基于模糊滑模控制的物料吊运定位防摆控制_李元琪.pdf
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1、基金项目:国家自然科学基金资助项目(61973167),江苏省建设系统科技项目(指导类)(2019ZD001244,2019ZD001252),江苏高校优势学科建设工程资助项目.收稿日期:2021-03-31 修回日期:2021-07-21 第 40 卷 第 4 期计 算 机 仿 真2023 年 4 月 文章编号:1006-9348(2023)04-0245-06基于模糊滑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 210094;2.中建八局第三建设有限公司,江苏 南京 210023)摘要:塔吊是现代建筑业中不可或缺的设备。针对塔
2、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 PD 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:TP391.9 文献标识码:BResearch on Anti-
3、Swing and Positioning Control of Load HoistingBased on Fuzzy Sliding Mode ControlLI Yuan-qi1,WANG ding-jun1,YE Song2,GUO Yu1(1.School of Automation,Nanjing University of Science&Technology,Nanjing Jiangsu 210094,China:2.The Third Construction Co.Ltd of China Construction Eighth Engineering Division,
4、Nanjing Jiangsu 210023,China)ABSTRACT:Tower cranes are indispensable equipment in the modern construction industry.In order to solve theproblem of material swing in the process of tower crane operation,which will affect the safety and positioningaccuracy of lifting operation,the dynamic characterist
5、ics of the amplitude and rotary motion of tower crane and theswing of load were analyzed.The dynamic model of tower crane was established.For the uncertain,multivariablestrongly coupled and underactuated nonlinear system,a control scheme combining anti-swing route planning and ro-bust control was pr
6、oposed.The S-type anti-swing lifting path for the amplitude and rotary motion was planned.And acontrol method combining luffing-swing fuzzy sliding mode control and material swing angle PD adjustment was de-signed.The simulation results show that the proposed control method can not only improve the
7、accuracy of load liftingand dynamic anti-swing characteristics,but also has good robustness to external disturbance.KEYWORDS:Tower crane;Positioning and anti-swing;Trajectory planning;Fuzzy sliding mode Control1 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
8、运动时这种柔性连接常常会引起物料周期性摆动,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542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
9、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 PID 定位防摆控制方法,算法简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
10、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 PD 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10。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
11、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:kg),m 为物料与吊钩的总质量(单位:kg),J0为回转部分的转动惯量(单位:kgm2),l 为吊绳的绳长(单位:m),d 为变幅小车的变幅位置(单位:m),为起重臂的回转角度(单位:rad);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:rad),为吊绳在 xz 平面上的投影与吊绳方向的夹角(单位:rad);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:Nm),Dx为变幅
12、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线性模型11d=1mcos2sin2+MFx-Dxd-mgsin cos cos2-mlsin cos3?2-mlsin cos 2+(mcos2sin2+M)d?2-mlsin cos(1-cos2sin2)?2-2mlsin2cos?-2msin cos sin d?+2mlsin cos2sin cos?(1)=1J0+Md2+md2sin2T-2(msin2+M)dd?-mldsin 2-mldsin cos2?2-2mldsin sin?+md2sin cos sin?2+2mlsin2cos cos
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