门式起重机防摆控制系统模型

桥式起重机防摆控制方法综述高武龙;陈志梅;孟文俊【摘要】针对桥式起重机系统，分析了系统的拉格朗日动力学模型、非线性特性以及防摆控制的研究现状，阐述并总结了采取不同控制策略时的主要控制方法，轨迹跟踪策略包括离线运动规划和输入整形方法，镇定控制策略从经典控制、现代控制和智能控制等方面分别展开，介绍了PID控制、最优控制、滑模控制、反步控制和无源控制，展望了今后进一步的研究方向和问题。

%In terms of the bridge crane system,the paper analyzes current research situations in Lagrange dynamics model,non-linear property,and anti-sway control,and describes some main control methods for different control strategies. The trajectory tracking strategy is composed of off-line motion planning and input shaping method,while the stabilization control strategy is introduced in aspects of classic control,modern control,and intelligentcontrol,etc.Moreover,the pa-per also introduces PID control,optimal control,sliding-mode control,backstepping control,and passivity-based control, giving prospects for further research direction and any issues.【期刊名称】《起重运输机械》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】5页(P1-5)【关键词】桥式起重机;非线性系统;防摆控制;轨迹跟踪;镇定控制【作者】高武龙;陈志梅;孟文俊【作者单位】太原科技大学太原 030024;太原科技大学太原 030024;太原科技大学太原 030024【正文语种】中文【中图分类】TH215;TP2730 引言起重机广泛应用于车间、港口、仓库等工业场所，起重机的安全操作事关安全生产。

0 引言桥式起重机是实现起重运输过程机械化、自动化的重要设备，抑制或消除其负载的摆动对提高起重机的工作效率、排除安全隐患具有重要意义。

桥式起重机是典型的欠驱动系统[1]，对防摆控制算法提出了高要求。

起重机防摆控制方法主要有模糊控制、滑膜控制、自适应控制、神经网络控制、最优控制等。

文献[2、3]设计了双模糊控制器，系统具有较强的鲁棒性，并提升了控制器处理速度，但模糊控制器的规则设计依赖于人的经验，并需要大量的调参工作。

文献[4、5]利用滑膜变结构控制对参数摄动和系统扰动的低敏感性，提升了桥式起重机防摆控制的鲁棒性。

文献[6]采用自适应耦合闭环控制，在线估计系统参数提升控制效果，但参数估计所需计算量较大，难以用于实时控制。

文献[7]利用神经网络可以逼近任意连续系统的特性，采用逆模型控制方法，文献[8]利用神经网络的学习特性进行参数在线优化，然而神经网络控制方法多见于理论分析，鲜用于实际控制工程中。

最优控制中的LQR[9]只保证局部基于模型预测控制的桥式起重机防摆控制*刘小光1 吴岳明1 朱慧华1 王立夫2 吴朝霞21宝钢股份上海梅山钢铁股份有限公司南京2100392东北大学秦皇岛分校控制工程学院秦皇岛066004摘 要：针对桥式起重机水平定位和防摆控制，设计了基于线性模型预测的控制方法，运用拉格朗日方程建立系统模型并线性化。

由于水平位移与速度的耦合性，设计了三次多项式形式的水平位移期望函数，以及二次多项式形式移动速度期望函数，以达到精确、平滑、小负载摆角运行的控制目标，并可用以实时控制。

搭建Matlab/ Simulink模型进行了仿真验证，表明此控制方式可使起重机在运动过程中速度平滑、定位精确、负载摆角小，无超调响应定位指令，并对负载质量变化、钢索长度变化具有良好的鲁棒性。

与已有的模糊PID控制、LQR、线性自抗扰控制相比，负载摆角抑制效果分别提升87.4%、68.4%和55%。

关键词：桥式起重机；欠驱动系统；防摆控制；模型预测控制；平滑优化中图分类号：TH215 文献标识码：A文章编号：1001-0785（2020）13-0073-06Abstract: Considering the horizontal positioning and shimmy damping control of bridge crane, a control method based on linear model prediction was designed, and the system model was established by lagrange’s equation and linearized.Due to the coupling between horizontal displacement and speed, the expected function of horizontal displacement in cubic polynomial and the expected function of moving speed in quadratic polynomial were designed to achieve the control on accurate, smooth and small load shimmy angle operation and can be used for real-time control. The Matlab / Simulink model was built for simulation verification. Results showed that the control method can ensure smooth speed, accurate positioning, small load shimmy angle, no overshoot response positioning command, and had good robustness in terms of load mass change and cable length change. Compared with the existing fuzzy PID,LQR and LADRC control of shimmy due to loads is levelled up by 87.4%,68.4% and 55% respectively.Keywords: overhead crane ;under-actuated system; shimmy damping control; model predictive control; smooth optimization*基金项目：河北省自然科学基金(F2016501023, F2017501041)；中央高校基本科研业务费(N172304030)的有效性，且鲁棒性不强，不能处理约束问题。

集装箱门式起重机减摇模型及其控制方法解析摘要：集装箱门式起重机在使用过程无法控制摇晃幅度，若摇晃幅度过大必然会限制集装箱门式起重机的使用效率，还可能增加使用过程的安全风险。

为从根本上解决这一问题，应以减摇模型为基础，通过模型构建确定控制方法，以此为起重机正常使用予以保障。

本文先行阐明集装箱门式起重机概述，继而提出减摇模型以及控制方法，以供参考。

关键词：门式起重机；减摇模型；控制方法前言：集装箱门式起重机在装卸领域属于核心设施之一，广泛应用于港口装卸、物流运输、国防安全等大型建设项目。

集装箱门吊传统的卷绕方式无法抑制集装箱在起重机双向运动过程中的摆动，为了提高集装箱门式起重机的装卸效率，需要结合防摆模型制定摆动控制措施，快速防止集装箱摆动，提高集装箱装卸效率。

