1、基 金 项 目:国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目(6 1 9 7 3 1 6 7),江 苏 省 建 设 系 统科 技 项 目(指 导 类)(2 0 1 9 Z D 0 0 1 2 4 4,2 0 1 9 Z D 0 0 1 2 5 2),江 苏 高 校 优 势学 科 建 设 工 程 资 助 项 目.收 稿 日 期:2 0 2 1-0 3-3 1 修 回 日 期:2 0 2 1-0 7-2 1 第 4 0 卷 第 4 期 计 算 机 仿 真 2 0 2 3 年 4 月 文 章 编 号:1 0 0 6-9 3 4 8(2 0 2 3)0 4-0 2 4 5-0 6基 于 模 糊 滑
2、模 控 制 的 物 料 吊 运 定 位 防 摆 控 制李 元 琪1,王 丁 军1,叶 嵩2,郭 毓1(1.南 京 理 工 大 学 自 动 化 学 院,江 苏 南 京 2 1 0 0 9 4;2.中 建 八 局 第 三 建 设 有 限 公 司,江 苏 南 京 2 1 0 0 2 3)摘 要:塔 吊 是 现 代 建 筑 业 中 不 可 或 缺 的 设 备。针 对 塔 吊 作 业 过 程 中 极 易 发 生 物 料 晃 动,影 响 吊 运 作 业 的 安 全 性 和 定 位 准 确性 的 问 题,对 塔 吊 的 变 幅 与 回 转 运 动,以 及 物 料 摆 动 的 动 力 学 特 性 进 行 分
3、析,建 立 了 塔 吊 的 动 力 学 模 型。针 对 上 述 具 有 不 确定 性 的 多 变 量 强 耦 合、欠 驱 动 非 线 性 系 统,提 出 了 防 摆 路 径 规 划 与 鲁 棒 控 制 相 结 合 的 控 制 方 案。在 为 回 转 和 变 幅 运 动 规 划S 型 防 摆 吊 运 路 径 的 基 础 上,设 计 了 一 种 变 幅-回 转 模 糊 滑 模 控 制 与 物 料 摆 角 P D 调 节 相 结 合 的 控 制 方 法。仿 真 结 果 验 证了 所 提 控 制 方 法 不 仅 能 够 提 高 物 料 吊 运 的 准 确 性 和 动 态 防 摆 特 性,而 且 对 外
4、 界 扰 动 亦 具 有 良 好 的 鲁 棒 性。关 键 词:塔 吊;定 位 防 摆;轨 迹 规 划;模 糊 滑 模 控 制中 图 分 类 号:T P 3 9 1.9 文 献 标 识 码:BR e s e a r c h o n A n t i-S w i n g a n d Po s i t i o n i n g C o n t r o l o f L o a d H o i s t i n gB a s e d o n F u z z y S l i d i n g M o d e C o n t r o lL I Y ua n-q i1,W A N G di ng-j u n1,Y E
5、 S o ng2,G U O Y u1(1.S c h o o l o f A u t o m a t i o n,N a n j i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y,N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 4,C h i n a:2.T h e T h i r d C o n s t r u c t i o n C o.L t d o f C h i n a C o n s t r u c t i o n E i g h t h E n g i n e e r i
6、n g D i v i s i o n,N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 2 3,C h i n a)A B S T R A C T:T o w e r c r a n e s a r e i n d i s p e n s a b l e e q u i p m e n t i n t h e m o d e r n c o n s t r u c t i o n i n d u s t r y.I n o r d e r t o s o l v e t h ep r o b l e m o f m a t e r i a l s w i n g i n
7、 t h e p r o c e s s o f t o w e r c r a n e o p e r a t i o n,w h i c h w i l l a f f e c t t h e s a f e t y a n d p o s i t i o n i n ga c c u r a c y o f l i f t i n g o p e r a t i o n,t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a m p l i t u d e a n d r o t a r y m o t i o n o
