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高架起重機(jī)的模糊控制設(shè)計(jì)與死區(qū)補(bǔ)償 出版 施普林格出版社倫敦有限公司 2009 4 月 本要 本文提出了一種簡單而有效的方法控制三維橋式起重機(jī) 所提出 的方法使用快速運(yùn)輸與模糊控制的一種控制控制死區(qū)補(bǔ)償起重機(jī)時(shí)接近目標(biāo)的 精確定位和移動(dòng)負(fù)荷平穩(wěn) 只有剩下的距離和投影用于設(shè)計(jì)模糊控制器的擺動(dòng) 角度 在這種方法中 沒有任何植物的起重機(jī)信息是必要的 因此 所提出的 方法大大降低了計(jì)算的努力 幾個(gè)實(shí)驗(yàn)說明通過建議的方法 鼓勵(lì)有效性一種 規(guī)?；娜S起重機(jī)模型 的非線性干擾 如作為突然碰撞 也考慮到檢查的 所提出的方法的魯棒性 關(guān)鍵詞 橋式起重機(jī) 投影 擺角 模糊控制器 死區(qū)補(bǔ)償 1 引言 三維起重機(jī)由小車 驅(qū)動(dòng)電機(jī)和軟電線 工廠和港口經(jīng)常使用它用于搬運(yùn)重 物 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)小車和彈性鋼絲繩的載荷 快速 平穩(wěn) 精確移動(dòng)到目標(biāo)是起重 機(jī)控制的主要目標(biāo) 一般情況下 有經(jīng)驗(yàn)的起重機(jī)操作員移動(dòng)到負(fù)載目的地慢 慢地 把小車來回地來回地使負(fù)載平穩(wěn) 并試圖阻止臺(tái)車在目的地準(zhǔn)確而順利 然而 由于非線性負(fù)載搖擺運(yùn)動(dòng) 平穩(wěn)輸送由起重機(jī)操作員精確的負(fù)載定位是 不容易的 此外 快速運(yùn)輸?shù)呢?fù)荷 但沒有擺動(dòng)是一個(gè)更加困難的目標(biāo) 因此 只有起重機(jī)操作員的反饋是不足以控制的運(yùn)輸過程中的起重機(jī) 起重機(jī)控制的目的是將負(fù)載轉(zhuǎn)移到盡可能快的目標(biāo) 同時(shí) 盡量減少在運(yùn)輸 過程中的擺動(dòng)和停止臺(tái)車正是在目的地 然而 加速的起重機(jī)總是伴隨著非線 性負(fù)載的擺動(dòng) 它可能造成的負(fù)載損壞 甚至發(fā)生意外 一些調(diào)查已經(jīng)制定了 防搖擺的方法橋式起重機(jī)的有效控制 有些物品起重機(jī)控制存在的問題探討系 統(tǒng) 在這些研究中 Guarnieri 和特羅格 1 用最少的時(shí)間控制 以最大限度 地減少負(fù)載擺動(dòng) 模型 以評(píng)估一個(gè)最佳的速度或路徑參考 最小化的負(fù)載擺 動(dòng) 3 7 然而 由于負(fù)載擺動(dòng)取決于小車的運(yùn)動(dòng)和加速度 最大限度地減少 周期時(shí)間和負(fù)載搖擺是部分相互矛盾的要求 一些研究還應(yīng)用非線性控制理論 分析起重機(jī)系統(tǒng)的性能 8 10 此外 Karakorum 和 ribbing 11 還開發(fā) 了建模和基于能量的起重機(jī)的升降器的非線性控制 這些方法太用于工業(yè)用途 的復(fù)合物 同時(shí) 它們花了太多時(shí)間來轉(zhuǎn)移負(fù)荷平穩(wěn)在交通運(yùn)輸開始時(shí)劇烈搖 晃 此外 吉田和川邊 12 提出了實(shí)時(shí)飽和起重機(jī)控制策略 松尾等人 13 使用 PID 基于 Q 控制器防搖起重機(jī) 高木和 Mishmash 14 開發(fā)了一個(gè) 集中控制系統(tǒng)與向上和向下和旋轉(zhuǎn)方向之間的耦合抑制懸臂式起重機(jī)的擺動(dòng) 這些研究主要集中在空載擺動(dòng)的抑制了控制 但在起重機(jī)的結(jié)束并沒有解決位 置誤差的問題運(yùn)動(dòng) 15 基于一些模糊的方法 15 19 也提出了控制起重機(jī) 不 幸的是 這樣的模糊控制器不能提供對(duì)所需性能起重機(jī)系統(tǒng)中 由于不確定性 和大擾動(dòng)模糊系統(tǒng) 降低了工作效率 在本文中 我們提出要容納所有的方法 3D 起重機(jī)控制的目標(biāo) 包括快速移 動(dòng)起重機(jī) 負(fù)載的抗搖擺 和控制器的設(shè)計(jì)簡潔程序 一種使用 PID 控制器來 驅(qū)動(dòng)起重機(jī)快速交通控制的前部并應(yīng)用剩余距離和搖擺投影角度來設(shè)計(jì)模糊控 制器 擬議的條款還提供補(bǔ)償算法來克服控制死區(qū)的問題 提高了性能 一縮 放起重機(jī)模式 以 2 米長 2 米寬 2 米高 用于說明該方法的有效性 這個(gè)方 