一、集装箱门式起重机集装箱门式起重机主要用于各种堆场，其效率以TEU/h衡量，工作循环包括集装箱吊装工作循环的一半和空吊工作循环的一半。

在工作循环中，集装箱吊具在A点着箱，吊具旋锁旋转90度完成闭锁，从A点上升到B点，然后小车移动到C点，然后在集装箱堆场从C点下降到D点，然后随着集装箱行进到D点落箱后解锁，而后，空吊具按照原路线返回A点，这样就完成一个工作循环。

由于D的位置不同，循环距离不同，需要的时间也不同。

理论计算根据一系列集装箱的平均装载或卸载时间来衡量循环时间，称为平均循环时间[1]。

通常情况下，循环的平均运行时间不应超过90s，包括循环中对齐和锁定集装箱的时间，如下图所示：图1：场桥工作循环示意图二、集装箱门式起重机减摇模型1.模型结构模型主要结构涵盖大车行走机构、吊具旋转机构、起升机构、小车行走机构和电气控制系统。

吊具旋转机构包括吊具旋转（水平旋转）和吊具左右倾斜（立体旋转），集装箱门式起重机电气控制系统中包括吊具载荷重量控制单元。

载荷重量控制模块用于确定所吊集装箱的重量。

吊具旋转主控单元是根据载荷重量控制单元进行的测试结果，确定吊装集装箱的重心位置。

0 引言欠驱动系统是输入量少于输出量的一类系统，典型的欠驱动系统有倒立摆系统[1]、垂直起降飞行器系统[2]、柔性机械手系统[3]以及起重机系统[4]等。

起重机的欠驱动特性主要体现在起重机的定位防摆控制上，目前学者们针对起重机类欠驱动系统进行定位防摆控制，主要包括移动轨迹规划[5]、输入整形[6]等开环控制方法以及模糊控制[7]、滑膜控制[8]、数据驱动控制[9]、混合算法控制[10]等闭环控制等方法。

部分学者为了验证控制算法的防摆效果，采用虚拟样机代替起重机的数学模型进行半实物仿真，刘春桐等[11]在桥式起重机的虚拟样机模型上验证了模糊自适应PID控制算法的防摆控制效果：吴丽蕊[12]在门座式起重机的虚拟样机中验证了追钩算法和模糊控制的防摆效果。

上述定位防摆研究中，部分学者从数值解的角度出发，采用Lagrange方程建立起重机的欠驱动动力学数学模型进行研究，部分学者从解析解的角度出发，采用ADAMS等动力学仿真软件建立起重机的虚拟样机模型，代替其数学模型进行研究，但在当前存在的研究方法中，均是建立在起重机运行机构的驱动力线性可控的基础上，对起重机进行防摆研究，未考虑到驱动力的来源。

依据Lagrange方程来描述系统动力学特性，得知基于机电耦合动力学模型的起重机类欠驱动系统定位防摆控制宋鹏程1，2 林夫奎1，3 张金侠11北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007 2北京市自动化物流装备工程技术研究中心 北京 1000073机械工业起重机械轻量化技术重点实验室 北京 100007摘 要：在研究起重机的定位防摆问题时，常规建模手段会忽略电气控制系统对控制效果造成的影响，为此，文中提出了机电耦合动力学建模的研究方法。

首先分析了起重机定位防摆控制的当前研究现状，指出了当前起重机类欠驱动系统定位防摆控制研究中存在的问题，然后探讨了当前机电耦合的研究方法对于起重机定位防摆控制的效果，并给出了基于解析解的机电耦合动力学的建模思路。

基于模型预测控制的桥式起重机荷载消摆控制研究桥式起重机是一种常见的工程机械设备，用于搬运重物。

在操作起重机时，由于吊钩和载荷之间的摆动，会对起重机的运动稳定性和负载能力产生负面影响。

为了提高起重机的运动稳定性和工作效率，需要对起重机的荷载消摆进行控制。

目前，常用的起重机荷载消摆控制方法主要有两种：PID控制和模型预测控制。

PID控制是一种通过调节控制器参数来实现系统稳定的经典控制方法，但是由于起重机的动态特性复杂，PID控制难以满足要求。

模型预测控制则是基于系统的动态模型，通过预测系统的未来状态来计算控制量，从而实现荷载消摆控制。

本文基于模型预测控制方法，以桥式起重机为研究对象，对其荷载消摆进行控制。

通过对起重机的动态建模，得到起重机的状态方程和输出方程。

然后，以荷载摆动角度和速度为状态变量，使用最小二乘法对系统进行参数辨识，得到起重机的数值模型。

接着，利用模型预测控制方法，根据当前状态和未来状态的预测值，计算并实施控制量，从而实现荷载消摆控制。

通过仿真实验对控制方法进行验证。

仿真结果表明，基于模型预测控制的桥式起重机荷载消摆控制方法具有较好的控制性能。

与传统的PID控制方法相比，模型预测控制方法能更准确地预测和控制起重机的荷载消摆，能够实现更快的响应和更稳定的控制效果。

该控制方法还能适应不同起重机参数和工况变化，具有较强的鲁棒性和适应性。

本文基于模型预测控制方法，针对桥式起重机的荷载消摆进行了研究。

通过仿真实验证实，该控制方法能够有效提高起重机的运动稳定性和工作效率，具有一定的工程应用价值。

未来的研究可以进一步优化控制算法，提高控制精度和鲁棒性，以适应更复杂的工况和要求。