8、f t o w e r c r a n e a n d t h es w i n g o f l o a d w e r e a n a l y z e d.T h e d y n a m i c m o d e l o f t o w e r c r a n e w a s e s t a b l i s h e d.F o r t h e u n c e r t a i n,m u l t i v a r i a b l es t r o n g l y c o u p l e d a n d u n d e r a c t u a t e d n o n l i n e a r s y
9、s t e m,a c o n t r o l s c h e m e c o m b i n i n g a n t i-s w i n g r o u t e p l a n n i n g a n d r o-b u s t c o n t r o l w a s p r o p o s e d.T h e S-t y p e a n t i-s w i n g l i f t i n g p a t h f o r t h e a m p l i t u d e a n d r o t a r y m o t i o n w a s p l a n n e d.A n d ac o n
10、 t r o l m e t h o d c o m b i n i n g l u f f i n g-s w i n g f u z z y s l i d i n g m o d e c o n t r o l a n d m a t e r i a l s w i n g a n g l e P D a d j u s t m e n t w a s d e-s i g n e d.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d c o n t r o l m e t h o d
11、 c a n n o t o n l y i m p r o v e t h e a c c u r a c y o f l o a d l i f t i n ga n d d y n a m i c a n t i-s w i n g c h a r a c t e r i s t i c s,b u t a l s o h a s g o o d r o b u s t n e s s t o e x t e r n a l d i s t u r b a n c e.K E Y W O R D S:T o w e r c r a n e;P o s i t i o n i n g a
12、n d a n t i-s w i n g;T r a j e c t o r y p l a n n i n g;F u z z y s l i d i n g m o d e C o n t r o l1 引 言塔 吊 广 泛 应 用 于 建 筑、运 输、工 业 生 产、国 防 等 领 域,通过 起 升、变 幅、回 转 三 种 基 本 运 动 方 式 吊 运 物 料 至 期 望 的 位置 1。塔 吊 吊 运 的 物 料 和 变 幅 小 车 通 过 钢 丝 绳 进 行 连 接,在塔 吊 进 行 变 幅 及 回 转 运 动 时 这 种 柔 性 连 接 常 常 会 引 起 物 料周 期 性 摆
13、动,尤 其 是 在 变 幅 及 回 转 运 动 的 起 动 与 制 动 阶 段。除 此 之 外,外 界 因 素 的 影 响(如 风 力 等)也 会 引 起 物 料 摆 动。该 摆 动 不 仅 会 对 变 幅 小 车 和 起 重 臂 产 生 影 响,使 物 料 的 定 位精 度 降 低,而 且 吊 运 过 程 中 物 料 可 能 会 与 其 它 物 体 发 生 碰撞,造 成 安 全 事 故 2。因 此,提 高 物 料 吊 运 的 精 准 度 和 抑 制物 料 摆 动,对 提 高 塔 吊 生 产 作 业 效 率 和 保 障 安 全 极 为 重 要。实 现 起 重 机 的 定 位 防 摆 控 制 已
14、 有 多 种 方 法,文 献 3-5 利 用 输 入 整 形 技 术,通 过 向 系 统 中 引 入 时 滞 环 节,抵 消 输 入变 量 中 引 起 系 统 振 动 的 自 然 频 率 部 分,从 而 有 效 地 避 免 激 发 5 4 2 塔 吊 自 身 的 振 动 模 态。然 而 输 入 整 形 技 术 属 于 开 环 控 制 方法,当 系 统 存 在 不 确 定 性 或 系 统 参 数 因 外 界 干 扰 而 偏 离 标 称值 时,开 环 控 制 系 统 性 能 将 受 到 很 大 影 响。文 献 6 研 究 了塔 吊 系 统 的 P I D 定 位 防 摆 控 制 方 法,算 法 简