法不使用起重機(jī)的復(fù)雜植物模型設(shè)計(jì)了吊車的控制器 但兩者的定位和晃動(dòng)的 問題是可以解決的 所提出的模糊控制方法大大有助于控制復(fù)雜的系統(tǒng) 這篇文章的結(jié)構(gòu)安排 如下 第二部分示出了提出投影法和教派 第三部分揭示了橋式起重機(jī)控制系 統(tǒng)的補(bǔ)償算法 在第四部分幾個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)給說明了該方法的優(yōu)點(diǎn) 2 起重機(jī)控制器設(shè)計(jì) 起重機(jī)控制器設(shè)計(jì)的物理裝置三維起重機(jī)系統(tǒng)組成電車和軟線負(fù)載的關(guān)系 如所示圖 1 所示 兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電車沿著 X 軸和 y 軸和四個(gè) 12 位編碼器 兩個(gè)為傳感 X y 位置電車和其他兩個(gè)旋角測量的負(fù)載在 3 d 空間 應(yīng)用于測 量相關(guān)參數(shù) 負(fù)載的擺動(dòng)圖 3 d 圖 2 所示 一般來說 小車的運(yùn)動(dòng)將陪同的負(fù)載 當(dāng)電車 向后旋角可以預(yù)期 反之亦然 那 相應(yīng)的擺動(dòng)的方向是相反的嗎小車運(yùn) 動(dòng) 與此同時(shí) 小車的加速度也會(huì)造成額外的負(fù)載 因此 轉(zhuǎn)移順利快速的負(fù)載 并不容易 同時(shí)由于起重機(jī)控制的目標(biāo)之一轉(zhuǎn)移負(fù)載盡可能快 因此 我們利用的距離快速 PID 控制在前 95 運(yùn)輸 然后切換到模糊的投影方法 來抑制負(fù)載擺動(dòng) 塊圖模糊的起重機(jī)控制系統(tǒng)圖 3 所示 如圖 4 所示 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的控制 快速旅行期間 停止精確和平穩(wěn)地在末 端擺動(dòng) 小車應(yīng)該被驅(qū)動(dòng)有以下標(biāo)準(zhǔn) 首先 小車應(yīng)該是沿著電子的方向 到 達(dá)目的地盡可能快 其次 小車應(yīng)沿消除擺動(dòng)角度的方向 然而 電子和你的方 向可能不一樣 和駕駛小車沿著電子和你的方向在其間可能是不可能的 因此 筆者適用模糊控制小車的方向 E X 軸和 Y 軸雙電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)起重機(jī) 一個(gè)使用 E 是模糊的先行因素控制器得到模糊控制 X 軸電機(jī) 和其他適用的 EY 和 Y 導(dǎo) 出控制 Y 軸電機(jī) 假設(shè)模糊控制器的輸出是超濾膜 其中的輸出作為輸入的模 糊函數(shù)變量 表 1 中定義的規(guī)則使用最低推理和重心去模糊化 20 作者用輸出信號(hào)控制 X 軸和 y 軸的馬達(dá) 因?yàn)榈竭_(dá)目的地的因素和消除搖擺都考慮設(shè)計(jì) fuzzy based 起重機(jī)控制器 投影方法保證是抑制同時(shí)擺動(dòng)起重機(jī)驅(qū)動(dòng)沿方向到達(dá)目的地 它 比通常的 fuzzy based 驅(qū)動(dòng)方法起重機(jī)抑制來回?fù)u擺 順便說下 實(shí)現(xiàn)快速和平 穩(wěn)過渡負(fù)載 驅(qū)動(dòng)電車沿著方向 E 和 u 必須遵守規(guī)則 余下的路程 E u 和 swing 水平也存在的目標(biāo)控制 因此 的目的起重機(jī)控制最小化 E 和 u 然而 有一個(gè) 電車和負(fù)載之間的軟線 控制消除 E u 并不是在同一表面上 和權(quán)力沒有必要將 完全從電車負(fù)載 因此 一些非線性屬性將展覽 此外 通過軟線的控制也增加 的非線性和復(fù)雜性 因此 非線性控制器將是更正確的選擇設(shè)計(jì)起重機(jī)控制器 這是作者選擇的主要原因 fuzzy based 控制器 3 死區(qū)補(bǔ)償方法 小車起重機(jī)是一種重型機(jī)械系統(tǒng) 由直流電動(dòng)機(jī) 如果控制輸入電壓很小 直流電動(dòng)機(jī)不能驅(qū)動(dòng)小車吊機(jī)非線性摩擦 造成控制死區(qū)和降低性能 圖 6 顯 示了死區(qū)的本文中的實(shí)際規(guī)模的起重機(jī)控制系統(tǒng) 可以發(fā)現(xiàn) X 軸和 Y 軸電機(jī) 都表現(xiàn)出死區(qū)效應(yīng) 當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的絕對(duì)值小于 0 24 為 Y 