基于调频的同步行走和起升动作输入整形控制系统外文翻译资料

 2022-03-12 15:41:40

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基于调频的同步行走和起升动作输入整形控制系统

摘要:

本文介绍了一种基于同步行走和起升动作的起重机操作输入整形控制系统｡控制系统采用了基于模型的局部反馈线性化和调频｡传统的输入整形控制器以特定的系统频率为目标，因此，它们无法容纳与同步行走和起升动作相关的起重机动作时间依赖频率｡主输入整形频率是基于系统的最低工作频率，与最长的吊装电缆长度运行有关，频率调制将与时间相关的系统频率调至到主输入整形控制器的设计频率，采用局部反馈线性化方法消除了系统的时变阻尼｡本文给出了利用主零振动(ZV)和零振动导数(ZVD)输入整形器的仿真结果，对于一般任意输入行走和起升命令，结果表明，所提出的控制系统能够消除所有模拟情况下的残余振荡｡

  1. 导言

起重机的动力学和控制在过去几十年中得到了广泛的研究｡本研究主要针对减少或消除残余振动，以减少动作时间｡由于反馈控制具有建模不确定性，所以通常是在开环控制系统上选择的。在开放回路控制系统中，不需要增加额外的硬件组件，例如，运动传感器，振荡角传感器，负载摇摆传感系统｡

使用开环控制系统的一种方法是命令整形｡此方法用于移动挂起的对象或灵活的系统｡斯塔尔为悬浮物体的无摆动传输提出了一种策略｡结果表明，对于简单挂起的对象，有一个加速策略系列，我们称为双步骤命令整形，它可以以所选速度产生无摆动运动｡

输入整形是最广泛使用的命令整形技术之一｡输入整形减少了残余振动通过卷积一系列计时的脉冲所用的一般参考命令信号｡时间延迟筛选器的成功实现，减少了输入整形器的无阻尼和阻尼系统的混乱｡Singhoseet.通过它将平滑命令转化为输入形状函数来比较平滑和非光滑命令｡他们得出结论，在S曲线平滑函数的速度必须比零振动整形的阶跃指令慢4倍的情况下，才能消除单模系统的振动｡Erkorkmaz和Altintas通过对第一和第二次进给速率的导数施加限制，提出了连续位置､速度和加速度的方法｡

Alhazza和Masoud引入了一个连续的波形命令配置文件，消除了单模式系统中的残余振动｡显示了连续命令离散化对系统性能的影响｡命令整形的定时灵敏度受采样速率和控制硬件切换时间精度的影响｡通过将模拟反馈系统加入其命令整形算法中，它们能够减轻时间的影响，随后将其工作扩展为包括阻尼的效果｡

在系统模型中包括同步进行的行走和起升动作使得它在数学上更加复杂｡一些研究人员假设恒定的电缆长度来简化模型｡这些策略依赖于提高负载｡在涉及起升的动作中实现恒定长度，输入整形机可以降低残余振动，但不能消除它们｡然而，研究已经表明，包括同步行走和起升在内的指令整形｡图形配置文件生成､波形配置文件､迭代学习控制和离散时间命令配置文件都用于起重机动作的形状命令，涉及同步行走和卷扬机。最近，周小川采用了等效频率和等效阻尼比的概念，考虑了改变起升长度，考虑了最优路径规划，避免了碰撞，提高了效率｡阿卜杜拉等，提出了一种基于输出的命令整形(OCS)技术，用于提高起重机的有效载荷摇摆控制｡所提出了基于实际系统的输出信号和参考模型的技术，可用于最小化起升对载荷摇摆的影响。

海绵等首先开发了欠驱动机械系统的局部反馈线性化(PFL)的一般理论，如本文所考虑的桥式起重机｡从那以后，这项技术一直是在被广泛研究，郑和陈使用了一个控制器，它结合了反馈线性化方法和延时控制方案｡时延控制在不确定因素的影响下完成了非线性系统的反馈线性化｡方和Kelkar在完全非线性航天器模型中使用此技术｡提出了一种基于PFL的龙门起重机系统的非线性控制器设计方案｡在闭环系统中考虑了一个PFL控制器，提供了小车位置､摇摆抑制和负载起升控制｡Cho和Lee建议使用PFL与纠正控制来补偿系统错误的控制器｡Leet.提出了一种基于两种控制设计技术相结合的桥式起重机非线性控制方案，其中PFL主要用于货物摆动控制｡PFL方法简单，易于设计和实现｡但是，它对于具有不确定性的系统并无优良效果｡

桥式起重机动作包括同步行走和起升，在这项工作中，本文提出了一种调频输入整形控制方案，允许在起重机上同时进行行走和起升动作｡因为大多数输入整形技术都针对特定的离散系统频率，这使得它成为输入整形设计的一个难题｡该方案旨在满足不断变化的提升电缆长度所引入的连续时变系统频率｡该方案允许卷扬机操作员任意操纵杆和行走命令｡这是通过运行不同的模拟对起重机的一系列随机转移动作的非线性模型的结果｡

