桥式行车防摇摆控制系统
桥式起重机制动阶段防摇控制方案研究
No. 1Feb.第1期（总第224期）2021年2月机 械 工 程 与 自 动 化MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION 文章编号= 1672-6413（2021）01-0007-03桥式起重机制动阶段防摇控制方案研究**工信部2017年“智能制造综合标准化与新模式应用项目”收稿日期：2020-09-21；修订日期：2021-01-04作者简介：周奇才（1962-）,男，江苏宜兴人，教授，博士，博士生导师，主要研究方向：机械装备故障诊断与预测以及物流装备。
周奇才，张蕴，熊肖磊，赵炯（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）摘要：针对由PLC 及变频器驱动的桥机系统加入防摇算法后在制动阶段防摇效果不明显的问题，从制动阶段计算速度曲线出发，分析了反向超调对制动阶段防摇效果的影响，提出了改变控制主导参数、分段减速制动、去除反向超调制动三种方法，在MATLAB 及实际桥机中对三种方法进行了仿真及试验，结果表明去除反向超调制动方法能有效提高桥机在制动阶段的防摇效果。
关键词：桥式起重机；防摇控制系统；制动阶段中图分类号：TP273：TH215 文献标识码：A0引言桥式起重机是物料搬运中使用范围最广、数量最 多的起重机械设备，广泛应用于港口装卸、工业生产及 设备安装等作业场合。
桥式起重机主要结构包括驱动 装置、卷扬装置、吊钩及行走机构等，卷扬装置通过柔 性连接与吊钩相连，行走机构的加、减速过程会导致吊 重摆动，对生产效率影响很大。
目前桥机防摇方法研究主要是基于现代及智能控 制理论展开的，如:Wang X 基于前馈控制设计了零振 动（ZV ）、零振动和微分（ZVD ）、超灵敏（EI ）三种输入 整形控制器⑴；Ermidoro M 提出了用定阶增益调度控 制来减少摆长改变对吊重摆动影响的方法;刘宏博 基于批次控制和模糊控制进行了防摇仿真设计［］； FrikhaS 将神经网络与滑模控制结合设计了神经与补 偿防摇控制器4。
防摇摆控制
1. 变频行车性能优越，节能，是发展趋势。起重机防 摇技术一定会得到推广应用。不久的将来每个人都 会说：起重机防摇，那是必须的！ 2. 新技术的推广重在宣传和引导。市场和客户还不了 解新技术带来的好处，新技术也不可能一下子完全 成熟，推广新技术是个艰巨的工作。 3. 促销建议：把“标准防摇控制”定为卫华变频桥机 的标准配置。 4. 制定促销措施，避免业务员不合理加价。
视频3分钟
防摇摆自动定位电气控制系统
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精确防摇摆，精确自动定位
PLC 常规操作 电控电路 系统概要： 双钩，全变频 手动操作防摇摆 自动定位防摇摆
通信总线
主升 变频器 主升 编码器
副升 变频器 副升 编码器
小车 变频器 小车 编码器
大车 变频器 大车 编码器
主升电机
副升电机
使需要起重机设备的各种生产工艺过程实现高度自动化成 为可能
额外好处：
减少起重机的点动操作，延长起重机的使用寿命
提高起重机安全运行速度，因而进一步提高生产效率 易于掌握和操作，减少对操作员工的培训时间，减少操 作员工的工作劳动强度
起重机防摇摆控制：基本方案分二两类
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闭环控制：测量载荷摇摆角度，反馈控制，复杂，很贵， 市场推广困难。
行车防摇摆原理
行车防摇摆原理行车防摇摆原理摇摆是指车辆在高速行驶时产生的左右晃动现象，这不仅会影响行车的稳定性和驾驶舒适度，还可能引发危险的交通事故。
为了解决这一问题，车辆配备了行车防摇摆系统。
本文将深入探讨行车防摇摆的原理，并分享一些对这个系统的观点和理解。
一、基本原理1. 扭转刚度：车辆的扭转刚度指车辆抵抗横向力矩的能力，也可以理解为车辆扭转时所需的力矩。
提高车辆的扭转刚度可以有效减小行车时的摇摆现象。
2. 悬挂系统：悬挂系统是车辆行驶过程中起到缓冲和吸收震动的重要组成部分。
通过合理的悬挂系统设计，可以减小车辆在高速行驶时的晃动。
3. 轮胎特性：轮胎是车辆与道路之间的唯一接触点，其特性对行车防摇摆起着重要的作用。
优质的轮胎能够提供更好的抓地力和稳定性，从而减小摇摆的发生。
二、行车防摇摆系统行车防摇摆系统是一种电子稳定控制系统，通过传感器实时监测车辆的动态参数，并根据预设算法进行相应的调整，以保持车辆在行驶过程中的稳定性。
1. 车身姿态感知：通过重力加速度传感器、陀螺仪、转角传感器等感知车辆的姿态，包括横摆角速度、横向加速度等。
这些参数可以帮助系统判断车辆是否出现摇摆现象。
2. 算法控制：行车防摇摆系统内部有一套复杂的算法，通过实时处理感知到的数据，计算出相应的控制信号，以实现对车辆的稳定控制。
这些算法包括了车辆动力学模型、控制器设计等多方面内容。
3. 刹车干预：在感知到车辆摇摆时，行车防摇摆系统会自动对车辆进行刹车干预，以减小车辆的摇摆幅度。
通过对车轮进行独立的制动，系统可以实现对车辆左右侧不同的制动力，从而使车辆重新恢复稳定。
三、观点和理解对于行车防摇摆系统，我持有以下观点和理解：1. 安全性增强：行车防摇摆系统的存在使车辆在高速行驶时更为稳定，大大提高了行车的安全性。
它可以帮助驾驶员在不稳定的路况下保持控制，减少事故的发生。
2. 舒适性改善：行车防摇摆系统可以减小车辆的摇摆现象，在行车过程中提供更加平稳的驾驶体验，提高驾驶的舒适性。
防摇摆控制
起始状态： 小车速度 vc=V 小车
vc=V/2
vc=V/2
载荷 起始状态： 载荷速度 vm=V vm=V 最大摆角时 vm=V/2 v2=0 v2=0
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防摇控制（开环）基本方法：控制大小车速度
还有其他各种控制小车速度的方法来防摇，例如：
小车： vc=0 加速 vc=V 匀速 vc=V 减速 vc=0 停止 vc=0 加速 vc=V 匀速
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打过一次交道 便是永远朋友
起重机防摇摆及
防摇摆自动定位控制系统
河南卫华重型机械股份有限公司 龚志明
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每台起重机都有载荷摇摆问题！
集装箱起重机的防摇定位
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每台起重机都有载荷摇摆问题！
车间的各种行车的防摇定位
河南卫华 龚志明
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起重机防摇摆控制：一点发展历史
视频3分钟
防摇摆自动定位电气控制系统
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精确防摇摆，精确自动定位
PLC 常规操作 电控电路 系统概要： 双钩，全变频 手动操作防摇摆 自动定位防摇摆
通信总线
主升 变频器 主升 编码器
副升 变频器 副升 编码器
小车 变频器 小车 编码器
大车 变频器 大车 编码器
主升电机
副升电机
摇摆即振动，减摇即减振。机器的减振问题是个 已经研究了几十年，甚至几百年的大课题。