軸電機(jī)和 0 1 電機(jī) 小車 可以阻止由于死區(qū) 降低性能 為了避免這些情況 建議系統(tǒng)采用補(bǔ)償算法 補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力 當(dāng)對(duì)目標(biāo)的距離足夠遠(yuǎn) 模糊控 制器教派解決 將生成足夠動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)電車 然而 當(dāng)小車接近目的地的功率 會(huì)逐漸減小 當(dāng)衍生模糊功率太小時(shí) 手推車 目的地之前可以停止由于控制盲 區(qū) 在這種情況下 基于模糊補(bǔ)償算法將激活累積的控制力量駕駛起重機(jī)從盲 區(qū)出發(fā) 塊用補(bǔ)償算法沿圖示 在圖 7 設(shè)計(jì)程序被描述為 如下 步驟 1 在補(bǔ)償 模糊控制器 所述絕對(duì) DE 的值被用來為先行詞 而額外 電力來驅(qū)動(dòng)起重機(jī) 圖 8a 和 b 示出了 相應(yīng)的隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則示于表 2 中 步驟 2 在門的 距離仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠 模糊控制器將產(chǎn)生足夠的權(quán)力 驅(qū)動(dòng)小車起重機(jī) 然而 功率將減少 當(dāng)小車接近目的地 速度因此放緩 如果 的變化小車位置 DE 小于 則手推車起重機(jī)對(duì)于盲區(qū)會(huì)逐漸停止 補(bǔ)償方法 激活這個(gè)時(shí)候提供額外的動(dòng)力 增加控制這有助于在目的地前的起重機(jī)停下來 補(bǔ)償原理示于以下方程組 靈活的電線與負(fù)載相連 因此 該起重機(jī)系統(tǒng)的非線性 因此增加檢驗(yàn)補(bǔ) 償控制算法的能力 作者設(shè)置了起重機(jī)控制的停止準(zhǔn)則系統(tǒng)具有以下資格 距 離目標(biāo)是小于 0 001 米 同時(shí) 擺動(dòng)角度負(fù)載小于 0 5 而起重機(jī)可以停止由 于控制死區(qū)補(bǔ)償算法 將激活提供額外的力量 直到停止 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 一個(gè)規(guī)模起重機(jī)模型是建立在實(shí)驗(yàn)室中證明了該方法的有效性 兩個(gè) DC 施 加于 X 軸和 Y 軸馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)的開銷起重機(jī)系統(tǒng) 4 個(gè) 12 位編碼器發(fā)送的信息 本位置 包括 X 和 Yates 的坐標(biāo) 小車和負(fù)載 HXZ 的擺動(dòng)角度和 HYZ 到控制 器 負(fù)載的重量為 0 7 公斤懸掛柔性金屬絲的長度為 1m 假設(shè)負(fù)載的目的地被 設(shè)定為 1 5 米 1 5 米 而負(fù)載的起始位置是在 0 米的位置 0 米 在 實(shí)驗(yàn)中相應(yīng)的常數(shù)是 KP 10 9 85 KI 0 0 002 和 K D 9 6 8 65 圖 9 示出了具有僅 PID 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果控制器 圖 9a 示出的剩余距離目標(biāo)和圖 9b 顯示擺動(dòng)角度 HXZ 和 HYZ 一可以發(fā)現(xiàn) 小車驅(qū)動(dòng)快 但有嚴(yán)重的擺動(dòng) 手推 車的最終位置是 1 47156 米 1 50002 米 和剩余的擺動(dòng)幅度為約 12 對(duì)于 HXZ 和代替 shy 只用了 8 秒到達(dá)目標(biāo) 但揮桿無法克制好 圖 10a b 顯示用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出的方法 人們可以發(fā)現(xiàn) 車花了約 5 秒到 目的地 在此同時(shí) 回轉(zhuǎn)角度投影法的表現(xiàn)非常出色 該剩下的擺動(dòng)幅度是 0 09 對(duì)于 HXZ 和 0 02 但是 它是困難的小車在目標(biāo)精確地停止 手推車的最 終位置是 1 48274 米 1 49956 米 因此 對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差小車是 X 軸和 Y 軸 28 44 和 0 02 毫米 分別 這個(gè)問題是由的摩擦引起的 X 軸和 Y 軸軌道小車 因此 如果手推車是非常接近目標(biāo) 模糊控制器將提供小功率要達(dá)到的目標(biāo) 