  1. 数学模型

将桥式起重机建模成一个具有起升长度可变的简单电缆钟摆｡起重机的载荷被建模成一个刚体的质量，附着在无质量且不可伸展的刚性电缆末端L上，如图1｡利用拉格朗日方法求出了模型的非线性运动方程｡

u是起重机臂架的运动｡对于小振荡角?，(1)被线性化为

图1：桥式起重机模型

等式(2)表示具有时变频率的阻尼振荡器｡阻尼是提升电缆长度变化的结果｡因此，该系统在起升动作时会出现负阻尼，从而增加载荷振荡的振幅｡

  1. 调频输入整形

输入整形是一种技术，用于修改一般的命令信号，convolving是输入信号与序列的精确定时脉冲｡形状的命令减轻了它自己的兴奋振动｡在过去的三年里，大量的输入整形已经被开发出不同级别的鲁棒性｡基本输入整形装置是为具有特定恒定频率的系统设计的｡高阶整形装置是可以容纳离散频率的集合;但是，这些整形者往往会大大减慢系统的速度｡

图2：频率调制输入整形的示意图框图

3.1调频

起升电缆长度的大变化引入了一系列连续变化的频率｡在这项工作中，基于模型的调频(FM)用于消除起重机模型中的阻尼，并限制其对恒定的设计频率的响应，无论吊装电缆长度｡这使得使用单一频率快速输入整形技术成为可能｡然后使用反馈起重机模型的设备的命令信号来驱动实际的起重机系统，如图2

反馈控制法采用的是

a和b是时间的变化｡将此控制律应用于系统的线性运动方程，（2）产生

得到的结果a和b被选择减少（4）作为到一个简单的谐振子模型

简化模型的响应频率?将用于设计单频输入整形机｡反馈结果a和b通过将（4）的系数设置为(5)的系数来确定｡所得计算公式为

3.2输入整形

理想情况下，任何输入整形技术都可用于设计调频输入整形方案的主输入整形机｡在这项工作中，采用零振动(ZV)输入整形技术进行调频输入整形控制， 被认为是最快的技术，也是更优良的零振动-导数(ZVD)输入整形技术｡

ZV输入整形过程是两个脉冲的卷积，带有一个常规输入命令，如图3所示｡对ZV整型机第二个脉冲的响应，减轻了第一个脉冲激发的振动｡设计了脉冲的振幅和它们的时间位置，使残余振动为零｡ZV输入整形机的脉冲振幅和脉冲时间是

图3：对ZV输入整形机的脉冲响应

零震动(ZV)输入整形

图4：对ZVD输入整形机的脉冲响应

零振动-导数（ZVD）输入整形

ZVD输入整形过程是三脉冲的卷积，带有一个通用的输入命令，如图4｡设计了ZVD脉冲及其时间位置，使形状输入所引起的残余振荡的振幅和导数为零，这个结果在窗体中的输入整形机中。

通常，使用ZVD整形机具有更好的鲁棒性和低灵敏度;然而，整形机的时间长度是ZV整形机的双倍｡

  1. 数值模拟

为了证明所提出的调频整形机的性能，本节介绍了几种仿真模型｡模型的驱动使用了阶梯加速度命令，振幅设置为为1米/s2.臂架的最大速度设置为0.6米/秒｡起升机加速度和速度分别设置为1米/s2和0.6米/秒，吊装电缆的最小长度设置为2米，而最大长度设置为10米｡FM整形机的设计频率设置为1rad/秒，近似地对应于起升电缆的最大长度｡无阻尼FM整形机的设计模型使用(8)和(10)，由此产生的ZV和ZVD整形器是

图5： 使用FM形状命令与主ZV输入整形器同时进行行走和起升动作

图5显示＂臂＂和＂提升加速＂命令｡该图还显示了在臂加速度命令通过主ZV整形机后｡生成的有效负载轨迹位于图5（b）中｡初始电缆长度设置为10米｡该有效载荷被悬挂在2米至8米的臂架下，然后将8米降至6米的臂下｡同时，臂架执行12米的行走动作｡基于调频模型的反馈使模型的频率保持固定，其设计值为1rad/秒，这使得使用单模ZV整形机成为可能｡图5（c）中显示了与FM反馈和相应的臂速度相结合的ZV加速度命令｡使用了基于ZV的FM整形器和ZV整形器的负载响应振荡角的比较显示在图5（d）中｡图5（d）显示，使用FM整形器实际上消除了有效载荷行程和残余振荡｡ZV主整形的时间成本仅为设计周期的一半｡