最早的起重机防摇摆控制系统: 90年代, 美国麻省理工学院为 美国能源部国家实验室核反应 堆实验装置的遥控核起重机研 制安装了防摇摆控制系统。
起重机防摇摆控制：一点发展历史
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开发防摇摆技术的公司主要有：
基于自适应方法的桥式吊车的防摇定位控制器的设计
１ 负 载 和 小 车 的连 接 通 过 轻 质 （ 量 可 以忽 略 ） 刚性 （ 可 ） 质 ， 不 伸长 ） 吊绳 连 接 。 负 载重 心 处 于 几 何 中 心位 置 。 ２ 负 载 的 摆 角 和 速 度 是 可 测 的 ， 车 的 位 置 和 速 度 也 是 可 ） 小
测 的。
其 中 ， 、 分 别 是 小 车 和 负 载 的 质 量 ，是 吊 绳 的 长 度 ， 、 ｍｃｍ． ｌ Ｘ ０分 别 表 示 小 车 的 位 置 和 吊 绳 与 竖 直 方 向 的夹 角 。 它们 是 系 统
的变 量 。 Ｍ（ 是 正 定 对 称 矩 阵 。 ｑ） 从 式 （ ） 以推 导 出 ： ２可
方 法 。 该 方法 不 需 要 事 先 知 道 桥 吊 的 精 确 的 数 学 模 型 的 参 数 信
息 ， 有 控 制 器 结 构 简单 ， 制 算 法 计 算 量 小 ， 易实 现 的 特点 。 具 控 容
文 中通 过 仿 真 实验 证 实 了该 方 法 的 有效 性 。
１ 系统 动 态 方 程和 自适 应 控 制 器 的设 计 １１ 系 统 的 动 态方 程 ．
在工程实际中， 桥式 吊车 的系 统 参 数 是 会 发 生 变 化 ， 式 吊车 的 桥 精 确 数 学模 型不 容 易 得 到 。 因此 ， 献 ［ ］ 文 ４ 针对 桥式 吊车 的 防遥
嬲 ５
图 １ 桥 式 吊 车 的 二维 模 型
假 设 动 态 模 型 有 以下 特性 ：
定 位 控 制 问 题 ， 于 李 亚普 诺 夫 函数 提 出 了一 种 非 线 性 控 制 器 ， 基 采 用 改 进 的 滑模 面控 制 方 法 用来 实现 小 车 的 定 位控 制 。 献 ［ ］ 文 ５ 采 用 分 级 滑 模控 制方 法 实 现 了 小 车 的 快 速 定 位 与 负 载 摆 动 的 有 效 抑 制 ， 时也 提 高 了系 统 的鲁 棒 性 。文 献 ［ ］ 用 自适 应 模 糊 同 ６采 控 制 方 法 实 现 了小 车 的快 速 定 位 与 负 载 摆 动 的 有 效 抑 制 ，同 时 也 提 高 了系 统 的 鲁棒 性 。 献 ［ ］ 计 了 一 种 目标 轨 迹 自适 应 控 文 ７设 制 器 ，把 三 维 桥式 吊 车 的系 统 镇 定 问 题 转 化 为 目标 轨 迹 的 跟 踪 控 制 问题 ， 有 良好 的控 制性 能 和 对 不 确定 性 因素 的适 应 性 。 具 类 似 的工 作 还 有 文 献 ［ — ０ ， 些 研 究 工 作 虽 然 都 不 依 赖 于 精 确 ８ １ ］这 的桥 吊数 学 模 型 ， 是 它们 的控 制 器 设 计 和 分析 较 为 复 杂 。 但 本 文 针 对 桥 吊防摇 定 位 控 制 问 题 ，提 出 了 一 种 自适 应 控 制
桥式起重机定位防摆改进型自抗扰控制
第3期肖友刚等:桥式起重机定位防摆改进型自抗扰控制575速直至精确停车.负载通过柔性缆绳和台车相连,依靠台车移动将负载搬运到目标位置,台车启停、参数变化、外界干扰,均会使负载摆动,因此起重机控制系统需兼具定位和防摆双重功能.针对以上问题,不少学者提出了解决方案.其中输入整形法[4–5]在起重机控制中得到了普遍应用,但输入整形须同参考信号相卷积,往往还另需设计参考输入轨迹.由于台车的起点位置默认为零,因此目标点的距离为初始位置偏差,当作业距离较长时,若不能对目标值进行平滑处理,将导致初始控制量很大,甚至难以控制.解决的办法为事先规划一条先加速、再匀速、后减速的速度轨迹.文献[6]构造了七段式加速度时间最优轨迹,并在衔接点采用光滑函数进行过渡,但这种方法增加了曲线衔接点的个数,使曲线表达式复杂,时间规划困难.文献[7]采用区间模型描述不确定性,提出一种基于Chebyshev代理模型法的双摆吊车不确定性轨迹规划求解方法,但过程复杂,技术要求高.文献[8]设计了全程光滑连续的多项式轨迹,并可保证各状态指标在约束范围内,但其速度轨迹缺乏匀速段,因而效率较低.文献[9]采用两段余弦函数构造了包含加速、匀速、减速的运动轨迹,但其加速度轨迹在初始阶段存在较大突变,会对电机产生较大冲击.因此如何设计结构简单且光滑连续,并有利于台车平稳运行的参考轨迹是问题的关键.闭环控制法因其具有更好的鲁棒性得到了不少学者的青睐.文献[10]将单位整形器和自适应反馈控制相结合,设计了变绳长和外部扰动下桥式起重机消摆控制器,并采用粒子群算法优化控制器参数.文献[11]对起重机系统模型进行线性化处理后,设计了线性二次型调节器(linear quadratic regulator,LQR)防摆控制器.文献[12]基于系统无源性分析的角度,设计了使系统能量耗散的非线性控制器,抑制了负载的残余摆动.文献[13]通过引入新颖复合信号增强了台车与负载间的耦合关系,设计了欠驱动吊车非线性防摆控制器.文献[14]采用滑模控制器,克服了起重机模型参数不确定性和外界干扰的影响.文献[15]提出了一种自适应分级滑模控制策略,并用神经网络优化控制参数,使其在系统参数不确定情况下具有较好鲁棒性.文献[16]考虑系统不确定及执行器死区影响,构造了有限时间收敛曲面,克服了多输入多输出系统滑模面分析的主要障碍,并通过在双摆起重机及塔式起重机的应用证明其有效性和鲁棒性.为克服海浪干扰下船吊系统的负载摆动,文献[17]利用神经网络逼近船吊系统的不确定动态,结合滑模控制设计了一种复合非线性控制器.文献[18]在不对模型进行任何线性化处理的前提下,提出了一种包含积分环节和执行器约束的非线性准PID控制器,使双摆桥式吊车在包含未建模动态、执行器约束和大摆角的情况下,运行性能较好.文献[19]为抑制旋转起重机的摆动,提出一种含有非线性滑模面的滑模控制算法.文献[20]利用滑模控制构造控制框架,利用PD控制使系统稳定,构造了双摆桥式吊车耦合增强型PD滑模控制.以上闭环控制法大都采用调节控制,并未设计参考运动轨迹,导致台车长距离运输时控制失效,而事先规划一条平滑的S型轨迹引导台车运动,并与闭环控制相结合,可使台车运动更加平稳.此外,现有方法大都假设初始条件为零,而实际起重机搬运大件物体时,物体重心难以控制在吊钩正下方,导致起吊时产生大初始摆角.又由于系统不可避免存在难以建模的不确定动态及环境风等外部随机扰动的影响,极大地增加了消摆定位的控制难度.因此,需设计一种复合控制器,既能进行台车轨迹规划,又能最大程度抑制启停、大初始摆角及外界干扰下的负载摆动问题.自抗扰控制(active disturbance rejection control, ADRC)把作用于被控对象的未建模动态、系统时变参数及外部干扰等都归结为未知“总扰动”,并利用扩张状态观测器(extended state observer,ESO)进行实时估计并给予补偿,具有可安排过渡过程、参数适应范围大、不依赖系统模型且能够抵抗系统内外扰动的优点[21–22].由于ADRC良好的抗扰性和鲁棒性,在处理起重机系统的非线性、未建模动态和外界干扰等问题优势明显;同时其安排过渡过程的思想,对减少负载摆动幅值、台车跟踪误差,大有裨益.