[发明专利]一种双摆桥式起重机的速度轨迹规划消摆方法

说明书

一种双摆桥式起重机的速度轨迹规划消摆方法，当起重机负载为不规则形状(分布式质量)时，需将起重机模型看作双摆起重机，双摆起重机模型更接近实际生活。本方法主要思路为建立双摆起重机线性化模型，与设定的速度轨迹规划方程相结合，利用边界条件求解出时间最优的加减速时间参数，再控制小车跟踪速度轨迹运行，达到在无传感器反馈条件下的双摆桥式起重机消摆，从而使负载运行到指定位置时，负载摆动为零的同时时间最优。本发明方法同时考虑抑制一级和二级两个摆动角度，但控制方法简单易于实现，能大大提高起重机工作效率，能够有效避免因货物摆动而造成事故，在未来的运输行业具有广泛的应用价值。

技术领域

本发明属于起重机控制技术领域，涉及数学建模、电机控制、机电一体化和传感器等技术，以速度轨迹规划和控制器设计为核心，基于电机控制的双摆桥式起重机速度轨迹规划消摆方法。

背景技术

在过去的几十年间，为了便捷的运送负载到达指定位置，桥式起重机被应用于各种工业场所，例如工厂、矿山、港口、建筑工地等。起重机的有点不仅是能够降低工人的劳动强度，而且能够提高运输效率。然而，因为天车在运动过程中的加速或减速运动，当负载到达指定位置时会产生残留摆动，并且这种残留摆动是欠阻尼的，一旦残留摆动产生，响应不能被迅速的终止。与此同时会降低工作效率、造成事故和人员伤亡。因此，能够提出一种让负载精确的运送到期望位置，并且能够快速抑制负载摆动的方法是非常有必要的。

在大多数抑制负载摆动方法的相关技术文献中，起重机挂钩质量被忽略，负载和挂钩被看作一个质点。然而，当挂钩质量大于负载质量或负载具有分布式的质量属性，该负载摆动应被视为双摆起重机系统：挂钩以小车为中心摆动，同时负载以挂钩为中心摆动，在这种两级摆角情形下，起重机系统具有两种不同的自然角频率，防摆特性也变得更加复杂，大大增加了起重机系统的动态性能分析和控制器的设计难度。

对于双摆起重机系统，部分学者已经提出了不同的控制方法。美国麻省理工学院的W.Seering,W.E Singhose等人在输入延时比例叠加技术基础上进一步提出了输入整形(Input Shaping)控制方法，将其运用到双摆起重机防摆中。德国约旦大学(GermanJordanian University)Ziyad N.Masoud等人为双摆桥式起重机设计了一种混合输入整形策略，利用仿真和实验，验证了该方法的优越性。Maleki等人针对非线性桅杆式起重机设计出一种ZV输入整形控制策略(MalekiE,Singhose W.Dynamics and control of a small-scale boom crane[J].ASME Journal of Computational and Nonlinear Dynamics,2011,6(3):1-8)，能够抑制垂直方向和水平方向两个维度的残留摆动，实验结果验证了该动态运动的复杂性和输入整形方法的有效性。韩国学者Tuan(Department of MechanicalEngineering,Kyung Hee University)等人针对双摆桥式起重机设计了一种分层滑模控制器，通过与传统滑模控制器对比，该控制器具有更佳的控制性能。

上述闭环控制方法虽然具有一定的鲁棒性和自适应性，但是必须通过传感器系统测量出负载角度和角速度信息来完成反馈。这些传感器系统无疑增加了起重机的设计难度和成本，此外，在大多数情况下，角速度信息是很难被准确的测量得到，特别是二级摆的角速度信息。因此，本发明方法提出速度轨迹生成方法，不仅能够抑制双摆残留摆角，而且无需传感器系统测量摆角信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对消除双摆桥式起重机负载摆动的控制方法，满足双摆桥式起重机对消除摆动的需求。

本发明的技术方案为：一种双摆桥式起重机的速度轨迹规划消摆方法，建立双摆起重机模型，与设定的速度轨迹规划方程相结合，利用边界条件求解出时间最优的加减速时间参数，再控制小车跟踪速度轨迹运行，达到在无传感器反馈条件下的双摆桥式起重机消摆，具体为：