熔融金属吊车能量和光滑整形防摆控制器设计.pdf
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1、针对熔融金属转运吊车的防摆问题,提出了一种基于桥式欠驱动吊车无源性设计的能量控制技术与前馈光滑整形技术相结合的控制技术。区别于其它的常规吊车控制策略,由于熔融金属吊车在转运过程当中负载为高温液态金属,实现其防摆控制更具控制难度。基于吊车无源性设计的能量控制器具有良好的控制性能,可降低驱动能耗并保证吊车的快速精准定位;为防止吊运过程中的摆动引起高温液态金属负载重心产生强烈的波动,严重时甚至和吊车固有频率达到一致引发谐振,进而引进了一种光滑整形技术对操作命令进行卷积积分处理,可有效消除由液态负载晃动产生的干扰,既可完成系统的预定消摆又可抑制系统振动,进一步增强了系统的鲁棒性并减小了吊车系统摆幅,增
2、强了系统的鲁棒性。最后通过仿真实验证明该控制方法具有良好的控制性能。关键词:熔融金属转运吊车;防摆;能量控制器;光滑整形;液态重心干扰;仿真中图分类号:TH16(Wuhan University of Science and Technology,College of Information Science and Engineering,Abstract:Aiming at the anti-swing problem of the molten metal transfer crane.A control technology based on the passive designof t
3、he bridge-type underdrive crane combined with the energy control technology and the feedforward smooth shaping technologyis proposed.Different from other conventional crane control strategies,since the molten metal crane is loaded with high-tempera-ture liquid metal during the transfer process,It is
4、 more dificult to control its anti-sway control.The energy controller based onthe passve design of the crane has good control performance.Which can reduce driving energy consumption and ensure the rapidand accurate positioning of the crane.In order to prevent the swing during the lifting process fro
5、m causing strong fluctuations inthe center of gravity ofthe high-temperature liquid metal load.Even the natural frequency of the crane is consistent with the natu-ral frequency of the crane to cause resonance.Then a smooth shaping technology is introduced to perform convolution integral processing o
6、n the operation command.Which can effectively eliminate the interference caused by the sway of the liquid load.Vibra-tion further enhances the robustness of the system,reduces the swing of the crane system.Enhances the robustness of the system.Fi-nally.The simulation experiment proves that the contr
7、ol method has good control performance.Key Words:Molten Metal Transfer Crane;Anti-Swing;Energy Controller;Smooth Shaping;Liquid Center ofGravity Interference;Simulation文献标识码:ADesign of the Energy and Smooth Shaping Anti-SwayControllerfor Molten Metal CraneLIU Hui-kang,YAN Meng-wei,CHAI Lin,SUN Bo-we
8、nHubei Wuhan 430081,China)文章编号:1 0 0 1-39 9 7(2 0 2 3)0 8-0 0 0 1-0 51引言由于近年来冶金工业的快速发展,熔融金属转运吊车得到了广泛的使用,为保证最大程度安全生产,操作工人需具有丰富的工作经验,但由于吊运过程操作难度大、工作强度高,稍有不慎便容易引发安全事故,而且在冶金业中液态金属的吊运作业对它的安全性能提出更高的要求。为了保证吊车摆角在精准定位的来稿日期:2 0 2 2-0 6-1 5基金项目:国家重点研发计划资助项目(2 0 1 7 YFC0805100)作者简介:刘惠康,(1 9 6 3-),男,湖北武汉人,教授,主要研
9、究方向:新型电力传动系统;梦伟,(1 9 9 7-),男,江西宜春人,硕士研究生,主要研究方向:吊车防摆同时并减小摆角的晃动,提高吊车在运输过程方面的安全性,广大学者针对吊车做了大量的研究工作。文献2 提出了一种利用广义预测控制整定PID参数的方法,使得传统的PID控制器能够有效地抑制和消除起重机吊钩的游摆,取得了较好的控制效果。文献1 3设计了能抑制系统及干扰影响的吊车防摆定位全过程自抗扰控制器,将繁琐的控制系统参数化为容易实现的单参数调M2整,提高了吊车作业效率。文献4 将非线性反馈纳入控制设计当中,引入摆角抑制因子,提出三维空间的桥式吊车控制方法。文献5 通过分析二级摆桥式吊车系统的无源