因此,ADRC适合作为起重机防摇摆系统的控制器,且研究者们已将ADRC成功运用于桥式起重机[23]、塔式起重机[24–25]、环形吊车[26]等起重设备控制之中.然而,这些研究中的起重机大都采用ADRC的标准形式进行控制,对长距离输运的起重机控制效果并不理想.目前,工业应用上主要使用结构简单的线性自抗扰控制器(linear ADRC,LADRC).LADRC通常由线性跟踪微分器(li-near tracking differentiator,LTD)、线性扩张状态观测器(linear ESO,LESO)和误差反馈控制律等所组成.其中LTD可为输入信号安排平滑的过渡过程,但在参数不变情况下,LTD调节时间恒定,导致其跟踪速度会随着距离的增大而增大,这显然与起重机包含加速、匀速、减速3个阶段的运动特点不符;LESO在观测大初始摆角时,在初始时刻易出现微分峰值现象;经典误差控制律也无法解决大干扰下执行器易饱和的问题.本文在经典LADRC的基础上,选用两段具有饱和特性的S型Sigmoid函数对LTD进行改进,使其与包含加速、匀速、减速阶段的起重机运动特性良好吻合;利用Sigmoid函数构造了增益时变ESO,解决了大初始摆角下ESO估计易出现微分峰值的问题;利用tanh函数的饱和特性对线性反馈控制律进行了改进,解决了大干扰环境下控制量饱和问题;最后综合形成了改进型自抗扰控制器(modified active disturbance rejection576控制理论与应用第40卷control,MADRC),并通过Lyapunov 法证明了控制系统的稳定性.仿真及实物实验表明,本文的改进策略,可解决严重外界干扰下桥式起重机长距离消摆定位问题.2起重机系统分析桥式起重机结构图如图1所示,根据文献[1–3]中桥式起重机的动力学模型,并考虑台车摩擦力及外部扰动对台车位移及负载摆动的影响,将其动力学模型修正为(M +m )¨x +ml ¨θcos θ−ml ˙θ2sin θ=F −F r +d 1,(1)ml 2¨θ+ml ¨x cos θ+ml g sin θ=d 2,(2)其中:M,m 分别为台车质量和负载质量;x 为台车位移;θ为负载摆角;l 为吊绳长度;g 为重力加速度;F 为台车驱动力;F r =f r tanh(˙x µx)−k r |˙x |˙x 表示摩擦力;f r ,µx ,k r 为与摩擦力相关系数;d 1和d 2分别表示台车及负载受到的外部扰动.䖖图1桥式起重机系统示意图Fig.1Schematic illustration of bridge crane system式(1)–(2)可以看出,台车位移和负载摆动交叉耦合,其任何一个量的动态变化都不可避免地会对另一个量造成干扰,导致系统性能降低,因此须采取措施消除彼此间的影响.式(1)–(2)可等效为如下状态方程:¨x =g 1+b 1(F −F r )+f 1,(3)¨θ=g 2+b 2(F −F r )+f 2,(4)式中:g 1=m g cos θsin θ+ml ˙θ2sin θM +m sin 2θ,g 2=−(M +m )g sin θ+ml ˙θ2cos θsin θl (M +m sin 2θ),由于台车质量M 是确定的,负载质量m 可以通过称重传感器测得,吊绳长度及负载摆角的实时值可以通过编码器和精密电位器测得,因此g 1和g 2可视为位移和摆角回路的已知动态,不再对其进行观测,以减轻扩张状态观测器的负担.f 1和f 2分别为位移和摆角回路中包含未知干扰d 1和d 2的不确定动态,f 1=d 2m cos θ−d 1M +m sin 2θ,f 2=−d 2l −(d 2m cos θ−d 1)cos θl (M +m sin 2θ),b 1和b 2分别表示位移和摆角回路的控制量增益,b 1=1M +m sin 2θ,b 2=−cos θl (M +m sin 2θ).由于桥式起重机中只有一个输入力作为控制量,却需同时控制台车位移和负载摆角,因此不妨将控制量拆分为位移控制量u 1和摆角控制量u 2,并加入摩擦力的估计值¯Fr ,即F =[1,1][u 1u 2]+¯F r ,(5)则式(3)–(4)转化为¨x =g 1+f 1+b 1(¯Fr −F r )+b 1(u 1+u 2),(6)¨θ=g 2+f 2+b 1(¯F r −F r )+b 2(u 1+u 2).(7)设计控制系统的目的是使得台车精准到达目标位置x d ,且实时消摆,在后续内容中将设计一种改进型自抗扰控制器实现该目标.3控制器设计3.1线性跟踪微分器的改进跟踪微分器作为自抗扰控制器的重要组成部分,不仅具有提取微分信号的功能,也可为跟踪信号安排一过渡过程,以解决阶跃响应快速性与超调的矛盾.经典线性跟踪微分器LTD [27]如式(8)所示:˙v 1=v 2,˙v 2=−r 2(v 1−x d )−2rv 2,(8)式中:r 为调节跟踪快慢的参数;v 1,v 2为LTD 的输出状态变量,分别表示参考输入信号x d 的跟踪值及跟踪速度.当参考输入信号x d 增大,LTD 的调节时间维持不变,势必提高台车跟踪速度,这将导致控制量显著增大,因而不适合作为起重机长距离运输的解决方案.起重机搬运负载的距离通常长达数十米,包含加速段、匀速段、减速段,不合理加、减速运动易引起负载大幅摆动.为满足台车启动平滑及平稳精准停车的要求,台车速度轨迹在初始和结束段应为可按需调整形状的S 型曲线,且中间段应保持匀速.为避免曲线在加速、匀速、减速段的衔接点出现断点,构造能够保证3个阶段高阶连续并可按需调整的函数是关键.Sig-moid 函数广泛地用作神经网络的激励函数,具有光滑性、单调性、饱和性等特征,其表达式为第3期肖友刚等:桥式起重机定位防摆改进型自抗扰控制577sig(x )=1(1+e −x ).(9)对Sigmoid 函数作简单变换,使其变化范围为(−1,1),并引入指数因子q 调节函数的近似线性区间范围sig(q,x )=2(11+e −qx−0.5).(10)基于以上思路,利用两段Sigmoid 函数,构造衔接点在匀速段、高阶连续光滑的非对称S 型速度曲线f (v 1,x d )=−2k d r sig(r 1,v 1+ε),v 1x d 2,2k d r sig(r 2,v 1−x d ),x d 2<v 1 x d ,(11)式中:k d ∈R +可调节速度上限;r 1,r 2∈R +分别为加速和减速调节因子,可调节加、减速阶段的快慢程度;ε是为保证初始加速度而引入的很小正数.利用f (v 1,x d )对LTD 进行改造,可生成基于Sigmoid 函数的新型跟踪微分器(Sigmoid TD,STD)˙v 1=v 2,˙v 2=−r 2f (v 1,x d )−2rv 2.(12)接下来证明STD 满足Lyapunov 渐近稳定条件,即lim t →∞v 1(t )=x d ,lim t →∞v 2(t )=0.(13)构造如下函数:V (v 1,v 2)=r 2( v 10f (ζ,x d )d ζ+2k d x d r )+12v 22,(14)由于f (v 1,x d )的值域为[−2k d r ,2k dr],且v 1 x d ,根据定积分性质可知V (v 1,v 2) 0.对V (v 1,v 2)求导,可得˙V (v 1,v 2)=v 2r 2f (v 1,x d )+v 2˙v 2=v 2r 2f (v 1,x d )−r 2v 2f (v 1,s d )−2rv 22=−2rv 22 0,(15)因此,STD 是Lyapunov 意义下稳定的.