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高架起重機(jī)的模糊控制設(shè)計(jì)與死區(qū)補(bǔ)償
出版： 施普林格出版社倫敦有限公司 2009，4月
[本要]：本文提出了一種簡(jiǎn)單而有效的方法控制三維橋式起重機(jī)。所提出的方法使用快速運(yùn)輸與模糊控制的一種控制控制死區(qū)補(bǔ)償起重機(jī)時(shí)接近目標(biāo)的精確定位和移動(dòng)負(fù)荷平穩(wěn)。只有剩下的距離和投影用于設(shè)計(jì)模糊控制器的擺動(dòng)角度。在這種方法中，沒(méi)有任何植物的起重機(jī)信息是必要的。因此，所提出的方法大大降低了計(jì)算的努力。幾個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明通過(guò)建議的方法，鼓勵(lì)有效性一種規(guī)?；娜S起重機(jī)模型。的非線性干擾，如作為突然碰撞，也考慮到檢查的所提出的方法的魯棒性。
[關(guān)鍵詞]：橋式起重機(jī)投影擺角 模糊控制器死區(qū)補(bǔ)償
1 引言
三維起重機(jī)由小車(chē)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和軟電線。工廠和港口經(jīng)常使用它用于搬運(yùn)重物。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)小車(chē)和彈性鋼絲繩的載荷?？焖佟⑵椒€(wěn)、精確移動(dòng)到目標(biāo)是起重機(jī)控制的主要目標(biāo)。一般情況下，有經(jīng)驗(yàn)的起重機(jī)操作員移動(dòng)到負(fù)載目的地慢慢地，把小車(chē)來(lái)回地來(lái)回地使負(fù)載平穩(wěn)，并試圖阻止臺(tái)車(chē)在目的地準(zhǔn)確而順利。然而，由于非線性負(fù)載搖擺運(yùn)動(dòng)，平穩(wěn)輸送由起重機(jī)操作員精確的負(fù)載定位是不容易的。此外，快速運(yùn)輸?shù)呢?fù)荷，但沒(méi)有擺動(dòng)是一個(gè)更加困難的目標(biāo)。因此，只有起重機(jī)操作員的反饋是不足以控制的運(yùn)輸過(guò)程中的起重機(jī)。
起重機(jī)控制的目的是將負(fù)載轉(zhuǎn)移到盡可能快的目標(biāo)；同時(shí)，盡量減少在運(yùn)輸過(guò)程中的擺動(dòng)和停止臺(tái)車(chē)正是在目的地。然而，加速的起重機(jī)總是伴隨著非線性負(fù)載的擺動(dòng)，它可能造成的負(fù)載損壞，甚至發(fā)生意外。一些調(diào)查已經(jīng)制定了防搖擺的方法橋式起重機(jī)的有效控制。有些物品起重機(jī)控制存在的問(wèn)題探討系統(tǒng)。在這些研究中，Guarnieri和特羅格[ 1 ]用最少的時(shí)間控制，以最大限度地減少負(fù)載擺動(dòng)。模型，以評(píng)估一個(gè)最佳的速度或路徑參考，最小化的負(fù)載擺動(dòng)[ 3，7 ]。然而,由于負(fù)載擺動(dòng)取決于小車(chē)的運(yùn)動(dòng)和加速度，最大限度地減少周期時(shí)間和負(fù)載搖擺是部分相互矛盾的要求。一些研究還應(yīng)用非線性控制理論分析起重機(jī)系統(tǒng)的性能[ 8，10 ]。此外，Karakorum和ribbing [ 11 ]還開(kāi)發(fā)了建模和基于能量的起重機(jī)的升降器的非線性控制。這些方法太用于工業(yè)用途的復(fù)合物；同時(shí)，它們花了太多時(shí)間來(lái)轉(zhuǎn)移負(fù)荷平穩(wěn)在交通運(yùn)輸開(kāi)始時(shí)劇烈搖晃。此外，吉田和川邊[ 12 ]提出了實(shí)時(shí)飽和起重機(jī)控制策略。松尾等人。[ 13 ]使用PID？基于Q-控制器防搖起重機(jī)。高木和Mishmash [14]開(kāi)發(fā)了一個(gè)集中控制系統(tǒng)與向上和向下和旋轉(zhuǎn)方向之間的耦合抑制懸臂式起重機(jī)的擺動(dòng)。這些研究主要集中在空載擺動(dòng)的抑制了控制，但在起重機(jī)的結(jié)束并沒(méi)有解決位置誤差的問(wèn)題運(yùn)動(dòng)[15]?；谝恍┠：姆椒╗15-19]也提出了控制起重機(jī)。不幸的是，這樣的模糊控制器不能提供對(duì)所需性能起重機(jī)系統(tǒng)中，由于不確定性和大擾動(dòng)模糊系統(tǒng)，降低了工作效率。
