脉冲输入下基于输入整形法的起重机防摇摆方法
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设计与应用
计 算 机 测 量 与 控 制 ．２０１８．２６（１０） 犆狅犿狆狌狋犲狉 犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋 牔 犆狅狀狋狉狅犾
· ２３５ ·
文章编号：１６７１ ４５９８（２０１８）１０ ０２３５ ０５ ＤＯＩ：１０．１６５２６／ｊ．ｃｎｋｉ．１１－４７６２／ｔｐ．２０１８．１０．０５１ 中图分类号：ＴＨ２１３ 文献标识码：Ａ
关键词：起重机；防摇控制系统；输入整形法
犆狉犪狀犲犃狀狋犻犛狑犻狀犵 犕犲狋犺狅犱犅犪狊犲犱狅狀犐狀狆狌狋犛犺犪狆犻狀犵狑犻狋犺犘狌犾狊犲犐狀狆狌狋
ＤｕＰｅｎｇ，Ｎｉｕ Ｗａｎｇｑｉａｎｇ，ＣｈｅｎＣｈａｏ
（ＭｉｎｉｓｔｅｒｉａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭａｒｉｎｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１３０６，Ｃｈｉｎａ）
犓犲狔狑狅狉犱狊：ｃｒａｎｅ；ａｎｔｉ－ｓｗｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ；ｉｎｐｕｔｓｈａｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄ
０ 引 言
随着自动化港口的不断建设和船运业的飞速发展，对 于起重机的装卸效率的要求也越来越高。在起重机运送货 物的过程中，起重机的加减速，风的阻力和负载自身升降 都会让 吊 重 产 生 摇 摆 ， ［１］ 使 货 物 无 法 及 时 到 达 指 定 位 置， 这直接影响了起重机的装卸效率。目前，大部分的吊车由 人工操作，负载的摇摆和起重机的运行也由司机手动控制， 运输的工作效率依赖司机的操作水平，也与码头自动化的 趋势相反。所以为了输送效率的提高及码头作业安全，起 重机自动防 摇 摆 控 制 是 十 分 必 要 的 。 ［２］ 解 决 吊 重 的 防 摇 摆 问题对物流运输行业 的 ［３］ 发展具有积极的意义 。 ［４］
防摇控制法。其中，电子式防摇控制法又分为开环防摇控 制和闭环防 摇 控 制。 其 区 别 在 于 开 环 控 ［６］ 制 指 控 制 系 统 中 没用使用反 馈 环 节 来 控 制 摆 角； 闭 环 控 制 指 ［７］ 控 制 系 统 中 含有传感器来测量起重机的摆角，通过反馈环节控制吊重 摇摆的方法 。 ［８］
国内外相关行业和学者已经对防摇控制做了大量的研 究，提出 了 许 多 方 法。 按 照 控 制 系 统 的 不 同 进 行 分 类 ， ［５］ 可将防摇控制方法分为两类：机械式防摇控制法和电子式
收 稿 日 期 ：２０１８ ０３ １３； 修 回 日 期 ：２０１８ ０３ ２８。 基 金 项 目 ：工 信 部 高 技 术 船 舶 科 研 项 目［２０１６］２６号 。 作 者 简 介 ：杜 秡（１９９４ ），女 ，上 海 市 人 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事起重机电子防摇方向的研究。 牛 王 强（１９７７ ），男 ，陕 西 省 大 荔 县 人 ，副 教 授 ，硕 士 研 究 生 导 师 ，主 要 从 事 混 合 动 力 船 舶 电 力 推 进 技 术 无 线 电 能 传 输 技 术 方 向 的 研究。
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｃｒａｎｅｓｈａｖｅａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｓｗｉｎｇｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｉｍ ｐｒｏｖｅｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｐｒｏｐｏｓｅａｃｒａｎｅａｎｔｉ－ｓｗｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ａｔ ｆｉｒｓｔ，ｗｅｂｕｉｌｔａｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆｃｒａｎｅｌｏａｄｓｗｉｎｇ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｓｅｒｉｅｓｏｆｃｒａｎｅａｎｔｉ－ｓｗｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｉｎｐｕｔｓｈａ ｐｉｎｇｗｉｔｈｐｕｌｓｅｉｎｐｕｔ．