定义集合Γ为包含所有满足˙V(v 1,v 2)=0的点,由式(15)可知v 2=0,相应的有˙v 2=0,综合式(11)–(12),根据LaSalle 不变集定理,可推知当t →∞时,v 1→x d ,v 2→0.3.2改进型ESO 的设计式(6)–(7)中的f 1,f 2结构复杂,且包含未建模信息及随机扰动.另外上文虽已将控制量进行了拆分,但每个回路仍包含另一个回路的控制量.为解决上述问题,采用ESO 对包含摩擦力估计误差的扰动进行观测,并将另一个回路的控制量也视为该回路的扰动予以估计,从而实现两回路的解耦.综上,式(6)–(7)可重新表示为¨x =g 1+R 1+b 1u 1,(16)¨θ=g 2+R 2+b 2u 2,(17)式中:R 1=f 1+b 1(¯Fr −F r +u 2),R 2=f 2+b 2(u 1+¯Fr −F r )分别为各自回路需进行估计的总扰动.令x 1=x,x 2=˙x,x 3=R 1,θ1=θ,θ2=˙θ,θ3=R 2,则式(16)–(17)可表示为˙x 1=x 2,˙x 2=g 1+x 3+b 1u 1,(18)˙θ1=θ2,˙θ2=g 2+θ3+b 2u 2.(19)对位移回路设计如下包含模型辅助信息的扩张状态观测器LESO1:e x 1=z x 1−x 1,˙z x 1=z x 2+βx 1e x 1,˙z x 2=z x 3+βx 2e x 1+g 1+b 1u 1,˙z x 3=βx 3e x 1,(20)式中:z x 1,z x 2,z x 3分别为信号x,˙x,R 1的状态估计;βx 1,βx 2,βx 3为LESO1的增益.同理可对摆角回路设计扩张状态观测器LESO2e θ1=z θ1−θ1,˙z θ1=z θ2+βθ1e θ1,˙z θ2=z x 3+βθ2e θ1+g 2+b 2u 2,˙z θ3=βθ3e θ1,(21)式中:z θ1,z θ2,z θ3分别为信号θ,˙θ,R 2的状态估计;βθ1,βθ2,βθ3为LESO2的增益.为简化调参,将LESO1,LESO2的观测器增益分别配置在带宽ωox ,ωoθ上,则βx 1=3ωox ,βx 2=3ω2ox ,βx 3=ω3ox,βθ1=3ωoθ,βθ2=3ω2oθ,βθ3=ω3oθ.(22)由文献[22]可知,LESO1,LESO2可保证观测误差收敛,即z x 1→x,z x 2→˙x,z x 3→R 1,z θ1→θ,z θ2→˙θ,z θ3→R 2.由于LESO 各状态变量观测值的初始值默认设置为0,当存在初始大摆角时,会导致LESO2初始观测值和实际值偏差过大,引起角速度信号估计超调,出现微分峰值现象.提高带宽会加剧微分峰值现象,而降低带宽又会导致观测性能下降.因此,利用Sigmoid 函数,将LESO2中的固定增益βθ2,βθ3变换为时变增益βθ2(t ),βθ3(t ),得到增益连续时变的扩张状态观测器(sigmoid ESO,SESO),使其不仅具有“大误差小增益,小误差大增益”特性,且可避免经典ESO 存在的切换点判断和增益突变的问题,并能抑制微分峰值现象,此时578控制理论与应用第40卷βθ1(t)=3ωoθ,βθ2(t)=βθ2·sig(α,x),βθ3(t)=βθ3·sig(α,x),(23)式中α为时变增益收敛速度的调节因子.将SESO的观测误差定义为eθ1(t)=zθ1(t)−θ1(t),eθ2(t)=zθ2(t)−θ2(t),eθ3(t)=zθ3(t)−R2.(24)对上式求导,再将式(21)代入,可得误差微分方程˙eθ1(t)=eθ2−βθ1(t)eθ1,˙eθ2(t)=eθ3−βθ2(t)eθ1,˙eθ3(t)=−βθ3(t)eθ1−˙R2,(25)令Y1=eθ1,Y2=−βθ1eθ1+eθ2,Y3=β2θ1eθ1−(βθ1+βθ2(t))eθ2+eθ3,则误差方程更新为˙Y1=Y2,˙Y2=Y3,˙Y3=−aY1−bY2−cY3−˙R2,(26)式中:a=βθ1βθ2(t)βθ3(t),b=βθ1βθ2(t)+βθ1βθ3(t) +βθ2(t)βθ3(t),c=βθ1+βθ2(t)+βθ3(t).不考虑扰动时,式(26)的特征方程为λ3+aλ2+bλ+c=0,(27)式中λ为方程的特征根.由Hurwitz条件可知,其特征根具有负实部的充要条件为a>0,b>0,c>0,ab−c>0,可见其条件全部满足,因此,SESO在以eθ1= 0,eθ2=0,eθ3=0为平衡点的大范围内渐进稳定.当考虑持续扰动时,SESO受扰动影响存在观测误差.为求得其稳态观测误差,假定˙R2 η,η为正常数,当系统达到稳态时,各状态变量变化率为0,即˙Y1=Y2=0,˙Y2=Y3=0,˙Y3=0.(28)再根据Y1=eθ1,Y2=−βθ1eθ1+eθ2,Y3=β2θ1eθ1−(βθ1+βθ2(t))eθ2+eθ3,可推得˙eθ1=0,˙eθ2=0,˙eθ3 =0,再由式(25)可得观测误差为|eθ1| ηωoθ3,|eθ2|3ηωoθ2,|eθ3|3ηωoθ.(29)式(29)可以看出,通过增加SESO带宽ωoθ可减小稳态误差,但同时也越容易引入噪声信号,因此选取带宽时,要综合考虑系统控制性能和抑制干扰等指标.3.3误差反馈控制律的设计利用ESO已将位移回路和摆角回路进行解耦,因此可分别设计控制律.对位移回路设计如下控制律:u x=k1·(v1−x)−k2·(v2−˙x)+˙v2,u1=1b1(u x−g1−z x3),(30)式中k1,k2∈R+为正的控制增益.对摆角回路设计如下控制律:uθ=−k3θx−k4˙θx,u2=1b2(uθ−g2−zθ3),(31)式中k3,k4∈R+为正的控制增益.定义起重机系统的跟踪误差ψx=v1−x1,则由式(18)–(19)(30)–(31)可得¨ψx=−k1ψx−k2˙ψx+˜R1,¨θx=−k3θ−k4˙θ+˜R2,(32)式中:˜R1=R1−z x3,˜R2=R2−zθ3分别表示小车位移和负载摆角的扰动估计误差.进一步将式(32)改写为˙ϕx=E1ϕx+F1˜R1,˙ϕθ=E2ϕθ+F2˜R2,(33)式中:ϕx=[ψx˙ψx],ϕθ=[θ˙θ],E1=[01−k1−k2], E2=[01−k3−k4],F1=F2=[1].为减轻参数整定工作量,利用带宽法,将k1,k2, k3,k4配置为如下形式:k1=ω2c1,k2=2ωc1,k3=ω2c2,k4=2ωc2,式中ωc1,ωc2分别为位移和摆角回路的控制器带宽.当E1,E2为Hurwitz稳定矩阵时,可保证闭环系统的稳定性.考虑到系统运行过程可能存在较强外扰,导致摆角振幅过大,易使摆角回路产生过大控制量,给执行机构造成巨大冲击,使得起重机运行埋下安全隐患.为避免大扰动下引发控制量饱和问题,引入具有饱和特性的tanh函数对摆角回路控制律进行改造ˆu2=1b2[−ˆk3θm tanh(θθm)−ˆk4θm tanh(˙θθm)−g2−zθ3],(34)式中:ˆk3,ˆk4为更新后的增益,选取较大的ˆk3可提高消摆速度、减少回摆时间,但ˆk3过大易使摆角振荡;选取较大的ˆk4可增加摆动阻尼、抑制摆动,但ˆk4过大可能延长消摆时间;ˆk3,ˆk4参数值可在原增益附近进行试凑调试、优化选取.θm为归一化角度调节因子,可在区间(2∼20)·π/180内依据外扰强度进行选取,当工作环境较为恶劣时,选取较大的θm可使得摆角回路抗外第3期肖友刚等:桥式起重机定位防摆改进型自抗扰控制579扰的能力提升,消摆更快,但所需的控制量也会增大,反之则相反.