在本文中，我們提出要容納所有的方法3D起重機(jī)控制的目標(biāo)，包括快速移動(dòng)起重機(jī)，負(fù)載的抗搖擺，和控制器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔程序。一種使用PID控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)起重機(jī)快速交通控制的前部并應(yīng)用剩余距離和搖擺投影角度來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器。擬議的條款還提供補(bǔ)償算法來(lái)克服控制死區(qū)的問(wèn)題，提高了性能。一縮放起重機(jī)模式，以2米長(zhǎng)，2米寬，2米高，用于說(shuō)明該方法的有效性。這個(gè)方法不使用起重機(jī)的復(fù)雜植物模型設(shè)計(jì)了吊車(chē)的控制器，但兩者的定位和晃動(dòng)的問(wèn)題是可以解決的。
所提出的模糊控制方法大大有助于控制復(fù)雜的系統(tǒng)。這篇文章的結(jié)構(gòu)安排如下。第二部分示出了提出投影法和教派。 第三部分揭示了橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的補(bǔ)償算法。在第四部分幾個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)給說(shuō)明了該方法的優(yōu)點(diǎn)。
2 起重機(jī)控制器設(shè)計(jì)
起重機(jī)控制器設(shè)計(jì)的物理裝置三維起重機(jī)系統(tǒng)組成電車(chē)和軟線負(fù)載的關(guān)系,如所示圖1所示。兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電車(chē)沿著X軸和y軸和四個(gè)12位編碼器(兩個(gè)為傳感X - y位置電車(chē)和其他兩個(gè)旋角測(cè)量的負(fù)載在3 d空間)應(yīng)用于測(cè)量相關(guān)參數(shù)。負(fù)載的擺動(dòng)圖3 d圖2所示。一般來(lái)說(shuō),小車(chē)的運(yùn)動(dòng)將陪同的負(fù)載。當(dāng)電車(chē),向后旋角可以預(yù)期,反之亦然。那,相應(yīng)的擺動(dòng)的方向是相反的嗎小車(chē)運(yùn)動(dòng);與此同時(shí),小車(chē)的加速度也會(huì)造成額外的負(fù)載。因此,轉(zhuǎn)移順利快速的負(fù)載,并不容易。同時(shí)由于起重機(jī)控制的目標(biāo)之一轉(zhuǎn)移負(fù)載盡可能快;
因此,我們利用的距離快速PID控制在前95%運(yùn)輸,然后切換到模糊的投影方法來(lái)抑制負(fù)載擺動(dòng)。塊圖模糊的起重機(jī)控制系統(tǒng)圖3所示。
如圖4所示。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的控制，快速旅行期間，停止精確和平穩(wěn)地在末端擺動(dòng)，小車(chē)應(yīng)該被驅(qū)動(dòng)有以下標(biāo)準(zhǔn)。首先，小車(chē)應(yīng)該是沿著電子的方向，到達(dá)目的地盡可能快。其次，小車(chē)應(yīng)沿消除擺動(dòng)角度的方向。然而,電子和你的方向可能不一樣，和駕駛小車(chē)沿著電子和你的方向在其間可能是不可能的。因此，筆者適用模糊控制小車(chē)的方向E、X軸和Y軸雙電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)起重機(jī)。一個(gè)使用E是模糊的先行因素控制器得到模糊控制X軸電機(jī)，和其他適用的EY和/ Y導(dǎo)出控制Y軸電機(jī)。假設(shè)模糊控制器的輸出是超濾膜，其中的輸出作為輸入的模糊函數(shù)變量，
表1中定義的規(guī)則使用最低推理和重心去模糊化[20]。作者用輸出信號(hào)控制X軸和y軸的馬達(dá)。因?yàn)榈竭_(dá)目的地的因素和消除搖擺都考慮設(shè)計(jì)fuzzy-based起重機(jī)控制器,投影方法保證是抑制同時(shí)擺動(dòng)起重機(jī)驅(qū)動(dòng)沿方向到達(dá)目的地。它比通常的fuzzy-based驅(qū)動(dòng)方法起重機(jī)抑制來(lái)回?fù)u擺。順便說(shuō)下,實(shí)現(xiàn)快速和平穩(wěn)過(guò)渡負(fù)載,驅(qū)動(dòng)電車(chē)沿著方向E和u必須遵守規(guī)則。余下的路程E u和swing水平也存在的目標(biāo)控制。因此,的目的起重機(jī)控制最小化E和u。然而,有一個(gè)電車(chē)和負(fù)載之間的軟線。控制消除E u并不是在同一表面上,和權(quán)力沒(méi)有必要將完全從電車(chē)負(fù)載。因此,一些非線性屬性將展覽。此外,通過(guò)軟線的控制也增加的非線性和復(fù)雜性。因此,非線性控制器將是更正確的選擇設(shè)計(jì)起重機(jī)控制器。這是作者選擇的主要原因fuzzy-based控制器
