吊重摇摆角度θ，摆角速度摆角加速度作用在起重机上的驱动力F及摩擦阻力f；
根据牛顿力学定律，得到起重机-吊重系统的非线性运动方程
忽略摩擦阻力f，并在平衡位置附近对(1)式进行线性化处理，并满足摆角θ<10度，得到起重机-载荷系统近似线性方程：
将(2)转换成状态方程表达式得
式中：u＝[F]，
按水平位移与摆角两组状态设计第一级滑动平面s1，s2，
其中，e表示水平方向上当前位置x与参考位置x*之差，e＝x-x*,为起重机水平运动速度误差，摆角及角速度的目标值为零，表示给定参考速度，c1，c2表示正常数；
采用等效控制法求取水平位移系统与摆角控制系统在滑动平面上的等效控制量ueq1，ueq2
ueq2＝-(C2B2)-1C2A22θ (7)
其中，C1＝[c1 1]，C2＝[c2 1]；
u＝usw+ueq1+ueq2 (8)
usw为系统趋近阶段的切换控制量；
定义α、β为正常数，构造第二级滑动平面S:
S＝αs1+βs2 (9)
其中，s1，s2表示水平位移与摆角两组状态构成的第一级滑动平面；
构造切换控制量函数usw,取V＝S2/2李雅普诺夫为能量函数，令
usw(βC2B2-αC1B1)+(βC2B2ueq1-αC1B1ueq2)＝ηsgn(S)-kS (10)
η,k为大于零的常数，
令β＝1,将C1B1和C2B2代入，得到系统的切换控量usw和总的控制量u，
usw＝-μueq1-αLμueq2+MLηsgn(S)+MLkS (11)
u＝αLμueq1+μueq2+MLηsgn(S)+MLk (12)
其中S＝αs1+βs2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用闭环控制，具有更好的鲁棒性，具有优异的操控性能，在工作过程中能够通过实时监测与反馈快速消除外部扰动造成的干扰，具有更强的抗干扰能力。为了有效地降低因不确定性因素带来的载荷摇摆,以二型模糊逻辑理论为基础,建立相应的二型模糊控制器对起重机小车进行控制,根据实时检测到小车速度，摆角以及摆角速度对起重机小车进行控制,使得起重机工作过程中摆角尽可能的最小。滑模控制具有结构简单和鲁棒性好的优点，由于在滑模面周围的开关特性不连续，通常会出现颤振问题，这种颤振问题会影响滑模控制的控制性能，尤其影响衰减载荷振荡的性能。此外，不确定的干扰因素也会对控制过程产生一定的不利影响，区间2型模糊逻辑系统与滑模控制相结合，能够解决抖振和不确定干扰因素问题。
附图说明
图1是小车-载荷动力学模型。
图2是起重机防摆二型模糊控制结构图。
图3是区间二型高斯隶属度函数。
图4是二型模糊控制系统输入输出变量五级模糊划分图。
图5是二型模糊系统结构图。
图6是二型滑模函数模糊推理图。
图7是二型模糊滑模控制结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：
实施例1：
如图1-7所示，本发明所述起重机防摇摆驱动控制方法，包括以下步骤：
步骤1、通过传感器输入变量，包括小车位置x，速度载荷摆角θ以及摆角加速度
步骤2、按照公式将输入变量xθ输入滑模控制模块，将滑模控制模块输出量引入二型模糊系统进行处理，其中， s1，s2表示水平位移与摆角两组状态构成的第一级滑动平面，c1，c2表示输入调节参数，α、β分别表示为一级滑动函数的调整参数，e表示水平方向上当前位置x与参考位置x*之差，为起重机水平运动速度误差；；