15、 单 且 不 依 赖 系 统的 数 学 模 型,但 是 因 塔 吊 系 统 的 非 线 性 及 参 数 时 变,控 制 效果 受 负 载 等 系 统 参 数 变 化 的 影 响 较 大。陈 志 梅 等 7 提 出 了分 数 阶 滑 模 控 制 方 法,用 分 数 阶 滑 模 面 代 替 传 统 滑 模 面,提高 了 系 统 的 鲁 棒 性,但 其 控 制 器 是 基 于 线 性 化 模 型 得 到 的,忽 略 了 许 多 非 线 性 因 素。文 献 8,9 针 对 非 线 性 模 型,设 计了 一 种 滑 模 控 制 器,获 得 了 较 好 的 定 位 防 摆 控 制 效 果,但 其研 究 对
16、 象 为 桥 式 起 重 机,仅 涉 及 变 幅 运 动,未 涉 及 变 幅 回 转联 合 运 动。塔 吊 系 统 是 一 个 非 线 性、强 耦 合 性 的 多 变 量 欠 驱 动 系统,本 文 针 对 塔 吊 吊 运 物 料 的 定 位 防 摆 问 题,在 建 立 塔 吊 系统 动 力 学 模 型 的 基 础 上,规 划 了 S 型 防 摆 吊 运 路 径,提 出 了一 种 变 幅-回 转 模 糊 滑 模 控 制 和 物 料 摆 角 P D 调 节 相 结 合 的控 制 方 法,使 物 料 吊 运 定 位 快 速 准 确,且 有 效 抑 制 了 吊 运 过程 中 的 物 料 摆 动,提 高
17、 了 系 统 的 鲁 棒 性。2 塔 吊 数 学 模 型塔 吊 主 要 由 基 座、塔 身、顶 升 套 架、塔 顶、配 重、平 衡 臂、起 重 臂、回 转 支 座、驾 驶 室、变 幅 小 车、吊 绳、吊 钩 等 部 分组 成 1 0。在 对 塔 吊 系 统 进 行 建 模 前 需 做 出 一 些 必 要 的 假 设,以 简化 系 统 模 型:1)将 物 料 视 为 质 点;2)忽 略 吊 绳 的 质 量 和 弹 性 变 形;3)不 计 风 力 以 及 空 气 阻 力;4)只 考 虑 变 幅 运 动 和 回 转 运 动,不 考 虑 升 降 运 动;5)变 幅 小 车 质 量 均 匀 分 布,质
18、心 为 变 幅 小 车 的 几 何中 心。根 据 右 手 定 则 建 立 如 图 1 所 示 的 空 间 坐 标 系,以 起 重 臂 轴 线与 塔 身 轴 线 的 交 点 为 坐 标 原 点o,起 重 臂 轴 线 为x 轴,正 方 向为 起 重 臂 指 向,塔 身 轴 线 为z 轴,正 方 向 为 竖 直 向 下。M 为变 幅 小 车 的 质 量(单 位:k g),m 为 物 料 与 吊 钩 的 总 质 量(单位:k g),J0为 回 转 部 分 的 转 动 惯 量(单 位:k g m2),l 为 吊 绳的 绳 长(单 位:m),d 为 变 幅 小 车 的 变 幅 位 置(单 位:m),为起
19、重 臂 的 回 转 角 度(单 位:r a d);和 分 别 为 物 料 摆 角 分 量,其 中 为 吊 绳 在xz 平 面 上 的 投 影 与z 轴 的 夹 角(单 位:r a d),为 吊 绳 在xz 平 面 上 的 投 影 与 吊 绳 方 向 的 夹 角(单 位:r a d);Fx为 变 幅 小 车 沿x 方 向 所 受 的 牵 引 力(单 位:N),T为 起 重臂 回 转 时 所 受 的 回 转 力 矩(单 位:N m),Dx为 变 幅 小 车 与起 重 臂 之 间 的 阻 尼 系 数。图 1 塔 吊 系 统 物 理 模 型利 用 拉 格 朗 日 方 程 建 立 塔 吊 系 统 的 非
20、 线 性 模 型 1 1 d=1m c o s2 s i n2+MFx-Dxd-mg s i n c o s c o s2-ml s i n c o s3 2-ml s i n c o s 2+(m c o s2 s i n2+M)d 2-ml s i n c o s(1-c o s2 s i n2)2-2ml s i n2 c o s-2m s i n c o s s i n d+2ml s i n c o s2 s i n c o s(1)=1J0+Md2+md2s i n2T-2(m s i n2+M)d d-mld s i n 2-mld s i n c o s2 2-2mld s i
21、 n s i n+md2s i n c o s s i n 2+2ml s i n2 c o s c o s-mld s i n(1-c o s2 c o s2)2-mgd s i n c o s c o s(2)=1l c o s-2l s i n-2l c o s c o s+c o s(d-l s i n c o s)2+g s i n-c o sm c o s2 s i n2+MFx-Dxd-ml s i n c o s 2+(m c o s2 s i n2+M)d 2-mg s i n c o s c o s2-ml s i n c o s(1-c o s2 s i n2)2-ml s i n c o s3 2-2ml s i n2 c o s-2m s i n c o s s i n d+2ml s i n c o s2 s i n c o s-l s i n c o sJ0+Md2+md2s i n2T 6 4 2