3 死區(qū)補(bǔ)償方法
小車(chē)起重機(jī)是一種重型機(jī)械系統(tǒng)，由直流電動(dòng)機(jī)。如果控制輸入電壓很小，直流電動(dòng)機(jī)不能驅(qū)動(dòng)小車(chē)吊機(jī)非線性摩擦，造成控制死區(qū)和降低性能。圖6顯示了死區(qū)的本文中的實(shí)際規(guī)模的起重機(jī)控制系統(tǒng)?？梢园l(fā)現(xiàn)，X軸和Y軸電機(jī)都表現(xiàn)出死區(qū)效應(yīng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的絕對(duì)值小于0.24為Y軸電機(jī)和0.1電機(jī)、小車(chē)可以阻止由于死區(qū)，降低性能。為了避免這些情況，
建議系統(tǒng)采用補(bǔ)償算法 補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)對(duì)目標(biāo)的距離足夠遠(yuǎn)，模糊控制器教派解決。 將生成足夠動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)電車(chē)。然而，當(dāng)小車(chē)接近目的地的功率會(huì)逐漸減小。當(dāng)衍生模糊功率太小時(shí)，手推車(chē) 目的地之前可以停止由于控制盲區(qū)。在這種情況下，基于模糊補(bǔ)償算法將激活累積的控制力量駕駛起重機(jī)從盲區(qū)出發(fā)。塊用補(bǔ)償算法沿圖示 在圖7.設(shè)計(jì)程序被描述為 如下。步驟1在補(bǔ)償模糊控制器，所述絕對(duì) DE的值被用來(lái)為先行詞，而額外 電力來(lái)驅(qū)動(dòng)起重機(jī)。
圖8a和b示出了 相應(yīng)的隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則示于表2中。步驟2在門(mén)的距離仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，模糊控制器將產(chǎn)生足夠的權(quán)力，
驅(qū)動(dòng)小車(chē)起重機(jī)。然而，功率將減少 當(dāng)小車(chē)接近目的地。速度因此放緩。如果的變化小車(chē)位置| DE |小于，則手推車(chē)起重機(jī)對(duì)于盲區(qū)會(huì)逐漸停止。補(bǔ)償方法激活這個(gè)時(shí)候提供額外的動(dòng)力。增加控制這有助于在目的地前的起重機(jī)停下來(lái)。補(bǔ)償原理示于以下方程組
靈活的電線與負(fù)載相連。因此，該起重機(jī)系統(tǒng)的非線性，因此增加檢驗(yàn)補(bǔ)償控制算法的能力。作者設(shè)置了起重機(jī)控制的停止準(zhǔn)則系統(tǒng)具有以下資格：距離目標(biāo)是小于0.001米，同時(shí)，擺動(dòng)角度負(fù)載小于0.5。而起重機(jī)可以停止由于控制死區(qū)補(bǔ)償算法，將激活提供額外的力量，直到停止。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
一個(gè)規(guī)模起重機(jī)模型是建立在實(shí)驗(yàn)室中證明了該方法的有效性。兩個(gè)DC施加于X軸和Y軸馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)銷(xiāo)起重機(jī)系統(tǒng)。 4個(gè)12位編碼器發(fā)送的信息本位置（包括X和Yates的坐標(biāo)）小車(chē)和負(fù)載，HXZ的擺動(dòng)角度和HYZ，到控制器。負(fù)載的重量為0.7公斤懸掛柔性金屬絲的長(zhǎng)度為1m。假設(shè)負(fù)載的目的地被設(shè)定為（1.5米，1.5米），而負(fù)載的起始位置是在（0米的位置，0米）。在實(shí)驗(yàn)中相應(yīng)的常數(shù)是KP = [10，9.85]，KI = [0，0.002]和K D = [9.6，8.65]。
圖9示出了具有僅PID的實(shí)驗(yàn)結(jié)果控制器。圖9a示出的剩余距離目標(biāo)和圖9b顯示擺動(dòng)角度HXZ和HYZ。一可以發(fā)現(xiàn)，小車(chē)驅(qū)動(dòng)快，但有嚴(yán)重的擺動(dòng)。手推車(chē)的最終位置是（1.47156米，1.50002米）和剩余的擺動(dòng)幅度為約12對(duì)于HXZ和代替shy。只用了8秒到達(dá)目標(biāo)，但揮桿無(wú)法克制好。