图6：使用FM形状命令与主ZVD输入整形机同时移动和提升动作

在(12)中使用ZVD主输入整形器重复相同的动作｡图6显示了与ZV主输入整形机的情况相同的满意性能，图5中和图6中的两种情况的结果表明，FM整形方案允许在行走动作过程中进行大而快速的吊装，而FM整形可以容纳不同的主输入整形机｡使用ZVD主整形的时间只有一个设计周期，约为6秒｡

结果还显示了使用FM整形的一个主要优点，即单模输入整形器可以用来消除连续时变频率系统中的振荡｡这一优势消除了需要使用更高的顺序输入整形，涉及大量的脉冲和包括整形过程中大的周期振荡｡

ZV和ZVD为基础的调频整形器测试了许多动作｡在这些测试中，当起升速度发生在命令成形阶段时，观察到悬臂位置的残余漂移｡在,7（a）和（b）中，形状减速在24秒｡有效载荷降低在25秒，导致卷扬机和没有卷扬机的情况在主ZV和ZVD成型阶段共存｡这种起升速度的变化导致FM命令无法集成到零，导致小的残余臂速度，图7（c）和（d）｡这一残余臂速度导致臂位在行走指令结束后继续缓慢漂移｡然而，这种漂移对FM整形机在消除行走和残余振荡方面的性能没有任何影响，图7（e）和（f）｡在这种漂移过程中，应用臂式制动器会导致小的残余振荡｡

图7：使用FM形状命令同时移动和提升动作

图8：改进的调频输入整形的原理框图

为消除调频反馈对臂架总运动的影响，设计了一种改进的调频整形方案， 如图8｡FM命令在整形阶段之前被添加到最初的行走命令中｡输入整形前的正调频反馈将平衡负调频反馈与消除漂移问题｡因为主输入整形机处理这个信号作为一般输入命令的一部分，所以正FM反馈校正不影响FM整形过程｡正FM 反馈通过低通滤波器路由，以最小化preshaper命令传输。

图7是使用修改后的FM整形方案进行重复测试，残臂运动完全消除｡在正调频反馈校正中观察到瞬态载荷振荡;然而，这种瞬态振荡的振幅是小于10%的不受控制的反应，它会迅速消亡｡由于这种校正而产生的时间是一个整形周期，在ZV主整形的情况下，大约是FM整形设计周期的半周期，如图7（d）｡

为了进一步验证改进的调频整形方案的有效性,在行走动作过程中执行任意起升命令。生成的有效负载轨迹显示在图10（a）和（b）中。在动作的形状加速和减速阶段, 输入连续的大而任意变化的卷扬机命令。有小瞬态振荡。在校正阶段，ZV主成型机和在主ZVD 整形机的情况下,图10（e）和（f）中。在这两种情况下, 瞬态振荡在一个主成型机周期内消失。在所有实用性方面,由于校正瞬态振荡的小振幅,这些额外的整形周期并没有增加动作的沉降时间。

  1. 灵敏度分析

系统的输入整形技术的主要问题是对整形机的设计频率或频率集的灵敏度｡目前用于测量实际吊装电缆长度和起升速度的技术是准确的｡然而，起重机有效载荷质量中心的任意位置，在确定吊装电缆有效长度时也存在不确定性｡为了研究这种不确定性对调频输入整形方案性能的影响，需要确定反馈增益时使用了电缆长度测量中的偏移量｡

对测量偏移量的不同值进行了若干动作测试｡图11（a）显示了五个任意有效载荷轨迹｡吊装电缆的长度在1米和10米之间变化｡结果表明，采用调频整形器的残余振荡不受动作轨迹的影响｡在同一测量偏移量下，所有五个轨迹都产生相同的残余振荡，如图11（b）｡

ZV和ZVD主输入整形机的调频整形机的灵敏度曲线如图12所示｡为5%残余振荡公差，如图12（b），ZV主输入整形机的FM整形机显示了相对于与设计频率相关的提升电缆长度的plusmn;10%偏移公差｡ZVD主输入整形机的FM整形机的偏移公差范围很大， FM整形机设计电缆长度的从minus;60%到25%不等｡这表明在传统的ZVD整形机上有一个显著的改进，它具有近似plusmn;17%的偏移公差范围｡

有效载荷震荡角

图9：采用改进的调频整形与主ZV输入整形器同时进行行走和起升机动作

  1. 结论性意见

本文提出了一种基于频率调制的输入整形方案，以方便起重机同时进行行走和起升动作｡该方案允许使用单一频率输入整形器，往往比多频输入整形器更加稳定，包括较少的脉冲数量｡该方案的一个主要优点是在不受限制的情况下，连续改变吊装电缆长度，系统具有很好的灵活性｡在某些情况下，当起升速度在输入整形过程中发生变化时，在动作结束时会观察到悬臂位置上的小漂移｡为了消除这种

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