对两回路的控制量进行线性叠加,可得总控制量F=u1+ˆu2+¯F r=1b1[k1(v1−x)−k2(v2−˙x)+˙v2−g1−z x3]+1 b2[−ˆk3θm tanh(θθm)−ˆk3θm tanh(θθm)−ˆk 4θm tanh(˙θθm)−g2−zθ3]+¯F r.(35)结合式(18)–(19)(30)(34),闭环系统(33)变为˙θ1=θ2,˙θ2=−ˆk3θm tanh(θ1θm)−ˆk4θm tanh(˙θ1θm)+˜R2,¨ψx=−k1ψx−k2˙ψx+˜R1.(36)构造如下Lyapunov函数:V=ˆk3ln(cosh(θ1θm))+12θm˙θ21+12k1ψ2x+12˙ψ2x,(37)易知V 0恒成立,对V求导可得˙V=ˆk 3˙θ1tanh(θ1θm)+1θm˙θ1¨θ1+k1ψx˙ψx+˙ψx¨ψx=˙θ1(−ˆk3tanh(θ1θm)−ˆk4tanh(˙θ1θm)+˜R2)+ˆk 3˙θ1tanh(θ1θm)+k1ψx˙ψx+˙ψx(−k1ψx−k2˙ψx+˜R1)=˙θ1(−ˆk4tanh(˙θ1θm)+˜R2)−k2˙ψ2x+˙ψx˜R1−ˆk4˙θ1tanh(˙θ1θm)−k2˙ψ2x+|˙θ1||˜R2|+|˙ψx||˜R1|,(38)由于x tanh(x) 0,则当ψx=˙ψx=θ=˙θ=0时,˙V =0,当˙ψx=0或˙θ=0时,−ˆk4˙θ1θm·tanh(˙θ1θm)−k2˙ψ2x恒成立,因此令e=[ψx˙ψxθ˙θ]T,则存在δ>0和一个有限时间tδ,当∥e∥ δ可使得˙V 0成立.因此e在有限时间内收敛并保持在半径为δ的紧集内,即闭环控制系统是稳定的.当系统稳定时˙ϕx=˙ϕθ=0,根据式(36),可得系统误差范围为ψx |˜R1k1|,˙ψx=0,θ artanh|˜R2ˆk3|,˙θ=0,(39)由式(39)可看出,系统的误差是有界的,且观测器估计扰动的误差越小时,系统的精度也越高,同时增大增益k1,ˆk3可削弱估计误差对跟踪精度的影响.4仿真与实验结果本节将通过数值仿真及实物实验验证所提算法的控制性能,实验中起重机系统的参数为M=19.8kg,m=1kg,g=9.81m/s2,l=0.7m,台车摩擦力参数为:f r=8.1,k r=−0.5,µx=0.01,采样周期为50ms.4.1轨迹对比仿真分析为验证STD的改进效果,将其与LTD进行对比.LTD参数为r=0.5,STD参数为r1=2,r2=1,k d=1.2m/s,跟踪距离x d设为10m时,所得速度轨迹如图2(a)所示,将x d提高至20m,所得速度轨迹如图2(b)所示.由图可见,STD的速度轨迹包含了完整的加速、匀速及减速段,且加、减速段均具有平滑的S型曲线,并有效地将跟踪速度约束至设定值1.2m/s以内,符合台车平滑启动、高效运行、平稳停止的控制要求.LTD不包含匀速段,且速度会随着跟踪距离的增加而增加,显然不符合起重机的控制要求.因此相较于LTD,STD更优越.s=x d2+v2e4a eln(cosh(2a e t/v e−ε)cosh(2a e t/v e−ε−2sa e/v2e)).(40)U / s84012162012W/(m·s−1)(a)x d=10mU / s10501520253024W/(m·s−1)(b)x d=20m图2LTD与STD结果对比Fig.2Performance comparison between LTD and STD将STD与如式(40)所示的吊车系统常用跟踪轨迹(记为T1)进行对比,其参数设置为a e=0.5m/s2,v e=1m/s,ε=1.6,所得结果如图3所示.图中从上到下的4个子图分别表述位移s、速度v、加速度a、加加速度轨迹j.可见,在调节时间相近的情况下,STD在整个过渡过程中的最大加速度和最大加加速度更小,说明所需的最大驱动力更小,对执行器的最大功率要求更低,有利于系统平稳运行.此外轨迹T1的加速度和加加速度在初始阶段出现了突变,利用T1进行跟踪控制时,在起动时需很大驱动力,会对系统产生很大的柔性冲击.580控制理论与应用第40卷U / sU / sU / sU / s−0.60.00.60.00.61.2K / (m ·s −3)B / (m ·s −2)W / (m ·s −1)T / m图3STD 与T1轨迹结果对比Fig.3Performance comparison between STD and T14.2控制器对比仿真分析为验证MADRC 的改进效果,假设系统初始时刻存在10◦摆角并开始启动,将本文所提MADRC 算法与ADRC 法、增强耦合非线性控制法(enhanced coupling nonlinear controller,ECNC)[13]进行对比,所得结果如图4所示.本文所提两种算法参数为:ωc 1=1.4,ωc 2=3.5,ωox =12,ωoθ=10,θm =10◦,ˆk3=10.5,ˆk 4=8.8,α=20,ECNC 法表达式为F =−k p ( tξx d t −x 1)−k ξξx +λ(M +m )˙θ+f r ,对应的参数整定为k p =40,k ξ=20,λ=20.ADRC,MADRC 法均采用STD 安排过渡过程,ECNC 法采用式(40)作为台车的跟踪轨迹,且参数和上文均保持一致,将目标位置设定为30m.U / sU / sU / sY / mθ / (°)F / N01530MADRCADRCECNC图4存在初始摆角情况下3个控制器仿真对比Fig.4Three controller simulation comparisons whenfaced with initial pendulum仿真结果如图4所示,图中从上到下曲线依次为台车位移、负载摆角及控制量.从位移曲线可看出,ADRC 和MADRC 到达目标点用时更少,在面对大初始摆角情况下,ECNC 法向反方向最大偏离了约0.6m,明显大于所提两种算法,表明ECNC 法对大初始摆角更敏感;在控制力方面,MADRC 法与ECNC 法最大控制力相当,但ADRC 法初始控制力超过60N,为三者最大,这极易超出系统允许的最大值,而MADRC 法可明显降低初始控制力的大小,极大地提高了原控制器的性能.综上所述,MADRC 法对起重机作业的控制效果最好.图5截取了LESO,SESO 前10s 的观测信号并和真实信号作对比.可见在初始阶段LSEO 对于角速度信号的观测存在过大误差,出现微分峰值现象,这将造成ADRC 初始控制量饱和.而SESO 初始响应快且超调小,能够准确观测摆角信号和角速度信号,从而提高了MADRC 的控制性能.U / sU / s−50510−1012θ / (°)SESO 㿲⍻LESO 㿲⍻ⵏθ / ((°)·s −1).图5SESO 和LESO 观测效果比较Fig.5Performance comparison between SESO and LESO4.3鲁棒性检验为检验MADRC 的抗干扰能力,在吊车作业过程中对负载摆动施加3种不同类型扰动,在10∼12s 时施加随机扰动,在20∼21s 时施加脉冲扰动,35∼37s 时施加正弦扰动,这些扰动的幅值均为3◦,并将其与ECNC 法进行对比,所得仿真结果如图6所示.由图6可见,MADRC 法和ECNC 法都能在扰动环境中将负载摆角控制在合理范围内,但MADRC 法控制下的负载摆动幅值更小,消摆速度更快.在大干扰环境下,MADRC 法由于利用tanh 函数改造了控制律,使得其控制量较小,而ECNC 法为克服噪声和脉冲干扰所需驱动力超过了100N,易使得执行器饱和而使控制失效.