欠驱动塔式起重机系统关键控制技术研究

From the viewpoint of mechanical structures and working principles, tower cranes can be regarded as a special class of underactuated robots involving rotational and translational movements. Due to the merits of large capacities and working space, tower cranes have been playing important roles in many fields, e.g., construction. However, tower cranes exhibit very complicated dynamic characteristics and strong state coupling, which bring many challenges for swing elimination and positioning control of payloads. Currently, the researches for tower crane control are still in the early stage, and many practical problems remain unresolved, e.g., optimal trajectory planning, uncertain parameters/disturbances, output feedback, rope flexibility, etc. Hence, researches on automatic control for tower cranes are both theoretically and practically important. For the above-mentioned challenges, motivated by the urgent demands in practical applications, the following researches will be carried out in this project to improve the performance of tower cranes: state-constrained time/energy-optimal trajectory planning, adaptive/robust tracking control, “human-crane” cooperative control, and nonlinear antiswing positioning control in the presence of rope flexibility. Some effective key control methods will be presented, for which in-depth theoretical analysis will be provided. After that, hardware experiments will be implemented to examine their performance. The researches in this project are important for improving the working efficiency and safety of tower crane systems.

从机械结构及工作原理的角度看，可将塔式起重机视为一类涉及旋转、平移运动的特殊欠驱动机器人。塔式起重机载重量大，工作空间广，在建筑业等领域发挥着重要作用。然而，塔式起重机的动力学特性非常复杂，状态耦合性很强，给其负载消摆、定位控制研究带来了诸多挑战。目前，其控制研究仍处于初期阶段，许多实际问题亟待解决，如最优轨迹规划、不确定参数/干扰、输出反馈、吊绳柔性等。因此，塔式起重机的自动控制研究具有理论与实际的双重重要价值。针对上述挑战，结合实际应用中的迫切需求，本项目拟开展如下几个方面的研究工作：考虑状态约束的时间/能量最优轨迹规划、自适应/鲁棒轨迹跟踪控制、“人-起重机”协作控制、考虑吊绳柔性的非线性消摆定位控制，旨在提高塔式起重机系统的性能；基于此，将提出行之有效的关键控制技术，进行充分的理论分析，并在样机平台上完成实验验证。这些研究对于提高塔式起重机的工作效率与安全性而言，具有重要的价值。

塔式起重机是建筑工地中应用最广泛的运输工具之一。然而，负载摆动无法直接驱动，且与旋臂旋转、小车平动相耦合。此外，恶劣工作环境中的外界未知扰动易引发负载的大幅摆动，存在很大的安全隐患，且严重影响塔式起重机的工作效率。因此，开展塔式起重机的防摆定位控制研究具有重要理论意义与实际价值，但也具有挑战性。.为此，本项目针对欠驱动塔式起重机系统展开了深入研究，所取得的研究成果如下：（1）对欠驱动塔式起重机的非线性动力学进行了深入分析，并对原有塔式起重机实验平台样机进行了进一步改进与优化，使其可以更加准确地反映真实塔式起重机的动力学特性；（2）考虑负载摆幅、小车/旋臂速度/加速度等多种状态约束，提出了时间/多目标最优的消摆定位轨迹规划方法，实现了小车/旋臂准确定位和负载快速消摆，减少了运输时间/系统能耗；（3）针对实际塔式起重机系统受到的参数不确定、未建模动态等内部扰动及摩擦力、风力等外界干扰的影响，设计了跟踪控制策略，能够有效跟踪所规划轨迹，实现高性能控制；（4）考虑驱动器饱和约束和速度不可测、状态受限等实际问题，分别提出了考虑饱和约束的自适应控制方法和基于绳长约束与未知质量估计的输出反馈控制方法，无需利用速度反馈便可实现负载的高精度定位，同时有效抑制负载的残余摆动；（5）将相关研究进行扩展，用以解决其他欠驱动系统的控制问题。对上述大多数控制方法，在实验平台上进行了实验验证。.发表/录用SCI源刊论文36篇，包括IEEE Transactions论文26篇；授权发明专利11件，受理发明专利1件。项目负责人获吴文俊人工智能优秀青年奖、中国智能制造十大科技进展、Machines 2021杰出青年学者奖等奖励，指导的学生荣获第五届中国“互联网+”大学生创新创业大赛金奖、天津市优秀学生等荣誉与奖励。