[发明专利]基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法及系统

说明书

本发明属于塔式吊车防摆技术领域，公开了一种基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法及系统，构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型，基于所述动力学模型利用新型非线性函数改进自抗扰控制器；构建改进型扩张观测器，根据改进的自抗扰控制器与改进型的扩张观测器进行双摆塔式吊车的防摆控制。本发明能够抑制塔式吊车的二级摆动，在具有二级摆效应的塔式吊车的防摆与快速定位控制上具有可行性、有效性，并使塔吊系统具有较强的鲁棒性能。本发明的控制器的对模型参数不敏感，具有一定的抗干扰能力，在合理的参数设定下适用于各类塔式吊车防摆吊运场景，可以有效提高生产效率与安全性能。

技术领域

本发明属于塔式吊车防摆技术领域，尤其涉及一种基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法及系统。

背景技术

目前，我国开始迈着坚定不移的步伐从制造业大国向着制造业强国的目标挺进。塔式吊车作为制造业中广泛应用的运输设备也在向智能化、高效化、安全化转变着。塔式吊车作为一种典型的欠驱动系统，由电机驱动台车及塔臂进行往复、回转运动，具有占地面积小、能够显著提高生产效率等特点因而广泛应用于各类工程场所。

在实际生产中所用的起重机械，根据其机械结构及应用场景的不同，可分为两大类：(1)以梁式吊车、龙门吊车为代表的桥式类型起重机；(2)以塔式吊车、悬臂吊车为代表的臂架式类型起重机。因吊车独立控制变量个数小于系统自由度个数均被归纳为欠驱动系统。相较于全驱系统，欠驱动系统具有更强的灵活性、机电硬件系统集成度高且成本低廉，但随着系统自由度的增加，其控制难度也相应提升。工业生产中，塔式吊车最为常见。塔式吊车在完成提升动作后的吊运过程中由回转机构、及台车驱动机构中的伺服电机进行运输控制。操作人员通过电机驱动塔臂及台车进行变加速运动将负载运输到目标位置时，负载及吊钩会在下列场景中发生不可避免且难以消除的二级摆效应：(1)吊钩与负载质量相近而不能忽略吊钩质量时；(2)负载质量不均匀、尺寸较大不能看成质点时，此时系统的非线性动力学特性更为明显。二级摆塔式吊车系统具有两个控制输入(台车驱动力及塔臂回转力)，但负载及吊钩在塔臂与塔身平面内外的摆角不能被直接控制，即系统输出端具有六个自由度(台车变幅位移、塔臂回转角度、吊钩在旋臂与塔身平面内摆角、吊钩在旋臂与塔身平面摆角、负载在旋臂与塔身平面内摆角、负载在旋臂与塔身平面外摆角)。仅靠人工经验通过静置或反向驱动消除二级摆角非但降低生产效率还会增加安全隐患。有数据表明，2000年到2012年间我国因起重机械相关的安全事故致死人数达1175人。

因此设计出一种可以快速定位塔臂及台车且能够有效消除二级摆动的控制器，对于学术界及工程界具有着显著的科研意义和实际价值。为降低各式吊车工作过程中的安全隐患，学者们提出了各类的解决方案，从改进机械结构及材料方面出发的被动控制方法根据机械系统结构特性来改变塔式吊车的某些部位的质量、钢度和阻尼从而达到消耗振动能量进而抑制塔吊系统摆角的目的。

主动控制主要有以下三类控制方式：(1)依赖于传感器的闭环控制策略,常见的方法有：PID控制、SMC控制、模糊控制。(2)以最优轨迹为代表的开环控制方法，但是此类方法数学推导过程较为复杂，难以在工业生产中实现。(3)光滑整形技术利用具有平滑特性的函数来引导系统的快速响应和缓慢制动满足抑制塔吊吊物振动的需求。现有大量研究将塔吊吊物均视为一级摆动，亦或将桥式吊车的吊运过程视为二维运动。而具有二级摆效应的塔式吊车的耦合性、欠驱动性更高，极大地增加了其模态分析与控制器设计的难度，因此针对塔吊双摆定位与防摆控制方法很少。同时，人工操作塔吊吊运负载时，需驱使台车至目标位置后进行塔臂回转，这一操作将会增加吊运时间，降低生产效率。此外，已有的研究对塔式吊车二级摆动进行消除后忽略了系统中仍然存在的“抖震”现象，若未消除的“抖震”的频率与外界频率一致，塔身将会出现谐振，增加了负载摆动的不可控性，诱发钢丝绳打扭、负载脱落等安全事故甚至造成塔身倾覆事故。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术没有针对塔吊双摆定位与防摆控制。