Ｗｅｓｕｐｅｒｐｏｓｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｍｐｌｉｔｕｄｅｉｍｐｕｌｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｓｗｉｎｇａｎｇｌｅｒｅｔｕｒｎｅｄｔｏｚｅｒｏｉｎ １／２，２／３，３／４，… … ，（ｎ－１）／ｎｐｅｒｉｏｄｏｆｓｙｓｔｅｍｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ，ｗｈｅｎｔｈｅｉｎｐｕｔｗａｓｔｗｏ，ｔｈｒｅｅ，ｆｏｕｒ，…ｎｉｍｐｕｌｓｅｓ．Ｔｈｕｓ，ｗｅｃａｎ ｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｃｒａｎｅｌｏａｄｂａｓｅｄｏｎＰＯＳＩＣＡＳＴｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅｕｓｅｄ Ｍａｔｌａｂａｓｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍａｎｄｓｅｔｕｐ ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆａｎｔｉ－ｓｗｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｏｆｏｖｅｒｈｅａｄｃｒａｎｅｓ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｈａｐｅｒｃａｎｅｆｆｅｃ ｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｒｅｓｉｄｕａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｏｆｃｒａｎｅｓ．
脉冲输入下基于输入整形法的起重机防摇摆方法
杜 ，牛王强，陈 超
（上海海事大学 航运技术与控制工程交通部重点实验在工业生产中有着广泛的应用，在其装卸货物的过程中，吊重产生的摇摆，会影响码头的安全性及运输效率； 所以提出了一种适合工业环境，成本最优，摆角回零时间最优的起重机防摇摆的方法；首先，建立了吊重的动力学模型，经过分 析加速度输入和摆角输出后，提出了脉冲加速度输入下一族基于输入整形法的起重机防摇方法；在不同时刻，让不同幅值的脉冲 响应 进 行 叠 加 ，当 输 入 为 二 脉 冲 ，三 脉 冲 ，四 脉 冲 ，… … ，狀 脉 冲 时 ，摆 角 输 出 能 在１／２，２／３，３／４，… … ，（狀－１）／狀 个 系 统 震 荡 周 期 内 回 到 零 ；最 后 ，以 Ｍａｔｌａｂ为 仿 真 平 台 ，对 该 方 法 进 行 仿 真 ，仿 真 结 果 表 明 ，此 控 制 方 法 具 有 良 好 防 摇 的 效 果 。
计 算 机 测 量 与 控 制 ．２０１８．２６（１０） 犆狅犿狆狌狋犲狉 犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋 牔 犆狅狀狋狉狅犾
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文章编号：１６７１ ４５９８（２０１８）１０ ０２３５ ０５ ＤＯＩ：１０．１６５２６／ｊ．ｃｎｋｉ．１１－４７６２／ｔｐ．２０１８．１０．０５１ 中图分类号：ＴＨ２１３ 文献标识码：Ａ
关键词：起重机；防摇控制系统；输入整形法
犆狉犪狀犲犃狀狋犻犛狑犻狀犵 犕犲狋犺狅犱犅犪狊犲犱狅狀犐狀狆狌狋犛犺犪狆犻狀犵狑犻狋犺犘狌犾狊犲犐狀狆狌狋
ＤｕＰｅｎｇ，Ｎｉｕ Ｗａｎｇｑｉａｎｇ，ＣｈｅｎＣｈａｏ
（ＭｉｎｉｓｔｅｒｉａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭａｒｉｎｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１３０６，Ｃｈｉｎａ）
犓犲狔狑狅狉犱狊：ｃｒａｎｅ；ａｎｔｉ－ｓｗｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ；ｉｎｐｕｔｓｈａｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄ
０ 引 言
随着自动化港口的不断建设和船运业的飞速发展，对 于起重机的装卸效率的要求也越来越高。在起重机运送货 物的过程中，起重机的加减速，风的阻力和负载自身升降 都会让 吊 重 产 生 摇 摆 ， ［１］ 使 货 物 无 法 及 时 到 达 指 定 位 置， 这直接影响了起重机的装卸效率。目前，大部分的吊车由 人工操作，负载的摇摆和起重机的运行也由司机手动控制， 运输的工作效率依赖司机的操作水平，也与码头自动化的 趋势相反。所以为了输送效率的提高及码头作业安全，起 重机自动防 摇 摆 控 制 是 十 分 必 要 的 。 ［２］ 解 决 吊 重 的 防 摇 摆 问题对物流运输行业 的 ［３］ 发展具有积极的意义 。 ［４］
防摇控制法。其中，电子式防摇控制法又分为开环防摇控 制和闭环防 摇 控 制。 其 区 别 在 于 开 环 控 ［６］ 制 指 控 制 系 统 中 没用使用反 馈 环 节 来 控 制 摆 角； 闭 环 控 制 指 ［７］ 控 制 系 统 中 含有传感器来测量起重机的摆角，通过反馈环节控制吊重 摇摆的方法 。 ［８］
