[发明专利]一种消摆控制器及塔式吊车系统

说明书

本公开提供了一种消摆控制器及塔式吊车系统。消摆控制器的控制输入为悬臂旋转控制力矩M和平移控制力F；控制输出为悬臂旋转角速度以及台车速度消摆控制器的表达式为：其中，e_φ和e_x分别表示悬臂旋转角度误差和台车位移误差；、k_dφ、k_hφ、k_px、k_dx和k_hx表示控制增益，为已知参数；θ₁,θ₂分别代表吊钩第一摆角和吊钩第二摆角，θ₃,θ₄分别表示负载第一摆角和负载第二摆角；分别代表吊钩第一摆角速度、吊钩第二摆角速度、负载第一摆角速度和负载第二摆角速度；M_f为旋转摩擦力；F_f为平移摩擦力。

技术领域

本公开属于塔式吊车控制领域，尤其涉及一种消摆控制器及塔式吊车系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

塔式吊车是一类将重型货物转移到目标位置的大型搬运工具，在建筑工地等许多领域得到了广泛的应用。与其它吊车相比，塔式吊车具有占地面积与工作空间比小的优点，同时由于其欠驱动的特性，存在着非常复杂的非线性控制问题。与其它吊车一样，塔式吊车也是欠驱动非线性系统，定位和负载摆动抑制/消除是其首要任务。目前，塔式吊车系统的控制问题仍然是一个具有开放性和挑战性的问题。

在过去几十年中，许多研究人员一直在密切关注塔式吊车系统的控制问题，并报道了许多有意义的工作。两种常见的开环控制方法分别是输入整形控制方法和最优控制方法。开环控制方法具有结构简单，易于在实际应用中实现的优点。然而，这些控制方法的控制性能可能会受到外部干扰和参数不确定性的影响。为了提高鲁棒性，研究人员针对塔式吊车系统设计了一些闭环控制方法，包括增益调度反馈控制、基于激光的路径跟踪控制、模型预测控制、神经网络控制和基于能量的控制、自适应滑模方法。

发明人发现，上述控制方法均忽略了吊钩质量以及吊钩重心和负载重心之间的距离，并且将负载的摆动视为单摆运动进行处理的。在某些情况下，吊钩质量不能忽略，而且负载的尺寸通常很大。在这种情况下，负载将围绕吊钩旋转，即产生二级摆效应。与单摆模型相比，二级摆模型更接近实际情况。因此，虽然二级摆型塔式吊车的动力学问题较为复杂，但对其控制问题的研究具有非常重要的理论和实际应用价值。目前通过对吊车模型进行简化，提出了一种输入整形控制器来消除残余摆动。然而，输入整形方法属于开环控制方法，对外界干扰敏感。此外，这种方法需要假设吊钩和负载只在一个平面上摆动。事实上，吊钩和负载的摆动并没有限制在一个平面上，而是会偏离原来的摆动平面，形成一个球体，即球面摆。

发明内容

为了解决上述问题，本公开的第一个方面提供一种消摆控制器，其实现了带有二级摆及球面摆特性的塔式吊车系统的闭环控制，能够快速消除初始负载摆角以及外部扰动，提高塔式吊车系统的稳定性。

一种消摆控制器，其控制输入为悬臂旋转控制力矩M和平移控制力F；控制输出为悬臂旋转角速度以及台车速度消摆控制器的表达式为：

其中，e_φ和e_x分别表示悬臂旋转角度误差和台车位移误差；k_dφ、k_hφ、k_px、k_dx和k_hx表示控制增益，为已知参数；θ₁,θ₂分别代表吊钩第一摆角和吊钩第二摆角，θ₃,θ₄分别表示负载第一摆角和负载第二摆角；分别代表吊钩第一摆角速度、吊钩第二摆角速度、负载第一摆角速度和负载第二摆角速度；M_f为旋转摩擦力；F_f为平移摩擦力。