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门式起重机输入成形控制对起升的影响
摘要
研究了吊装负载的平面门式起重机的动态特性。 为了减少残余振动，提出了输入整形的指令生成方法。 评估输入整形的几个版本，并与各种参数的时间最优刚体命令进行比较。 即使在提升距离占电缆长度的很大比例的情况下，输入整形也能显着减少残余振动和瞬时振荡，萨瓦纳河技术中心的15吨龙门起重机的实验结果用于支持数值结果。
关键词：振动; 输入整形; 命令生成; 起重机动力
1. 介绍
使用门式起重机处理核废料和装货船等应用需要限制瞬态和剩余振动。 如果有效载荷的振荡被忽略，则可以容易地计算时间最优的刚体（TORB）命令。 不幸的是，TORB命令通常会导致大振幅的振荡。 经验丰富的起重机操作员试图通过产生抵消加速期间引起的振动的减速振荡来消除振动，或者他们可以将有效载荷刷向障碍物以阻尼振动。当考虑电缆摆动时，可以产生导致零残余振动的时间最优的灵活体（TOFB）命令（Auernig＆Troger，1987; Butler，Honderd＆Amerongen，1991）。 由于系统是非线性的，运动期间负载的提升增加了生成控制的难度。 如果系统模型是线性化的，那么相关的频率是随时间变化的。 基于非线性模型的最优控制可能难以产生（Moustafa＆Ebeid，1988）。 一种用于开发最佳控制的方法将运动划分为基本部分。 然后导出并拼接每个部分的控制（Sakawa＆Shindo，1982）。 即使可以生成最佳命令，实现通常也是不切实际的，因为在移动开始时必须知道操作结束时的边界条件（移动长度）。
当传感器测量可用时，有许多可能的反馈控制方案。 已经提出了用于旋转起重机的开环和闭环控制器的组合（Sato＆Sakawa，1988）。 最佳反馈控制器已经开发用于一般情况下的桥梁和小车的同时运动，以及有效载荷的吊装（Al-Garni，Moustafa＆Nizami，1995）。 已经提出了几种自适应控制器（Butler等，1991; Moreno，Acosta，Mendez，Torres，Hamilton＆Marichal，1998; Tanaka＆Kouno，1998）。 其中一种方法使用神经网络来自适应地调节传统控制器的系数（Moreno等，1998）。 另一种方法使用可选的参数学习方法来改善控制器的性能，该控制器依赖于双摆动态。模型以及台车和有效载荷的传感器测量（Tanaka＆Kouno，1998）。
本文提出了一种控制方法，用于龙门起重机的频率随着有效载荷的升高而变化。 所提出的方法比时间最优控制方案更容易推导和实现，并且不需要闭环和自适应控制器的反馈机制。 与大多数先前的命令生成方法不同，此处使用的技术对系统参数的变化非常稳健。 这通过研究其在用于在横向运动期间执行吊重的起重机的使用来证明。 该技术不是试图获得准确无误的零残余振动，而是实际上不可能实现，该技术旨在实现非零但小的振动水平。
这里研究的控制技术是输入整形产生自消除命令信号的命令生成方法。 输入整形通过将指令信号与脉冲序列进行卷积实时实现。 该过程具有将零点放置在原系统exible杆的位置附近的效果。 一种早期形式的投入塑造是在20世纪50年代后期提出的正向控制（Smith，1958）。 最近，一种形态控制成功地应用于悬挂物体的运输（Starr，1985）。 Posicast控制基于简单的线性模型，不幸的是，对建模错误非常敏感（Singer＆Seering，1990; Tallman＆Smith，1958）。 当起重机吊起有效载荷时，系统频率会发生变化; 因此，posicast控制会导致一定量的残余振动。
最近有强大的输入整形技术（Singer＆Seering，1990; Singhose，Seering＆Singer，1994），并被证明能够有效地在长距离操纵器（Magee＆Book，1995）以及依赖于系统的控制系统上工作（Hillsley＆ Yurkovich，1993）。与输入整形有关的IIR“滤波技术已被提出用于控制悬浮有效载荷（Feddema，1993）。 输入整形已被证明对于控制龙门起重机在负载不经过起重时的摆动是有效的（Noakes＆Jansen，1992; Singer，Singhose＆Kriikku，1997）。 实验结果还表明，当运动过程中负载增加时，成形命令可能是有益的（Kress，Jansen＆Noakes，1994）。
