受两级摆动影响的吊车系统控制方法研究

Cranes are widely-used large-scale transportation tools, and the studies on their anti-sway and trolley positioning control are of important significance. At present, most existing methods treat the hook and the payload as one mass point, and regard the payload sway as that of a single pendulum. In fact, in most situations, the payload weight is not negligible and the size of the payload is large; thus, they cannot be seen as one mass point from a practical point of view. In practice, crane systems usually exhibit more complicated double pendulum sway dynamics, giving rise to increased underactuation and stronger nonlinearity, and this fact makes the control methods, which are designed based on single pendulum cranes, fail to work normally. Hence, it is both theoretically and practically important to study double pendulum cranes which are more practical. By fully considering some practical issues, such as moving and stationary obstacles in the workspace, unmodeled dynamics, uncertain parameters, varying rope length (corresponding to payload hoisting/lowering), unmatched perturbations, and so forth, this project will present effective control strategies to improve the system efficiency and safety as well as to enhance the robustness. More precisely, we will study the following points within this project: online obstacle avoidance anti-sway motion planning, continuous robust anti-sway and positioning control, adaptive control with payload hoisting/lowering, and disturbance rejection control in the presence of unmatched perturbations. After theoretical development and analysis, we will perform abundant experiments on a double pendulum hardware crane testbed to verify the performance of the proposed control methods.

吊车是常见的大型运输工具，其防摆、定位控制具有重要的研究意义。现有绝大多数研究将吊钩与负载视为同一质点，把负载摆动视为单摆处理。事实上，在大多数情况下，吊钩重量不可忽略，负载往往具有较大体积，两者无法视为同一质点。实际吊车一般表现出更复杂的两级摆动特性，欠驱动度更高，非线性、耦合性更强，导致针对单级摆动吊车设计的控制方法无法适用。因此，针对更符合实际情况的两级摆动吊车系统开展研究，具有理论与实际的双重意义。针对两级摆动吊车系统，本项目将充分考虑工作空间存在动静态障碍物、未建模动态、不确定参数、绳长时变(负载升降)、不匹配扰动等实际难题，提出行之有效的控制方案，提高系统工作效率与安全性，增强鲁棒性。本项目研究内容包括：在线避障消摆运动规划、连续鲁棒消摆定位控制、伴有负载升降的自适应控制、受不匹配扰动影响的抗干扰控制；在完成理论设计与分析后，将在两级摆动吊车硬件平台上进行实验研究。

欠驱动吊车系统目前在工业工程领域应用十分广泛。在许多情况下，由于负载与吊钩之间存在不可忽略的相对摆动，吊车系统往往呈现出双摆特性，如吊钩质量较大无法忽略、负载与吊钩无法被视为同一质点等。此时，相比于单摆吊车模型，具有双摆特性的吊车模型能更精确地描述实际吊车系统的真实特性。然而，不可驱动状态的增加使系统的动力学特性更加复杂，其控制问题也更具挑战。.为此，本项目针对双摆吊车系统展开了深入研究，所取得的研究成果如下：1) 对已有实验平台进行加工、改进和完善，搭建了双摆桥式吊车与双摆船用吊车实验平台。2) 为避免负载与障碍物发生碰撞，以提高效率与安全性为目标，规划了高效的摆动抑制轨迹。3) 针对驱动器饱和、速度信号难以测量、参数不确定等实际问题，提出了具有连续控制结构的鲁棒控制方法与无需速度反馈的饱和输出反馈控制方法，可有效约束驱动信号，节省速度传感装置，处理系统参数不确定性。4) 针对吊绳长度变化的情形，设计了伴有负载升降运动的吊车系统的控制方法。同时考虑在控制器中引入额外的动能耦合项，设计了非线性自适应消摆定位控制方法，可实现负载摆动的快速抑制。5) 针对外部干扰与系统参数不确定性，提出了非线性干扰抑制控制方法，即便在系统参数未知与存在不匹配干扰的情况下，也能实现精确定位与残余振荡的快速消除。6) 针对其他吊车系统及欠驱动系统开展了拓展研究，提出了一系列控制方法。对上述控制方法，在自主搭建的实验平台上进行了实验验证；此外，部分方法的性能还在32吨工业吊车上进行了验证。.发表/录用SCI源刊论文21篇，包括IEEE Transactions论文14篇；授权发明专利8项，受理发明专利8项。项目负责人获得天津市自然科学一等奖、吴文俊人工智能自然科学一等奖、天津市专利金奖、中国自动化学会优秀博士学位论文奖等奖励，指导的学生荣获“第十一届中国青少年科技创新奖”，指导的学生团队入选中国青少年科技创新奖励基金支持项目—2017年度大学生“小平科技创新团队”。