美国控制会议论文集
2005年5月8日至10日，安卡拉奇
反坦克控制起重机
0. Sawodny，H. Aschemann，J. Kiimpel，C.Tarin，K. Schneiderl
测量与控制与微技术系
乌尔姆大学，D-89069 Ulm，德国
* Liebherr Werk Nenzing GmbH，Postfach IO，A-6710 Nenzing，Austria电子信箱：oliver.sawodny@e-technik.uni-ulm.de
电话： 49 731 50 - 26339，传真： 49 731 50 - 26301
摘 要
越来越多的起重机被用作集装箱搬运的港口移动式起重机。为此目的，大量处理的集装箱是港口高效运作的重要条件。这意味着起重机运动的自动化具有重要意义。与龙门式起重机或高架桥式起重机相比，现在仅有几种自动化起重机的自动化概念已经存在，因为主导的非线性工厂行为和测量绳索角度的问题，是因为建立的方法无法使用。随后将介绍一种由分散式控制模块和轨迹生成模块组成的起重臂起重机的轨迹跟踪控制。非线性由前馈策略和前馈和反馈控制的增益调度补充来补充。通过扰动观察者从陀螺仪测量信号中重建绳索。轨道跟踪控制在港口移动式起重机LIEBHERR LHM 400上实现。测量结果显示了控制概念的效率。
1、引言
与此同时，架空式起重机和龙门起重机自动化防摇系统越来越多的是最先进的/ BRY96，NGU98，SAW99bl。但是，对于起重机来说，只有几种方法存在于lOVE96，PAR991。原因是测量绳索角度的问题。通过CCD相机和图像处理，霍尔传感器系统或具有编码器的万向节接头测量这种可变龙门起重机的成熟方法不能应用于悬臂起重机，因为考虑到系统的负载能力为起重臂顶部的顶端104受到明显的扰动。另一个原因是造成复杂的动力学模型的起重机起重机问题。与龙门式起重机相比，运动方程可以容易地线性化，构想起重臂起重机，主要的非线性项例如由向心力引起的。同样的方程是耦合的。例如，回转运动将导致球形摇摆运动，这不能仅通过回转来补偿。此外，还需要承担起责任。另外一个问题就是提升起重臂的运动学，这也只能用非线性来描述，耳朵功能。另一方面，悬臂起重机的反摆动系统有重要的优势。即使对未经训练的操作人员来说，处理的集装箱数量将会增加，培训工作量减少，工作安全性增加，此外，防摇系统是进一步自动化步骤的基础。在所提出的用于悬臂起重机的轨迹跟踪控制的概念中，原来用于柔性连杆机器人开发的分散控制方法被转移到起重机问题。
2.起重机的结构
图1：起重机LIEBHERR LHM 400。
考虑的起重机系统是一个负载能力为104 t，绳索长度为np至70 m的LIEBHERR港口起重机。起重机配有液压驱动系统，用于回转，起动和起重。由变量％表示的回转达到最大速度为10°/ s。绳索长度受到吊装的影响。通过使由角度变量qA划线的起重臂变宽，负载ru的拨号位置变化。特别是与平行于起重臂的负载摇摆的阻尼非常重要，因为起重机操作者无法根据他的观点来计算位置，等待摇摆的方向。此外，必须处理非常经常在船舶不可见区域的载荷。起重臂的变幅是由液压缸引起的，液压缸在一侧连接到起重机塔架，另一侧连接到起重臂。液压ive系统由一个泵组成，通过一个功率分配器与内燃机连接。由泵产生的流量可以通过伺服阀连续进行压力独立调节。伺服阀信号usm，U * ,,,和us，L是轨迹跟踪控制的输出（图2）。在手动模式的情况下，输入是手柄信号，在自动化教学模式的情况下为目标点。
驱动器。在回转运动的情况下，向心力根据角度回转速度的平方而导致负载位置的径向偏移。在向心力补偿模块中，这种效应通过前馈策略消除。时间索引参考功能的向量是用于不同移动方向的轨迹跟踪控制模块的输入。以下将详细说明变幅控制模块的设计。
图2：防摇控制，传感器，执行器信号。
旋转角度位置pD，起重臂位置9A和绳索长度Is由编码器测量。 为了测量绳索角度，起重机吊钩配有两个陀螺仪。 其中一个测量角度ve-locity @s，平行于吊臂，第二个是为了测量角速度@ s，m，旋转到旋转。 通过消除由于噪声引起的干扰，由测量原理引起的偏移，钩的倾斜振荡和绳索的较高阶的自然振荡，从陀螺仪信号中重建绳索角度。