因此,在扰动环境中MADRC 法具有良好的鲁棒性.4.4实验分析为进一步验证MADRC 算法的实际控制性能,利用图7所示的实物平台进行两组实验.实验装置由机械主体和控制系统组成,机械桥架长2.5m 、宽1.5m 、第3期肖友刚等:桥式起重机定位防摆改进型自抗扰控制581制量,通过运动控制器进行信号转换并下发至电机,从而控制台车运动.实验时控制器增益和起重机系统参数与仿真一致,将运行距离设置为1.5m,STD 参数设置为r 1=30,r 2=10,r =2,k d =0.2m/s.第1组实验在不施加任何扰动下运行,并与仿真结果进行对比,所得结果如图8所示;第2组实验给定大约8◦的初始摆角,并在20s 左右用外物对负载进行碰撞,所得结果如图9所示.U / s1020305040U / sU / sY / mθ / (°)F / N−100010004MADRCECNC 图6不同扰动下MADRC 和ECNC 法的对比结果Fig.6Performance comparison between MADRC and EC-NC when faced with different disturbances䖖ժ ⭥䀂㕆⸱ 䘀䍏䖭ẕ图7桥式起重机实验平台Fig.7Hardware platform of bridge crane由图8可见,在所提控制器作用下,仿真结果与实验结果曲线基本重合,台车用时12s 左右准确到达目标位置,全过程负载摆动角度始终控制在1◦以内,并且在到达目标点后无残余摆动.从图9可以看出,桥式起重机在受到外部干扰时,能够快速有效地抑制并消除这些外部扰动,并将负载准确快速地运送至指定位置.θ / (°)傼㔃ԯⵏ㔃 U / s84121620U / s840121620U / s84012162001530F / N−1010.50.01.51.0图8所提方法实验结果与仿真结果对比Fig.8Performance comparison between simulation resultsand experimental results of the proposed methodY / mθ / (°)F / NU / s10155202530U / sU / s101552025300.50.01.51.0−10010−20020图9施加干扰下所提方法实验结果Fig.9Experimental results of the proposed methodwith disturbance5结论为实现严重外界干扰下桥式起重机的定位消摆控制,本文利用两段Sigmoid 函数,设计了可按需调整各阶段速度且高阶连续的新型跟踪微分器STD,采用Sigmoid 函数构造了增益时变且连续可微的扩张状态观测器SESO,利用tanh 函数改进了摆角回路的误差反馈控制律,最后综合形成了适用于起重机的改进型自抗扰控制器.仿真及实验结果表明,STD 能使台车平滑启动、高效运行、平稳停止,SESO 有效避免了初始大摆角下观测信号的微分峰值现象,而改进了的误差反馈控制律则解决了大扰动下的控制量饱和问题,综合形成的改进型自抗扰控制器在大干扰下可全过程平稳且基本无摆地将负载搬运到目标位置.另外,三维桥式起重机在搬运负载过程中时常会出现复杂的球面摆现象,使其工作效率大幅降低,利用自抗扰控制强大的解耦能力,抑制三维吊车的球面摆动,将是后续值得深入研究的课题.582控制理论与应用第40卷参考文献:[1]WU X,XU K,HE X,et al.Disturbance-observer-based nonlinearcontrol for overhead cranes subject to uncertain disturbances.Me-chanical Systems and Signal Processing,2020,139:1–18.[2]ZHANG Shengzeng.Nonlinear control of underactuated overheadcrane systems.Hangzhou:Zhejiang University of Technology,2020.(张胜增.欠驱动桥式吊车系统的非线性控制研究.杭州:浙江工业大学信息工程学院,2020.)[3]XIAO 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differentiator based back-stepping control for valve-controlled hydraulic actuator system.ISA Transactions,2021.DOI:10.1016/j.isatra.2021.02.028.作者简介:肖友刚教授,博士生导师,目前研究方向为自抗扰控制、智能控制,E-mail:**************.cn;王辉堤硕士研究生,目前研究方向为自抗扰控制、控制理论与应用,E-mail:**********************;李蔚教授,博士生导师,目前研究方向为重载组合列车分布动力机车远程无线重联控制、列车通信网络及控制系统、自抗扰控制,E-mail:***************.cn;韩锟副教授,硕士生导师,目前研究方向为机器视觉与智能控制、自抗扰控制,E-mail:************.cn.。
防摇摆控制
防摇摆控制技术推广
WEI HUA
1. 变频行车性能优越，节能，是发展趋势。起重机防 摇技术一定会得到推广应用。不久的将来每个人都 会说：起重机防摇，那是必须的！
2. 新技术的推广重在宣传和引导。市场和客户还不了 解新技术带来的好处，新技术也不可能一下子完全 成熟，推广新技术是个艰巨的工作。
3. 促销建议：把“标准防摇控制”定为卫华变频桥机 的标准配置。
小车 变频器
小车 编码器
大车 变频器
大车 编码器
主升电机
副升电机
小车电机
大车电机
可选用不同品牌的变频器： 施耐德，西门子，ABB，三菱，SEW 安川，台达，汇川，等
河南卫华 龚志明
WEI HUA
普通桥式起重机防摇摆电气控制系统 精确防摇摆，减摇95%以上
PLC
常规操作 电控电路
系统概要： ✓ 大小车变频 ✓ 双钩 ✓ 无自动定位
通信总线
主起升 副起升 编码器 编码器
小车 变频器
主起升 电机
副起升 电机
小车电机
大车 变频器
大车电机
WEI HUA
变频车安装防摇摆控制系统 需要增加的主要电气元件 精确防摇摆，减摇95%以上
PLC
通信总线
主起升 编码器
副起升 编码器
WEI HUA
对防摇要求不高的行车：新的防摇控制方案 标准防摇摆，减摇90%以上
小车水平 运动位置
载荷水平 运动位置
河南卫华 龚志明
WEIHUA POSICAST控制方法在防摇摆控制的应用
小车水平 运动速度
载荷水平 运动速度
防摇控制（开环）基本方法：控制大小车速度
WEI HUA
POSICAST控制方法在防摇摆控制的应用：加速过程
行车吊装运动实时防晃初步原理解析
实际运行中，为提高天车的运行效率，都是大车、小车、吊装 升降同时动作，所以在综合作用下，夹具钢卷的晃动在垂直方 向看实际上是以一个圆周的形式进行晃动，至于吊装高度，高 度越大晃动越小，这个我们可以忽略。我们只需要以和大车控 制晃动角度相同的方法控制小车的速度变化，以控制Y轴方向 的晃动角度，综合控制作用下，即可以消除上述类似“圆周” 的晃动情况。
参考文献 [1] 侯筱婷,李昌华.微观施工仿真中虚拟吊装机械运动学建模与智
能交互[J].长安大学学报(自然科学版),2013,33(5):124-130.