步骤3、依据式σ∈[σ1，σ2]设置二型模糊控制器中的输入输出隶属度函数，其中m为隶属度函数的中心,σ1和σ2为隶属度函数的两个偏差；由于高斯型隶属度函数曲线形状和控制特性都比较平缓,稳定性好,是描述模糊子集的合理形式，因此，隶属度函数选用不确定偏差的区间二型高斯隶属度函数；
步骤4、按照模糊规则进行二型模糊推理和降型,并通过解模糊得到最终的精确输出值Y，
步骤5、按照u＝k0*Y的方式将模糊论域输出变量转换为实际输出值控制力,k0为常数；
步骤6、把u的值应用在起重机防摆模型中,得出相应的起重机摆角,然后返回到步骤1继续执行,直到摆角达到设定值。
起重机防摆模型如下：
定义小车的质量M，吊重的质量G，钢丝绳长度为L，重力加速度为g，小车位置x，速度加速度吊重摇摆角度θ，摆角速度摆角加速度作用在起重机上的驱动力F及摩擦阻力f；
根据牛顿力学定律，得到起重机-吊重系统的非线性运动方程
忽略摩擦阻力f，并在平衡位置附近对(1)式进行线性化处理，并满足摆角θ<10度，得到起重机-载荷系统近似线性方程：
将(2)转换成状态方程表达式得
式中：u＝[F]，
按水平位移与摆角两组状态设计第一级滑动平面s1，s2，
其中，e表示水平方向上当前位置x与参考位置x*之差，e＝x-x*,为起重机水平运动速度误差，摆角及角速度的目标值为零，表示给定参考速度，c1，c2表示正常数；
采用等效控制法求取水平位移系统与摆角控制系统在滑动平面上的等效控制量ueq1，ueq2
ueq2＝-(C2B2)-1C2A22θ (7)
其中，C1＝[c1 1]，C2＝[c2 1]；
u＝usw+ueq1+ueq2 (8)
usw为系统趋近阶段的切换控制量；
定义α、β为正常数，构造第二级滑动平面S:
S＝αs1+βs2 (9)
其中，s1，s2表示水平位移与摆角两组状态构成的第一级滑动平面。
构造切换控制量函数usw,取V＝S2/2李雅普诺夫为能量函数，令
usw(βC2B2-αC1B1)+(βC2B2ueq1-αC1B1ueq2)＝ηsgn(S)-kS (10)
η,k为大于零的常数，
令β＝1,将C1B1和C2B2代入，得到系统的切换控量usw和总的控制量u，
usw＝-μueq1-αLμueq2+MLηgn(S)+MLkS (11)
u＝αLμueq1+μueq2+MLηsgn(S)+MLk (12)
其中，S＝αs1+βs2。
本实施例中，c1取1,c2取5,α取1,β取1。
其中，为了展现出二型模糊控制系统的优势，输入输出变量均采用五级模糊划分方式，即“负大(NS)"、“负小(NL)”、“零(ZO)”、“正小(PL)”、“正大(PS)”,输入变量分别代表负大摆幅、负小摆幅和没有摆幅、正小摆幅、正大摆幅五种摇摆角度,输出变量分别代表负大控制力、负小控制力、无需控制力、正小控制力、正大控制力五种种控制力输出，根据区间二型模糊逻辑理论，滑模函数需要用不确定性标准差区间二型高斯隶属度函数进行模糊化，将s的模糊输入输出分为五个语言变量；其中，在本实例中，在起重机加减速阶段k0取T＝15，在起重机匀速阶段k0取t＝5。
所述步骤4的具体实现方式为：
4.1、模糊器模块将精确的输入变量根据模糊语言映射到2型模糊集，且只考虑单点模糊集合，二型模糊集合只有一个非零隶属度的点；
4.2、将专家经验知识通过“if-then”逻辑关系的形式表达出来，“if-then”表达式的描述如下：If x1 isand…and xp isthen y is Bl，其中是规则的前件二型模糊集合，Bl是规则的后件二型模糊集合，p是输入变量的维数，l是规则序数；
4.3、二型模糊系统采用单点模糊化方法进行模糊推理；