本文的目的是彻底研究有效载荷在吊装时起重机输入成形的有效性。 几种类型对输入整形方案进行了研究并与时间最优的刚体命令进行了比较。 在15吨门式起重机上实施了输入整形方案，实验结果表明计算数值模拟预测的有效性。
2. 模型说明
该调查所使用的模型如图1所示。该系统是一台平面门式起重机，带有可变长度电缆，用于模拟有效载荷的吊装。 该电缆被模拟为一个固定在手推车上的柔软的无质量杆。 系统的配置由台车的水平位置x，电缆的长度cedil;和电缆的摆动角度0指定。系统的运动方程可以写成
其中小车的加速度xK（t）和宏速度Q（t）被认为是控制输入。 小车位置和电缆摆动角度是感兴趣的输出。 正在考虑的目标是改变坐标x和cedil;，同时在操作过程中和移动完成后最小化0。
3. 时间最优的刚体命令
如果有效载荷响应的振荡特性被忽略，则基于时间最优的命令
最大加速度a和速度极限v。 加速度可以被计算。
如果达到速度极限，“mands”是“bang-bang”或者bang-o！-bang（梯形速度）。 对于爆炸地区，命令转换时间t是
加速和减速脉冲对输入整形方案进行了研究并与时间最优的刚体命令进行了比较。 在15吨门式起重机上实施了输入整形方案，实验结果表明，一个脉冲之间的海岸周期t是
(3)
计算数值模拟预测的有效性。
上述时间最优刚体（TORB）命令是许多没有经验的起重机操作员在使用时会产生的命令！ 控制这些命令通常会导致较大的摆动角度。 另一方面，时间最优化的柔体（TOFB）命令可以使系统无震动地运动，但当负载起升时它们很难获得。TOFB命令会出现三个额外的难题：（1）解决方案可能对建模错误敏感; （2）必须针对每个期望的机动动作计算指令proe;并且（3）在实际工业系统上实施通常是不切实际的。
4. 输入整形
输入整形通过产生一个可以消除自身振动的指令序列来限制剩余振动，也就是说，由命令的第一部分引起的振动被命令后面的部分所引起的振动所抵消。 输入整形通过将一系列脉冲（输入整形器）与所需的系统命令进行卷积来实现。 然后使用卷积的结果来驱动系统。 输入整形过程如图2所示。在这个例子中，所需的命令是一个阶跃输入，输入整形器包含三个脉冲，其中一个具有负的幅度。 请注意，命令的上升时间在输入整形器的持续时间内增加了必要的卷积可以由起重机操作员产生的信号实时计算。
如果整形过程要减少振动，那么构成输入整形器的脉冲必须具有适当的幅度和时间位置。 整形参数是通过求解一组约束方程来确定的。 已经提出了几种类型的输入整形器（Singer等，1997; Singer＆Seering，1990; Singhose等，1994; Singhose，Singer＆Seering，1997）。 本文评估了“ve型的整形器，其中两个整形器是从约束条件中导出的，这些约束条件要求exible模式的零残余振动，其中两个整形器只包含正脉冲，而另一个整形器则包含负脉冲用于改善上升时间，这两个塑形机被称为零振动（ZV）成形机和负零振动（NEG ZV）成形机。posicast控制，并且它们对建模误差和非线性非常敏感。
两个额外的整形器被认为使用标准的鲁棒性约束来降低对建模错误的敏感度。 通过设定残余振动相对于频率为零的导数来获得鲁棒性（Singer＆Seering，1990）。 这些称为零振动和微分（ZVD）整形器和负零振动和微分（NEG ZVD）整形器的整形器即使在存在建模错误的情况下也能将残余振动保持在低水平。 为了演示这个效果，可以将剩余振动绘制为实际系统频率的函数。 图3显示了ZV和ZVD整形器的这些曲线。 如果建模频率是准确的，那么这两个塑造者产生零残余振荡。 但是，如果存在造型错误，则ZVD成型机将振动保持在比ZV成型机低得多的水平。
“在这里考虑的最终形成者有一个固定的持续时间。 它通过将持续时间作为设计参数并最大化其对参数变化的稳健性来设计（Singer et al。，1997）。 这些特定持续时间（SD）塑造者已经被提倡用于起重机，因为塑形过程的时间滞后可以根据操作人员的需要而定制，也就是说，塑造者的持续时间是“固定的操作员感觉舒适。 请注意，整形器持续时间不能比时间最优化命令短。 输入成形机的鲁棒性然后被最大化以尽可能多地覆盖起重机工作空间。
作为输入整形过程的一个例子，考虑图4所示的TORB命令，它将推车4米移动并将有效载荷提升1米。 此命令导致最大水平加速度和
速度是（a）“0.1m / s2和（v）”0.2m / s。 假设（a）“0.05m / s2和（v）”0.1m / s，得出提升命令。 ZV整形器是使用线性模型的频率在开始时导出的