3.反控制的结构
防摇控制是基于分散控制方法mEU9.5，SAW99d。这意味着，尽管动态模型是耦合的，反摆动控制由分散的控制模块组成，这些分散控制模块连接到回转，变幅和调整的特定运动方向（图3）。因为防摇控制相关的只是变幅和回转，因为起吊不要激动摇摆。分散结构由具有整合行为的液压系统的级联流量控制支持。运动由轨迹生成模块同步。考虑到运动约束，该模块生成参考位置，速度，加速度，加加速度以及加速度ISAWOII导数的时间索引参考函数。输出是这些参考功能的矢量，用于回转运动，变幅运动g-，r6和提升运动G，这样可以避免功率限制开车。 在回转运动的情况下，向心力根据角度回转速度的平方而导致负载位置的径向偏移。 在向心力补偿模块中，这种效应通过前馈策略消除。 时间索引参考功能的向量是用于不同运动方向的轨迹跟踪控制模块的输入。 以下将详细说明变幅控制模块的设计。
图3：防摇控制结构。
4.动力运动动力学模型
变幅的控制变量是负载ru的径向位置（图4）。 它根据起重臂角度计算
p，和实际径向绳角度@，。
rw = I Acos pA 是sin（p，（1）
图4：动态模型的变幅运动。
对于控制，小信号行为是相关的。 那里在前面 （I）将被线性化，并且选择工作点（pAO），径向偏差被定义为控制变量
Aru = - 1〜9sin〜9A0 I s sin pS，（2）
对于动力学模型的推导，假定有一个恒定的绳索长度I。 在同时回转运动的情况下，只有向心力项mL 1，@ :( I，cospA l s p s r）为主要非线性效应。 因此，在应用拉格朗日之后
形式主义运动的运动方程是：
JAY：质量惯性矩; mL：负载质量; 悬臂质量
1，吊臂长度; s。：与起重机重心的距离; g：重力不变; Mm：在起重臂上产生扭矩。
方程式 （3）是起重臂的运动方程，液压缸的压力和反作用力到摇摆的负载。 方程式 （4）为运动方程，其描述了通过角度变量％摆动的负载。方程右侧的术语描述了在同时发生的向心力的影响回转运动。 这样就产生了主导地位回转和变幅耦合。 为了设计变形trajectoly控制此效果将被设置为0。但是，向心力补偿模块通过前馈策略消除这种影响。 开车液压缸的系统由以下等式N E Y 9 9，SAWOO /。
Fzyl：液压缸对活塞杆的力; pzsl：cylinder
压力; 阿兹斯 气缸横截面积; p油可压缩性 Vzsl：气缸容量 QF ,,流量;KpA：输入电压的比例恒定流量伺服阀U-级联流量控制的动态效应将是被忽视 关于平均油压假设总气瓶体积的一半。 zzyr，zzy / are活塞杆的位置和速度。 投影角度q和zzy /，izy /连接到起重臂角度q ,,由动力学运动（fie。5）
角度qA和角速度@ A的结果是：
用于计算起重臂上产生的扭矩需要投影角度w。
通过忽略描述对起重臂的重力作用的术语，可以得出以下线性化状态空间表示。
图 5：安装液压缸
动态模型将被理解为参数变化的系统关于变化的变量绳长I，起重角度的三角项q，和载荷质量mL。
5.1控制结构
每个运动方向与相应的旋转轨迹控制模块。 轨迹控制模块由基于自适应前馈控制组成关于植物反演和自适应状态馈送的思想，回路/ SAW99a /（图6）。 实际上是适应增加关于不同系统参数的调度ters mL，cpA和I， 因为液压驱动系统是其特征在于明显的死亡区和迟滞这种效果的伺服阀由液压补偿补偿模块由于反向非线性特征，曲线曲线。 输出变量为输入电压伺服阀usrA。用于重建绳索角度a干扰观测器估计绳索角度和绳角速度Qs，。 轨迹控制的输入是通过向心力补偿校正参考函数的位置，速度加速度和推导
图 6：轨迹控制结构。
5.2向心力补偿
在转动运动期间影响负载的向心力导致负载以径向绳角度w的偏转。 在独特的回转运动的情况下，这导致径向摇摆。 无论如何，这些摇摆由补偿轨迹控制的反馈回路补偿，如果预先通过前馈策略消除了这种效果，则可以实现改善的行为。 这个想法是，遵循轨迹控制的想法来增加起重臂角度，尽管载荷在其上有向心力，但是与启动回转运动之前的载荷具有相同的径向位置。 负载上的向心力是