4.4、区间二型模糊集采用center-of-set集合类型简化方法进行降型为一型模糊集合后通过模糊集合到精确数的映射解模糊，采用加权平均的方法得到精确输出值Y。
模糊推理的原理为：
对于一个二型模糊系统，有p维输入x＝(x1；…；xp)，x1∈X1，…，xp∈Xp,系统的输出为y,y∈Y,有M条规则，对应的第l条规则描述如下：
Rl：If x1 isx2 isxp isthen yl is
这里和是分别为xi∈R和y∈R上的二型模糊集合。所有的M条规则构成了二型模糊系统的规则库。其中第l条规则可以由下列二型模糊关系表示：
此外，第i个输入和输出变量隶属函数为和第l条规则的推理结果如下：
这里是第l条触发规则的模糊推理值，表示第i个输入的二型模糊集合隶属度值。
然后，采用单点模糊化方法，将第l条规则简化如下式
前件推理过程表示为
和f l为二型模糊系统上、下隶属度函数。
center-of-set集合类型简化方法的核心是Karnik和Mendel提出的K-M迭代法。k-m迭代法的过程描述为：
这里，Ycos是由yl和yr定义的区间集合。yi＝[yl,yr]。
为了得到yl和yr，需要计算{fl i,i＝1,2,…,M}和{fr i,i＝1,2,…,M}。K-M迭代步骤如下：
(1)计算yr
1).首先，设定其中i＝1,2,3,…，M，将fr i用升序排列，fr 1≤fr 2≤…≤fr M。根据式(19)计算yr，和f l已经通过式(16)与式(17)得到。令
2).找出满足的R值(1<R<M-1)；
3).根据式(19)计算出yr，
令
4).如果yr′≠y″r，则执行步骤5；如果yr′＝y″r，就结束并令
5).令yr′＝y″r，然后返回执行步骤2。
(2)计算yl
为了实现降型过程，需求yl。把yr i替换成yl i,在第二步中,找出L(1<L<M-1),使在第三步中，当i≤L时，i＞L时，fl i＝f i。根据相同的步骤，也可得到了yl。
求得的ycos是一个区间集合，采用yl和yr的平均值实现解模糊，根据(20)得到准确的输出。
起重机防摇摆控制对工作效率的提高和载荷碰撞的预防起着至关重要的作用。为了有效地降低因不确定性因素带来的载荷摇摆,以二型模糊逻辑理论为基础,建立相应的二型模糊控制器对起重机小车进行控制,根据实时检测到小车速度，摆角以及摆角速度对起重机小车进行控制,使得起重机工作过程中摆角尽可能的最小。
为了降低一般二型模糊系统在模糊推理及降型中的计算复杂度问题,我们采用区间二型模糊集合表达方式。与传统的模糊逻辑系统相比，通过采用滑模函数s作为输入变量，2型模糊逻辑控制器的规则条数明显减少。对避免多变量系统的维数弊端具有重要意义。
滑模控制具有结构简单和鲁棒性好的优点，由于在滑模面周围的开关特性不连续，通常会出现颤振问题，这种颤振问题会影响滑模控制的控制性能，尤其影响衰减载荷振荡的性能。此外，不确定的干扰因素也会对控制过程产生一定的不利影响，区间2型模糊逻辑系统与滑模控制相结合，能够解决抖振和不确定干扰因素问题。

Claims (5)

1.一种起重机防摇摆驱动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、通过传感器输入变量，包括小车位置x，速度载荷摆角θ以及摆角加速度
步骤2、按照公式将输入变量x，θ，输入滑模控制模块，将滑模控制模块输出量引入二型模糊系统进行处理，其中， s1，s2表示水平位移与摆角两组状态构成的第一级滑动平面，c1，c2表示滑模输入调节参数，α、β分别表示为一级滑动函数的调整参数，e表示水平方向上当前位置x与参考位置x*之差，为起重机水平运动速度误差；