圖10a-b顯示用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出的方法。人們可以發(fā)現(xiàn)，車(chē)花了約5秒到目的地;在此同時(shí)，回轉(zhuǎn)角度投影法的表現(xiàn)非常出色。該剩下的擺動(dòng)幅度是0.09對(duì)于HXZ和0.02，但是，它是困難的小車(chē)在目標(biāo)精確地停止;手推車(chē)的最終位置是（1.48274米，1.49956米）。因此，對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差小車(chē)是X軸和Y軸28.44和0.02毫米，分別。這個(gè)問(wèn)題是由的摩擦引起的X軸和Y軸軌道小車(chē)。因此，如果手推車(chē)是非常接近目標(biāo)，模糊控制器將提供小功率要達(dá)到的目標(biāo)。當(dāng)電源不足以克服所述控制死區(qū)，該手推車(chē)將停止在錯(cuò)誤的地方，使得性能更差。此外，X軸的定位誤差是更糟比Y軸。這一結(jié)果控制匹配的X電機(jī)的盲區(qū)問(wèn)題比Y型電機(jī)嚴(yán)重。
圖11 a - b,提出了補(bǔ)償方法應(yīng)用于投影控制。的主要區(qū)別無(wú)花果。10和11之間的位置誤差電車(chē)。人們可以發(fā)現(xiàn)swing也克制在7或8秒;與此同時(shí),精確電車(chē)停了下來(lái)在補(bǔ)償算法后的目標(biāo)是激活。電車(chē)的最終位置(1.49967 m,1.49991米)的定位誤差只有0.33毫米
軸和0.09毫米的軸。除此之外,其余Hz搖擺幅度約為0.04和0.04
一套兩個(gè)索引比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果,位置指數(shù)其中T是最后的時(shí)間控制。對(duì)比提出的方法描述了圖12 a和b?？梢詷O大地提高發(fā)現(xiàn)死區(qū)補(bǔ)償3 d橋式吊車(chē)系統(tǒng)的控制性能。然而,通常用于橋式吊車(chē)系統(tǒng)在戶外。突然碰撞等干擾可能影響的負(fù)載控制性能。
在過(guò)去實(shí)驗(yàn)中，作者使用的額外的驅(qū)動(dòng)力，-0.5，作為負(fù)載突然碰撞。這種碰撞持續(xù)半秒后小車(chē)驅(qū)動(dòng)20?s,圖?13a — — b?所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一個(gè)可以輕松地找到那秋千成為非常嚴(yán)重負(fù)載的碰撞發(fā)生。然而，建議方法仍然可以做好它?？梢韵蝌?qū)動(dòng)小車(chē)很快就抑制擺角。與其他研究中所示的另一個(gè)實(shí)際的三維起重機(jī)控制系統(tǒng)相比，該方法節(jié)省旅行時(shí)間和提供簡(jiǎn)單技術(shù)抑制負(fù)載擺動(dòng)和很好位置錯(cuò)誤。此外，提出基于模糊控制器不需要開(kāi)小車(chē)來(lái)回要控制搖擺，這樣也可以減少負(fù)載的損害的機(jī)會(huì)。應(yīng)用設(shè)計(jì)控制器的信息也有助于簡(jiǎn)化了控制器的設(shè)計(jì)。評(píng)論有一些參數(shù)應(yīng)來(lái)決定提出的設(shè)計(jì)。
大多數(shù)的常數(shù)，在這篇文章，如通過(guò)?Mat-lab?仿真下得到?PID?參數(shù)，同樣停止準(zhǔn)則和安全約束[10]?起重機(jī)的數(shù)學(xué)模型。開(kāi)關(guān)條件和停止條件決定速度運(yùn)輸。這兩個(gè)參數(shù)可以任意設(shè)置為滿足不同的控制要求?；旧?，F(xiàn)LC?的隸屬度函數(shù)可以選擇同樣是分布的動(dòng)態(tài)范圍。但是，我們注重起重機(jī)控制附近的目標(biāo)。這就是為什么隸屬度函數(shù)相近，接近于零。
5 結(jié)論
提出了一種簡(jiǎn)單而有效的方法來(lái)控制三維起重機(jī)系統(tǒng)。這種方法是基于位置誤差和偏轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)起重機(jī)的投影控制器。沒(méi)有復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)方程起重機(jī)必須考慮在控制器設(shè)計(jì)。作者還設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)償死區(qū)補(bǔ)償算法,提高性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出的方法可以大大抑制搖擺不暴露業(yè)績(jī)快速移動(dòng);
致 謝
這項(xiàng)工作是由下格蘭特NSC-94-2213-E-民國(guó)中國(guó)的國(guó)家科學(xué)委員會(huì)支持
231-020。
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