作者简介 姜海罡（1975－），男，河北省承德市人；学历：本科，高级工
程师，研究方向：仪表技术。
（上接第1只有这样才能增加产量，提 升核心竞争力。
工业与信息化
TECHNOLOGY AND INFORMATION
行车吊装运动实时防晃初步原理解析
姜海罡 魏金辉 王松军 河钢集团承钢公司自动化中心 河北 承德 067102
摘 要 本文简述了天车吊装防晃原理和抑制晃动的措施和计算简要过程，以及简要的叙述了控制介入时机。 关键词 天车；防晃；控制
3 变速计算 晃动的周期一般只跟钢丝绳长度有关系，既符合单摆的计
算公式：
根据图2晃动周期看出，我们介入时只需要在1/4T周期 内，完成将车体加速或减速至C位速度，即使大车与吊装夹具 相对运动方向和速度为0，即可快速消除钢丝绳晃动。
4 运行效率 为提高车体的运行效率，总体来说在加速过程中我们不
参考文献 [1] 卜祥风,邓景泉“.新工科”建设背景下的地方高校工科专业改
革探索与实践——以滁州学院机械设计制造及其自动化专业为例[J].高
行车防摇摆控制系统(800K)
桥式行车防摇摆控制系统Antisway Control System for Overhead Crane李少彬（瑞钢钢板中国有限公司SSAB APAC，昆山）摘要：行车在运行过程中总是不可避免地造成吊物的摇摆，通常需要非常熟练的行车操作工手动操作控制吊物的摇摆，这也是目前最为常用的做法。
吊物的摇摆会加速机械磨损，增长吊物的转运时间，甚至造成安全事故。
因此多种防摇摆控制策略已经开发多年，防摇摆控制可以自动消除吊物在运行过程中产生的摇摆，可以更快地完成吊物的转运，特别是带有定位功能的自动化行车，防摇摆系统可以使行车的操作变得更高效、更安全。
关键词：防摇摆、高效、安全Abstract: When operating a crane, a state of sway is more natural than a state of equilibrium. A skilled crane operator will eliminate sway manually, and by far this is still the most common solution to the antisway problem. The sway will shorter the mechanical life of the crane and increase the transport time. Even cause safety accident. Antisway strategies of different kinds have been devised for many years. An antisway system may often do the job faster, especially if the antisway is combined with automatic positioning. Key Words: Antisway、Efficient、Safety一、防摇摆理论1.摇摆的产生行车在加减速的过程中，吊物的运动总是落后行车的运动，从而在行车与吊物间形成夹角，在重力的作用下，吊物会形成来回摇摆的现象。
桥式起重机智能防摆控制技术研究
桥式起重机智能防摆控制技术研究摘要：桥式起重机在运行过程中可能会因为加速、减速或者制动等操作而造成钢丝绳的剧烈摆动，并对吊装过程的稳定性和安全性带来一定的风险。
在工程实践中需要采取有效的措施来防止桥式起重机械发生剧烈的摆动。
本文主要分析智能防摆技术在这一工作中的应用策略。
关键词：桥式起重机；智能防摆；控制技术Abstract: During the operation of the bridge crane, the steel wire rope may swing violently due to operations such as acceleration, deceleration, or braking, and brings certain risks to the stability and safety of the hoisting process. In engineering practice, effective measures need to be taken to prevent the violent swing of the bridge crane. This article mainly analyzes the application strategy of intelligent anti-swing technology in this work.Keywords: bridge crane; intelligent anti-swing; control technology引言：桥式起重机在运行过程中通过钢丝绳来实现物体在水平方向和垂直方向上的运动。
但是重物在吊装过程中可能会因为制动或者突然的加减速而出现大幅度的摆动。
工程实践中可以采用机械防摆、电气防摆等技术来实现智能化的防摆控制。
1.摆动原因分析桥式起重机在实际应用过程中通过与钢丝绳连接的吊钩来悬吊适当重量的物体，然后通过大车运行机构和小车运行机构的水平运行来时实现重物的水平移动，同时依靠钢丝绳的和吊钩在垂直方向上的吊放来完成物体的垂直吊运。
桥式起重机防摇摆控制系统的应用鞠君国
桥式起重机防摇摆控制系统的应用鞠君国发布时间：2021-09-23T07:52:52.771Z 来源：《中国科技人才》2021年第16期作者：鞠君国郭文明[导读] 文章主要结合桥式起重机的电气控制技术进行分析，桥式起重机使用过程中出现吊物摇摆的现象，该现象的出现严重阻碍了机械设备性能的发挥，而且在现场吊物摇摆现象的出现会严重限制施工，导致现场是控制增加安全隐患，对现场极为不利。
在现阶段除了常规的防止吊物摆动的方式以外，还可以使用电气控制技术实现控制。
立足现阶段的实际需要，桥式起动机防摇摆功能还需要不断创新研究，希望可以从根本上一劳永逸地解决这个问题。
山东力山特智能科技有限公司山东省济南市 271104摘要：文章主要结合桥式起重机的电气控制技术进行分析，桥式起重机使用过程中出现吊物摇摆的现象，该现象的出现严重阻碍了机械设备性能的发挥，而且在现场吊物摇摆现象的出现会严重限制施工，导致现场是控制增加安全隐患，对现场极为不利。
在现阶段除了常规的防止吊物摆动的方式以外，还可以使用电气控制技术实现控制。
立足现阶段的实际需要，桥式起动机防摇摆功能还需要不断创新研究，希望可以从根本上一劳永逸地解决这个问题。
关键词：起重机；电气控制；吊物摇摆；控制现阶段大宗货物越来越多，在生产规模和经营规模不断扩大的背景下提高物料搬运作业，提高工业生产安全作业成为人们需要思考的重点，在现代物流搬运、工业运输在人们生活中作用越来越明显，成为影响生产效率和生产安全的重要因素。
桥式起重机是非常重要的物料装卸搬运设备之一，是工业领域内重要的设备。
起重机在运行过程中会出现摇摆晃动的现象，因此研究控制、消除摇摆现象，对保证作业安全有重要作用。
1.研究背景改革开放后我国经济快速发展，一带一路战略背景的带动下基础设施建设项目成为热点被重视，而生产、建设规模的不断扩大让行业对起重机械的要求也越来越高。
目前起重机械朝着大型化、自动化、专业化等方向发展。
桥式起重机的单神经元防摆控制系统
ｐｔ ｍ ｌｉ ｓ ｔｓｏ ａ ｓ ｇ ｅｉ ｏｔ ｌｒｈｓｂｔｒ ｄｐ ｂｉ ｎ ｂｓ ｅ ａ Ｉ ｏｔｌ ｒｏ ｉｅｅｔ ｕｅ ｓ ｕ ｔｎｒ ｕｓ ｈｗ ｔ ｔ ｉ ｅｎｕ ｎｃｎｏ ｅ ａ ｔ ａｔ ｉｙａｄｒ ｕｔ ｓ ｔ ｎＰＤ ｃｎ ｏｅ ｆ ｄ ｒ ｒ ｉ ａｏ ｅｌ ｈ ｎ ｌ Ｄ ｒ ｅ ｅａ ａ ｌ ｔ ｏ ｎ ｓｈ ｒ ｒ ｆ ｎ
一
吊绳 长度
ｏ ｅ ｌｇ ￣ ｎ ｏ ｄ ｉａ ｅ ． ｒ ｐ ｎ ｔ ａ ｄ ｌａ ｌ ｓ ８ ｅ Ｉｓ
Ｋｅｗ ｒｓ ｖｒｅｄｔｖｌ ｒ ｅ ｎｔ ｗ ｙｃｎｒ ｓ ｇ ｅｔ ｎｃｎｒ ｅ ｙ ｏｄ ：ｏｅ ａ ａｅｎ ｃ ｎ ；ａｉ ｈ ｒ ｉ ａ ｇ —ｓ ａ ｏｔ ｌ ｉ ｌ ｎｕ ｏ ｔ ｌｒ ｏ ．ｅ ｒ ｏ ｏ
为 克服起 重机 载荷摆 动 问题 ，国际上 很 多学者 做 了大 量 的研究 ，采 用 了多种 方法 克服 载荷摆 动 问 题 ，主 要有 ：最优控 制 … １、增 益调节 控制 ２、参 考
一
●
模型 自 适应控制 ３、状态空间反馈控制Ｌ 、模糊控 ４ Ｊ 制 、神经网络控制［ ７ ５ ６］ ￣ 等。其 中，神经网络智能 控制是近年来迅速发展起来 的一种智 能控制方法 ， 它具有 自适应 、 自 习能力 ，有着 广泛 的应用前 学
究 。由于桥式起重机 的数学模型具有不确定性 的特点 ，常 规的 Ｐ Ｉ Ｄ控制器 不易在线 调整 ，难 以对摆 角进 行有 效