机动（在提升之前改变频率）。 该频率w仅为g /l，其中g为重力加速度，cedil;L为初始电缆长度。 如果输入整形器脉冲的幅度表示为A和t的时间位置，然后是正ZV
请注意，幅度是无量纲的。当输入整形器与原始未定形命令进行卷积时，生成的命令与原始信号具有相同的尺寸。 使用正ZV整形器对TORB命令进行整形所得到的命令包含在图4中。电缆吊装命令没有被整形，因为电缆中没有＃号的可用性。 图5显示了由无定形（TORB）和ZV形指令引起的摆角8.5米。整形减少了15倍的残余振幅和瞬态振荡3.5倍。 输入整形提供的振动减少百分比取决于系统参数，下一节将对此进行说明。
因为系统是非线性和时变的，所以整形不会将剩余振荡精确地减少到零。 ZV整形器设计用于消除0.171 Hz的振动，但在升降机结束时，频率变为0.182 Hz。 整形的成本是命令持续时间的增加。 从图4可以看出，命令持续时间从22秒增加到了24.92秒。 如果使用负ZV整形器，则命令持续时间将是23.7秒。 节省时间与NEG ZV整形器相关的大约1秒并不是占台车行驶4米所需总时间的很大比例。 对于只需要几秒钟的短时间移动，负面塑造者的改善百分比会更大。
5. 输入整形控制评估
上面的例子证明了输入整形对于一组特定参数值和一个可能的操作的有用性为了深入理解整形的效果，必须检查各种各样的场景，在这个将根据移动距离和提升距离检查效果。
在以前的工作中，输入整形与具有执行器极限的线性系统（Singhose＆Pao，1997）上的时间最优的柔体（TOFB）命令进行了比较。 输入整形被发现显着增强了对建模错误的鲁棒性，同时仅仅稍微降低了系统响应，这部分比较了输入整形和时间最优刚体命令（TORB），而不是TOFB命令，原因有两个：首先，对于这里研究的各种情况，计算非线性起重机模型的TOFB指令，特别是涉及吊装的情况（Auernig＆Troger，1987）是很难的。其次，在真实系统上执行TOFB指令可能是非常具有挑战性，同时使用TORB命令和输入整形都很简单，从这个意义上说，这是一个比较现实的比较。
系统对不定形系统的动态响应TORB命令以及上一节讨论过的“成形器”所形成的命令是模拟的，对于某些参数范围（与振荡周期相比非常短的持续时间移动），负成形器会导致超出加速度极限（Singhose et al，1997）只显示物理可实现输入的数据。
5.1. 没有提升
这里显示的结果是通过改变具有以下基线参数的系统的参数获得的：（a\）“0.1m / s2，（v\）”0.2m / s，（v\）=“0.1m / s，cedil;(a)=8.5m。 如图6所示
移动时剩余振动的幅度距离从1米到10米不等，并且不进行提升,所有类型的成型器产生几乎为零的剩余振动。SD成型不像其他成型器那样需要零振动，而是限制振动到TORB命令产生的百分比很小，因此，当TORB命令产生高达0.036弧度的剩余摆动（61cm峰 - 峰残余振荡）时，SD形成原因。
小于0.0018弧度（0.036的5％）。 因为不会出现负载升高，所以在这个大参数范围内，非鲁棒ZV输入整形是有效的。
图7比较了最大瞬态摆动角度。 采用ZVD成型将瞬态摆动限制在约0.005弧度，并且将ZV成型限制在约0.009弧度。 负面塑造者比正面塑造者造成稍微更多的短暂挥杆。SD整形器瞬态与负ZVD整形器的瞬态振幅极其相似，可产生高达0.0075 rad的瞬态振荡。TORB命令会导致更大的瞬变，其变化范围介于0.018和0.034弧度之间。
5.2. 在议案中悬挂
图8显示了当移动距离保持恒定在4米并发生起吊时的剩余振动幅度。 整形器的初始电缆长度为8.5米。 选择移动距离和初始长度值是因为它们是获得实验数据的起重机的典型参数。 随着提升距离的增加，随着成形的剩余振动增加。 但是，即使升降距离是初始电缆长度（2 m）的24％，ZV整形也会将残留振荡的振幅降低到由TORB指令产生的振幅的12％左右。
ZVD整形工作好得多; 对于所有提升距离，剩余振动仍低于TORB水平的2％。 SD整形也非常有效，将剩余振荡保持在TORB水平的8％以下。 图9显示了与图8所示的运行相对应的最大瞬态偏差。具有负ZV整形的瞬态平均为TORB偏差的32％，而正ZV平均为27％。 SD和NEG ZVD成形器的瞬态分布相似，约为TORB的21％，而正向ZVD则约为
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