基于图像视觉欠驱动智能桥式吊车跟踪控制(2)

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图1.1 桥式吊车a）货运码头 b）原料仓库c）结构钢生产线 d）铁路建设工地

图1.2 桥式吊车在实际中的应用

欠驱动系统是指一类驱动器个数少于系统自由度的系统，它需要通过较少的控制量实现对更多状态量的控制，控制难度很大[2]。桥式吊车是一种典型的欠驱动非线性机电一体化设备，它具有操作灵活性高、运送能力强、占地空间少等优点，广泛应用于现代工业生产与加工。对于吊车的操作而言，其控制目标是将负载快速准确地运送到目标位置。论文网

在操作过程中，台车的运动会引起负载的摆动，使其可能和周围的其他物体或操作人员发生碰撞，导致财物损失甚至人员伤亡。尤其是当台车到达指定位置停止运动后，负载的残余摆动不仅会带来安全隐患，同时也极大地降低了吊车的工作效率。因此，针对桥车吊车控制,定位控制和负荷摆动抑制是研究的重点。一方面要求实现台车的快速准确定位，以满足运送负载的要求；另一方面则要求有效地抑制负载摆动。

一般来讲，桥式吊车的负荷摆动角 Ɵ 是由接触式传感器来测量的，但由于机械震动等原因，往往会导致测量误差偏高，影响控制效果。另一方面，由于现有的桥式吊车自动化程度不高，起重机操作水平往往受员工的经验、身体状态、天气状况等原因限制，事故发生率比较高，会对人身安全与国民经济造成很大损失。因此，对桥式吊车的智能化研究不仅有利于推动我国交通运输的现代化水平，更对发展物联网具有十分重大的意义。

目前，针对桥式吊车的控制方法可分为开环控制和闭环控制两种方式。

开环控制方法以最优控制、输入整形以及离线轨迹规划为主。最优控制一般是利用系统模型，通过设计目标函数来规划一条可以使运送时间最短或消耗能量最小的台车运行轨迹。或针对负载摆动过程设计最优二次型消摆规律，在一个周期内消除负载摆动。与最优控制相比较，输入整形技术应用更为广泛，它是目前最成功的桥式吊车开环控制方法。这种方法的主要思想是根据桥式吊车系统的频率特性，对控制输入进行合理规划。为此需要设计一组整形脉冲序列（一般将它们称为整形器），并将它们与台车控制指令进行卷积，然后利用得到的输入信号来控制吊车系统。[5]中则基于负载与台车之间的非线性耦合关系，在台车的参考运行轨迹中引入了抗摆环节，随后又借助迭代学习策略进一步修正合成轨迹，最终生成的轨迹不仅能保证台车的精确定位，还能有效地抑制运送过程中的负载摆动，尤其是台车到达目标位置的残余摆动。随后，他们又通过把负载摆角随台车运行变化规律映射到一个相平面上，设计了一系列具有解析表达式的台车轨迹，实现了对吊车系统的有效控制。在模型精确和理想的情况下，开环策略能取得较好的控制效果，但考虑到实际工作环境中各种干扰的影响，开环策略一般用于前馈控制环节。最优控制和输入整形作为开环控制方法，它们对于吊车模型的准确度具有很强的依赖性，并且对于系统中的参数变化极其敏感，抗干扰能力也相对较差，因此在实际应用中很难满足人们对桥式吊车自动控制的要求。文献综述

相比之下，闭环控制方法对系统环境具有更好地适应性。闭由于欠驱动特性，许多适用于全驱动系统的闭环控制方法很难直接用于桥式吊车系统。针对目前国内外的大量研究，具体而言，文献[3]和[4]分别将模型自适应算法应用于二维和三维桥式吊车系统，取得了良好的控制性能。文献[6]就一类欠驱动系统提出了一套基于局部反馈线性化的控制策略，并将其成功地应用在二维桥式吊车系统。文献[7]采用分级滑模控制和自适应滑模控制方法实现了对吊车系统的有效控制，由于滑模的引入，系统对外界干扰具有较强的鲁棒性。此外，基于能量的控制策略由于具有良好的控制性能和明确的物理意义，被广泛地应用于欠驱动系统的控制。如文[8]中提出了一种基于分段系统能量分析的控制器设计方法，通过对整个系统的分段分析，得到负载相对于台车的能量、台车和负载一起在水平方向运行的动能及负载与目标位置之间的距离势能，将其组成系统储能函数，避免了常规能量控制器复杂的稳定性分析，并取得了更优越的控制性能。此外也可以采用双闭环PID控制、模糊控制等算法进行有效控制。