该向心力引起负载的偏转的问题的平衡条件是：
轨迹偏差Aq。对于径向方向和Az对于提升方向取决于绳索的角度
线性化后（L2）和（13）径向偏转
通过推导
或校正参考半径如下
高阶导数（16）将由不同的计算发现。
5.3自适应前馈和状态反馈控制的设计
自适应前馈控制的输入变量是参考点，速度，加速度和推导 参考矢量＆可定义为
自适应馈送控制由控制增益KVA0 to KVA4组成，它们是通过关于位置，速度，加速度，加加速度和抖动导数的稳态条件来计算的。 方程式10因此被扩展为参考向量，用于自适应前馈控制的矩阵和状态反馈。
为了计算自适应馈送控制增益，导出了频域中的传递函数，描述了实际径向位置r u和雷达拨盘参考位置运行的依赖关系。 因此，参考矢量被变换为频域。
传递函数GAR(S) 用于实际径向位置rLA和径向参考位置rLAreFC(s)
方程（21）中的零系数取决于馈源获得KvA0至KvA4，等式 21具有以下形式
对于KYA的评估，（Ky，o到Kva 4）只有系数b4 bis bo和u4 bis a。 是需要改进的系统
通过假设条件实现了我们的行为
这导致位置的稳定状态以及速度，加速度，加加速度以及冲击的导数。 理想情况下则所得到的传递函数将退化为G（s）= 1。 事实上，对于预先设定的系统来说，由于零功能IWl996，补偿不完全，还有一个剩下的部分，不能补偿。 但无论如何，与仅具有参考位置作为参考变量的系统相比，系统行为更有利。 方程式 然后引导到用于前馈增益KvAoto KYA的线性方程组，其可以根据反馈增益k1A,k2A,k3A,k4A
前馈增益是依赖于解析表达式对系统参数。 有利的是，那种变化系统参数可以通过增益调度来考虑取决于起重臂角度，载荷质量mL和绳长度Is，这导致了自适应行为
控制。 前馈控制由状态支持状态变量的反馈回路反馈增益是由于极点分配而设计的闭环极点的期望多项式为
具有反馈回路的系统的特征多项式由下式计算
通过比较系数来实现所需的动态行为
求解方程式28然后到达反馈增益k，...。再次，反馈增益是取决于系统参数的解析表达式。因此，通过关于绳索长度I，载荷质量mL和起重臂角度pA的增益调度来实现适应变化的系统参数。
5.4绳角估计的干扰观察者
陀螺仪测量起重机吊钩上与所需灵敏度方向有关的角速度。由于测量原理，测量信号由显着缓慢变化的偏移叠加。为了整合该信号，导致绳索角度估计，需要补偿该偏移量。此外，在大绳索长度掺杂测量信号的情况下，更高程度的绳索的谐波振荡。对于干扰观测器的设计，扰动将被建模为微分方程。对于偏移量，引入变量。干扰被假定为分段常数。因此，干扰模型是
用于建模绳索的一次谐波振荡无阻尼振荡的微分方程为总结
有关收紧绳索的共振频率/ BE190 /对于两个绳索悬挂可以描述以下等式
是每个长度的绳索的质量。状态空间模型将由干扰模型扩展。 那么观察者方程是
观察者矩阵由设计评估。 通过观测器微分方程的适应和观测者通过增益调度的增益来考虑绳索长度，起重角和载荷质量的变化系统参数。 估计的变量然后继续进行到状态反馈控制的系数。
6。测量结果
通过典型的测量结果，我们讨论了预先控制的效率。 图。 我显示一个空的起重机吊钩从35米的径向位置开始到20米的径向位置。 空起重机吊钩是最关键的情况，因为与较大的载荷质量相比，较高程度的自然振荡比激发更大。 测量结果表明，目标点的残余摇摆非常低，目标位置精度高。 测量陀螺仪的噪声水平信号很高（图7）。 绳索振动不能通过信号。,,,,然而，在干扰估计之后，可以容易地看到运动过程中受加速和减速影响的绳索角速度。 同样，偏移量大约为0.01，这将导致无缝补偿的无限绳索角度在中被清除。 图。 图8示出了具有19t的负载质量的回转移动和反馈控制的组合。 如在运动中所讨论的那样，回转的特征还在于小的残余摆动和高的位置精度。 由于起
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