国内外相关行业和学者已经对防摇控制做了大量的研 究，提出 了 许 多 方 法。 按 照 控 制 系 统 的 不 同 进 行 分 类 ， ［５］ 可将防摇控制方法分为两类：机械式防摇控制法和电子式
收 稿 日 期 ：２０１８ ０３ １３； 修 回 日 期 ：２０１８ ０３ ２８。 基 金 项 目 ：工 信 部 高 技 术 船 舶 科 研 项 目［２０１６］２６号 。 作 者 简 介 ：杜 秡（１９９４ ），女 ，上 海 市 人 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事起重机电子防摇方向的研究。 牛 王 强（１９７７ ），男 ，陕 西 省 大 荔 县 人 ，副 教 授 ，硕 士 研 究 生 导 师 ，主 要 从 事 混 合 动 力 船 舶 电 力 推 进 技 术 无 线 电 能 传 输 技 术 方 向 的 研究。
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｃｒａｎｅｓｈａｖｅａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｓｗｉｎｇｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｉｍ ｐｒｏｖｅｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｐｒｏｐｏｓｅａｃｒａｎｅａｎｔｉ－ｓｗｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ａｔ ｆｉｒｓｔ，ｗｅｂｕｉｌｔａｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆｃｒａｎｅｌｏａｄｓｗｉｎｇ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｓｅｒｉｅｓｏｆｃｒａｎｅａｎｔｉ－ｓｗｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｉｎｐｕｔｓｈａ ｐｉｎｇｗｉｔｈｐｕｌｓｅｉｎｐｕｔ．Ｗｅｓｕｐｅｒｐｏｓｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｍｐｌｉｔｕｄｅｉｍｐｕｌｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｓｗｉｎｇａｎｇｌｅｒｅｔｕｒｎｅｄｔｏｚｅｒｏｉｎ １／２，２／３，３／４，… … ，（ｎ－１）／ｎｐｅｒｉｏｄｏｆｓｙｓｔｅｍｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ，ｗｈｅｎｔｈｅｉｎｐｕｔｗａｓｔｗｏ，ｔｈｒｅｅ，ｆｏｕｒ，…ｎｉｍｐｕｌｓｅｓ．Ｔｈｕｓ，ｗｅｃａｎ ｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｃｒａｎｅｌｏａｄｂａｓｅｄｏｎＰＯＳＩＣＡＳＴｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅｕｓｅｄ Ｍａｔｌａｂａｓｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍａｎｄｓｅｔｕｐ ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆａｎｔｉ－ｓｗｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｏｆｏｖｅｒｈｅａｄｃｒａｎｅｓ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｈａｐｅｒｃａｎｅｆｆｅｃ ｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｒｅｓｉｄｕａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｏｆｃｒａｎｅｓ．
脉冲输入下基于输入整形法的起重机防摇摆方法
杜 ，牛王强，陈 超
（上海海事大学 航运技术与控制工程交通部重点实验在工业生产中有着广泛的应用，在其装卸货物的过程中，吊重产生的摇摆，会影响码头的安全性及运输效率； 所以提出了一种适合工业环境，成本最优，摆角回零时间最优的起重机防摇摆的方法；首先，建立了吊重的动力学模型，经过分 析加速度输入和摆角输出后，提出了脉冲加速度输入下一族基于输入整形法的起重机防摇方法；在不同时刻，让不同幅值的脉冲 响应 进 行 叠 加 ，当 输 入 为 二 脉 冲 ，三 脉 冲 ，四 脉 冲 ，… … ，狀 脉 冲 时 ，摆 角 输 出 能 在１／２，２／３，３／４，… … ，（狀－１）／狀 个 系 统 震 荡 周 期 内 回 到 零 ；最 后 ，以 Ｍａｔｌａｂ为 仿 真 平 台 ，对 该 方 法 进 行 仿 真 ，仿 真 结 果 表 明 ，此 控 制 方 法 具 有 良 好 防 摇 的 效 果 。