10、性以及引入一个广义的信号,设计了一种带有控制输入约束的能量耦合控制方法,仿真实验证明该方法具有良好的鲁棒性。文献6 提出了一种能产生光滑指令的零振动指令光滑器来消除吊车摆动的残余振动,然而,上述方法并没有考虑吊车在吊运高温熔融金属时液态负载造成的波动干扰,不能消除外界造成的干扰波动。而在熔融金属转运实际运行过程中,液态负载波动对系统运行造成的影响不可避免,现有方法大部分都是对吊车进行线性化的特点设计控制器,但是负载液态由于在防摆过程中会产生剧烈晃动,严重时易系统固有频率达到一致时容易诱发谐振,进而造成外在波动太大使系统摆角超过近似线性化范围,导致振荡抑制效果较差。基于上述问题,基于吊车系统的无
11、源性对吊车进行建模对吊车进行分段分析建立了一个能量控制器,并通过实验证明其具有良好的鲁棒性。再利用光滑整形器对系统原始操作命令进行卷积处理,不仅可以消除负载液态的波动晃动干扰并进一步减小摆角振幅,增强防摆效果。2二维桥式吊车动力学模型的建立由于实际吊车系统比较复杂,系统除了具有非线性和强耦合刘惠康等:熔融金属吊车能量和光滑整形防摆控制器设计小车X第8 期同步运动时的动能及负载与吊车位置之间的“距离势能”,并将它们组合成新的系统储能函数,当且仅当吊车台车速度、定位误差、负载摆角、角速度和角加速度都为0 时,储能函数才为0,根据构造的能量函数设计出相应的控制器并利用Lyapunov方法和La-Sa
12、lle不变性原理证明了系统状态渐近收敛到目标位置,能量控制器的建立可以使吊车保证快速精准定位并达到有效的消摆效果,而由于吊车在能量控制器的作用下防摆过程较快,会引发液态金属负载的波动干扰进而导致系统难以稳定,因此引人光滑整形器对原始控制命令进行卷积积分处理来抑制液态负载对系统产生的振荡,它的工作原理如下:操作员给出的原始操作命令经过与光滑整形器的卷积处理产生一个新的光滑整形命令,该光滑整形命令用来驱动系统,实现对吊车控制系统的平滑驱动,在保证吊车能快速精准的实现防摆过程的同时消除由负载液态产生的晃动干扰。进一步减小吊车系统摆幅、增强系统防摆能力。厂轨道L性的特点之外,还会受到各种干扰(如小车与
13、导轨的摩擦)的影响,通过分析吊车系统的特点对吊车进行简化模型处理并作出如下假设:(1)忽略钢丝绳的质量;(2)不考虑钢丝绳在吊车摆动过程中发生的长度变化;(3)负载只能于铅垂面内摆动运动,且吊具与负载视为一摆动的质点;(4)空气阻力和风阻忽略不计;(5)小车驱动力为u,忽略加减速器、电机等传动机构非线性影响;(6)吊车摆动过程中液态负载产生的阻力为f;(7)不考虑系统在防摆过程中产生的弹性形变;结合以上的假设条件,根据拉格朗日方程建立固定绳长二维桥式吊车动力学模型7 如下:(M+m)x+mLicos -mLe?sinO=u-f,-f,mL?+mLcos0 x+mgLsin?=0式中:M一小车的
14、质量;m一载荷的质量;L一小车与负载间的绳长;f一小车与导轨之间的摩擦力;0 一载荷摆动摆角;g一重力加速度;f一液态负载产生的波动阻力。吊车系统水平移动的动力学模型可简化成,如图1 所示。其中,液态负载产生的波动阻力大小与单摆摆动的角速度大小成正比,且由于摆动过程中角度非常小,把阻力方向近似看为水平方向。fi=k.6式中:k,ER一控制增益。3控制器的建立桥式吊车系统的控制框图,如图2 所示。首先基于吊车无源性的特点对吊车系统进行逐段分析并构造相应的储能函数,首先考虑负载相对于吊车的运动的能量函数,进一步考虑负载与吊车-.图1 二维桥式吊车示意图Fig.1 Schematic Diagram
15、 of Two-Dimensional Bridge Crane操作命令光滑整形器(1)图2 桥式吊车系统控制框图Fig.2 Control Block Diagram of Overhead Crane System3.1能量控制器的设计在熔融金属吊车运输液态钢水的过程,要实现吊车能准确快速的到达目标位置,同时保证运输过程中吊车摆角能快速的衰减至零,即:x(t)xa,0(t)0式中:xaER一目标位置,为此,定义台车的定位误差e(t)如下:(2)e(t)=x-xd将负载的运动分解为水平方向和竖直方向上的运动,首先考虑在竖直方向上时负载相对于台车的运动进而构造出能量函数,然后分析在水平方向上负
16、载与台车共同的运动,最后分析负载根据位移指令达到目标位置之后的“距离势能”,最终确定吊车系统的储能函数如下。载荷C=mg液体重心干扰能量控制器桥式吊车反馈量频率估计w负载(3)(4)No.8Aug.2023V(t)=(k,e-kg sin 0)2+2P+keg(1-cos 0)0式中:k,,k e E R+一控制增益,可以看出,当且仅当吊车台车速度、定位误差、负载摆角、角速度和角加速度都为0 时,储能函数V(t)才为0,因此只需设计控制率使得储能函数V(t)为0,则可将所有的系统状态镇定到目标位置。对式(5)进行求导,可得:V(t)=(k,-kgocos0)(x+k,e-ke sin)为了能使
17、吊车系统的储能函数V(t)能量逐渐衰减至0,即V(t)0,可得吊车系统的加速度为:x=-ka(k,-kgocos0)-(k,e-ksin0)式中:ka一正的控制增益,不考虑液态负载产生的阻力f.结合式(1),我们设计反馈控制器如下:F(t)=(M+m sin0)-ka(k,-kgcos)-(h,e-kg sin)-mg sin cos O-mL?sin 0将设计的能量控制器用于吊车消摆,设置吊车位移为2 m,通过simulink仿真得到系统的动态响应,如图3所示。32.5210.50022-30Fig.3 Simulation Experiment Results Before andAfte
18、rthe Action of the Energy Controller由图3可以看出,系统在未加人在任何控制作用之前,吊车在达到目标位置之后仍然处于运行状态,吊车摆角几乎无衰减,系统状态难以达到稳定;单独加入能量控制器作用后,不考虑液态重心干扰,台车在大概8 s时到位目标位移地点,吊车最大摆角为3.0 8,设计的能量控制器能实现吊车的快速精准定位,且负载摆角不大并且镇定时间缩短了很多,实现了良好的瞬态和稳态性能。3.2加入模拟液态金属重心干扰在熔融金属转运吊车转运过程中,考虑液体重心波动干扰f,由于能量控制器使得吊车系统防摆过程时间缩短,会导致液体重心波动较大引起晃动,甚至会引起系统的谐振造
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