步骤3、依据式σ∈[σ1，σ2]设置二型模糊控制器中的输入输出隶属度函数，其中m为隶属度函数的中心,σ1和σ2为隶属度函数的两个偏差；
步骤4、按照模糊规则进行二型模糊推理和降型,并通过解模糊得到最终的精确输出值Y；
步骤5、按照u＝k0*Y的方式将模糊论域输出变量转换为实际输出值控制力,k0为常数；
步骤6、把u的值应用在起重机防摆模型中,得出相应的起重机摆角,然后返回到步骤1继续执行,直到摆角达到设定值。
2.根据权利要求1所述的起重机防摇摆驱动控制方法，其特征在于，输入输出变量均采用五级模糊划分方式。
3.根据权利要求1所述的起重机防摇摆驱动控制方法，其特征在于，在起重机加减速阶段k0取大值T，以实现叫减速过程抑制摇摆效果；在起重机匀速阶段k0取小值t，以实现匀速吊装过程中的限制摇摆效果。
4.根据权利要求1所述的起重机防摇摆驱动控制方法，其特征在于，所述步骤4的具体实现方式为：
4.1、模糊器模块将精确的输入变量根据模糊语言映射到2型模糊集，且只考虑单点模糊集合；
4.2、将专家经验知识通过“if-then”逻辑关系的形式表达出来，“if-then”表达式的描述如下：其中是规则的前件二型模糊集合，Bl是规则的后件二型模糊集合，p是输入变量的维数，l是规则序数；
4.3、二型模糊系统采用单点模糊化方法进行模糊推理；
4.4、区间二型模糊集采用center-of-set集合类型简化方法进行降型为一型模糊集合后通过模糊集合到精确数的映射解模糊，采用加权平均的方法得到精确输出值Y。
5.根据权利要求1所述的起重机防摇摆驱动控制方法，其特征在于，起重机防摆模型如下：
定义小车的质量M，吊重的质量G，钢丝绳长度为L，重力加速度为g，小车位置x，速度加速度吊重摇摆角度θ，摆角速度摆角加速度作用在起重机上的驱动力F及摩擦阻力f；
根据牛顿力学定律，得到起重机-吊重系统的非线性运动方程
忽略摩擦阻力f，并在平衡位置附近对(1)式进行线性化处理，并满足摆角θ<10度，得到起重机-载荷系统近似线性方程：
将(2)转换成状态方程表达式得
式中：u＝[F]，
按水平位移与摆角两组状态设计第一级滑动平面s1，s2，
其中，e表示水平方向上当前位置x与参考位置x*之差，e＝x-x*,为起重机水平运动速度误差，摆角及角速度的目标值为零，表示给定参考速度，c1，c2表示正常数；
采用等效控制法求取水平位移系统与摆角控制系统在滑动平面上的等效控制量ueq1，ueq2
ueq2＝-(C2B2)-1C2A22θ (7)
其中，C1＝[c1 1]，C2＝[c2 1]；
u＝usw+ueq1+ueq2 (8)
usw为系统趋近阶段的切换控制量；
定义α、β为正常数，构造第二级滑动平面S:
S＝αs1+βs2 (9)
其中，s1，s2表示水平位移与摆角两组状态构成的第一级滑动平面；
构造切换控制量函数usw，取V＝S2/2李雅普诺夫为能量函数，令
usw(βC2B2-αC1B1)+(βC2B2ueq1-αC1B1ueq2)＝ηsgn(S)-kS (10)
η，k为大于零的常数，
令β＝1，将C1B1和C2B2代入，得到系统的切换控量usw和总的控制量u，
usw＝-μueq1-αLμueq2+MLηsgn(S)+MLkS (11)
u＝αLμueq1+μueq2+MLηsgn(S)+MLk (12)
其中S＝αs1+βs2。
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