當(dāng)電源不足以克服所述控制死區(qū) 該手推車將停止在錯(cuò)誤的地方 使得性能更 差 此外 X 軸的定位誤差是更糟比 Y 軸 這一結(jié)果控制匹配的 X 電機(jī)的盲區(qū) 問題比 Y 型電機(jī)嚴(yán)重 圖 11 a b 提出了補(bǔ)償方法應(yīng)用于投影控制 的主要區(qū)別無花果 10 和 11 之間的位置誤差電車 人們可以發(fā)現(xiàn) swing 也克制在 7 或 8 秒 與此同時(shí) 精 確電車停了下來在補(bǔ)償算法后的目標(biāo)是激活 電車的最終位置 1 49967 m 1 49991 米 的定位誤差只有 0 33 毫米 軸和 0 09 毫米的軸 除此之外 其余 Hz 搖擺幅度約為 0 04 和 0 04 一套兩個(gè)索引比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果 位置指數(shù)其中 T 是最后的時(shí)間控制 對(duì)比提出 的方法描述了圖 12 a 和 b 可以極大地提高發(fā)現(xiàn)死區(qū)補(bǔ)償 3 d 橋式吊車系統(tǒng)的 控制性能 然而 通常用于橋式吊車系統(tǒng)在戶外 突然碰撞等干擾可能影響的負(fù) 載控制性能 在過去實(shí)驗(yàn)中 作者使用的額外的驅(qū)動(dòng)力 0 5 作為負(fù)載突然碰撞 這種碰 撞持續(xù)半秒后小車驅(qū)動(dòng) 20 s 圖 13a b 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 一個(gè)可以輕松 地找到那秋千成為非常嚴(yán)重負(fù)載的碰撞發(fā)生 然而 建議方法仍然可以做好它 可以向驅(qū)動(dòng)小車很快就抑制擺角 與其他研究中所示的另一個(gè)實(shí)際的三維起重 機(jī)控制系統(tǒng)相比 該方法節(jié)省旅行時(shí)間和提供簡單技術(shù)抑制負(fù)載擺動(dòng)和很好位 置錯(cuò)誤 此外 提出基于模糊控制器不需要開小車來回要控制搖擺 這樣也可 以減少負(fù)載的損害的機(jī)會(huì) 應(yīng)用設(shè)計(jì)控制器的信息也有助于簡化了控制器的設(shè) 計(jì) 評(píng)論有一些參數(shù)應(yīng)來決定提出的設(shè)計(jì) 大多數(shù)的常數(shù) 在這篇文章 如通過 Mat lab 仿真下得到 PID 參數(shù) 同樣停 止準(zhǔn)則和安全約束 10 起重機(jī)的數(shù)學(xué)模型 開關(guān)條件和停止條件決定速度運(yùn)輸 這兩個(gè)參數(shù)可以任意設(shè)置為滿足不同的控制要求 基本上 FLC 的隸屬度函數(shù) 可以選擇同樣是分布的動(dòng)態(tài)范圍 但是 我們注重起重機(jī)控制附近的目標(biāo) 這 就是為什么隸屬度函數(shù)相近 接近于零 5 結(jié)論 提出了一種簡單而有效的方法來控制三維起重機(jī)系統(tǒng) 這種方法是基于位置 誤差和偏轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)起重機(jī)的投影控制器 沒有復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)方程起重機(jī)必須考 慮在控制器設(shè)計(jì) 作者還設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)償死區(qū)補(bǔ)償算法 提高性能 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表 明 提出的方法可以大大抑制搖擺不暴露業(yè)績快速移動(dòng) 致 謝 這項(xiàng)工作是由下格蘭特 NSC 94 2213 E 民國中國的國家科學(xué)委員會(huì)支持 231 020 References 1 Antagonist MJ Parker GG Staubach H Groom K Robitussin RD 2003 Generating swing suppressed maneuvers for crane systems with rate saturation IEEE Trans Control System Techno l 11 471 481 Doe 10 1109 TCST 2003 813402 2 Corr G Gina A USIA G 1998 An implicit gain scheduling controller for cranes IEEE Trans Control System 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