的控制 。本文设计 了一种基于单神经元控制器的起 重机控制 系统 ，利用 ２个单 神经 元控制器 分别对小 车 的位 置 和摆角进行控制 。仿真结果证明 ，该神经元控 制器 比 ＰＤ控 制器对 于不 同 的绳 长和载荷 质量具 有较好 的 自适应 Ｉ 能力和鲁棒性 。 关键词 ：桥式起重机 ；防摆动控制 ；单 神经元控制器
桥式起重机防摇控制系统设计与实现
桥式起重机防摇控制系统设计与实现发布时间：2023-06-19T03:11:11.684Z 来源：《科技潮》2023年11期作者：焦乐克[导读] 系统选用西门子生产的S7-300系列PLC在控制现场建立主站，CPU模块选用CPU315-2DP，并根据系统所需的数字量和模拟量输入输出点数，同时考虑DI/DO点数具有大于10%的冗余的基础上，选用相应的数字量输入输出模块SM323、模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332以及计数模块FM350等。
山东力山特智能科技股份有限公司山东日照 276800摘要：在传统的起重机控制系统中为了实现其驱动电机速度频繁变换功能，通常会采取一些特殊的方法，比如较为常见的有：调整电机极对数实现电机调速的方法，在转子回路中串接定值电阻的方法，通过涡流制动器来改变电机转速的方法等。
以上电机速度调节的方法在启动性能、调速性能等方面与交流鼠笼式电机相比，有了一定的改善，但是依然存在一些难以克服的瓶颈问题。
关键词：桥式起重机；智能控制系统；设计1、控制系统的硬件配置1.1变频器选型根据桥式起重机各机构的控制要求及各机构驱动电机的额定功率、最大使用电机容量来选定变频器的规格及型号。
本设计中选用三菱FR-F540（L）-S系列变频器，FR-F540L-S系列变频器属于节能型变频器，其采用的最佳励磁控制方式，能够实现高效节能运行；并且采用了内置的PID调节器，具有柔性的PWM调节功能，可以实现低噪音运行；在通信功能方面，该系列变频器内置了RS485通信接口，便于现场工业总线的搭建。
FR-F540L-S系列变频器的外形如图1所示。
图1FR-F540L-S变频器外形1.2PLC及模块选型系统选用西门子生产的S7-300系列PLC在控制现场建立主站，CPU模块选用CPU315-2DP，并根据系统所需的数字量和模拟量输入输出点数，同时考虑DI/DO点数具有大于10%的冗余的基础上，选用相应的数字量输入输出模块SM323、模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332以及计数模块FM350等。
岸边集装箱桥式起重机防摇控制系统
岸边集装箱桥式起重机防摇控制系统作者：窦剑峰来源：《科技传播》2014年第13期摘要根据以往集装箱起重机工作过程进行观察研究，发现吊具结构部分存在严重的周期摇摆隐患，这将长期阻碍港口现场装卸控制效率。
本文具体结合模糊神经网络控制系统元素特征，实现创新形式的集装箱起重机防摇控制规模调整，利用实践控制活动和细节问题记录模式检验模糊神经网络控制装置的具体结构和应用思路，确保创新样式的防摇控制系统在硬件和软件设计上都足够优秀，带动相关产业可持续发展活力。
关键词集装箱起重机；防摇；模糊神经网络控制器；设置流程中图分类号TH2 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）118-0156-01集装箱起重机在实现细致工作布置环节中，因为小车的加减速控制不当会造成吊具或者相关部件负载在平行小车桁架平面内绕小车进行周期性的弧线运动。
为了将这种不良现象克制，除了利用传统模式的机械防摇设备调整之外，可以考虑配备电子防摇系统基础，其控制机理性质基本不变，但实际应用环节中发现由于调整小车速度运行动作过于频繁，增加了员工劳动强度。
在深度结合小车控制的滞后性和非线性作用之后，联合现场干扰元素的搜集整合，有关技术人员决定使用模糊神经网络控制器的智能调试技术进行防摇控制措施的制定。
1 关于模糊神经网络控制器的研究按照应用实效内容研究，模糊形式的控制手段主要是沿着过程本身存在的不定向特征和噪声隐患进行系统内部运转动作滞后效果的鉴定，并在此基础上贯彻非线性和时变因素，烘托特定工艺技术的优越地位。
所以在对集装箱起重机进行电子防控系统的安置过程中，应该联合模糊控制神经网络进行电子防摇系统建设，其中相关管控规则内容排列顺序较为复杂，这对就现实处理环节产生严格的细致水平要求。
FNN控制器是某种存在四层神经网络的结构框架格式，在功能处理上，此类网络单层节点总是对应模糊逻辑控制的模糊特征、实施规则和反模糊化效果进行延展，所以其模糊逻辑意义相当深刻。
桥式起重机二维运动防摆控制方法研究
制装置与操作方式已越来越不适应现代化企业的生产要求。传统的桥式起重机的
电控设备主要是由凸轮控制器或主令控制器和绕线电机组成，调速方式为串电阻
有级调速。控制器不能实现起重机启制动运行的平滑调节，从而较难保证启制动
过程的性能要求，运输效率很低。而且基本上皆为驾驶员手动控制，存在很多弊
端：
１、在某些环境恶劣场合中的应用驾驶员工作受到限制。例如，在垃圾转运站 和处理厂，由于工作环境的限制，现有起重机无法使用。
１．２．１国内研究现状
ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｃａｎ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｃｒａｎｅ ｐａｃｋ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｌｏａｄ—ｓｗｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ，ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｔｗｏ ｃｏｎｔｒｏｌ
针对起重机的防摆问题，目前主要采用以下几种手段：形位变化控制摆动、
液压减摇系统等。无论哪一种方法都存在明显的不足。如形位变化控制摇摆是通
过大车上的两个分离小车协调动作，抑制重物的摆动，从而达到消摆的目的。然
而由于绳索的长度的影响，协调动作比较困难，仍然存在相当的摆动，此外还附
加了牵引绳和滑动轮，无疑增加了设备的复杂性。液压减摇属于机械式防摆系统，
基于起重机系统的非线性模型，本文首先通过反馈位置和摆角信号设计了双 闭环结构的ＰＩＤ控制器，内环为摆角环实现消摆，外环为位置环实现位置准停。 ＰＩＤ参数可以通过非线性优化ＮＣＤ模块进行优化，并且可以在可变参数在一定范 围内变化时，进行参数优化。
鉴于起重机系统模型存在着许多未知干扰，很难用精确数学模型来反映起重 机的实际动态过程。本文设计了不依赖于系统模型的神经网络模糊控制器。利用 已有输入输出经验数据训练神经网络，生成模糊控制系统的隶属度函数和模糊规 则，使神经网络和模糊控制有机的结合起来，充分发挥了各自的优点，而弥补了 各自的不足。此外，还可以方便的加入一些经验和专家知识的数据，适应系统参 数变化，提高控制效果。
桥式起重机防摆控制方法综述
桥式起重机防摆控制方法综述高武龙;陈志梅;孟文俊【摘要】针对桥式起重机系统，分析了系统的拉格朗日动力学模型、非线性特性以及防摆控制的研究现状，阐述并总结了采取不同控制策略时的主要控制方法，轨迹跟踪策略包括离线运动规划和输入整形方法，镇定控制策略从经典控制、现代控制和智能控制等方面分别展开，介绍了PID控制、最优控制、滑模控制、反步控制和无源控制，展望了今后进一步的研究方向和问题。
%In terms of the bridge crane system,the paper analyzes current research situations in Lagrange dynamics model,non-linear property,and anti-sway control,and describes some main control methods for different control strategies. The trajectory tracking strategy is composed of off-line motion planning and input shaping method,while the stabilization control strategy is introduced in aspects of classic control,modern control,and intelligentcontrol,etc.Moreover,the pa-per also introduces PID control,optimal control,sliding-mode control,backstepping control,and passivity-based control, giving prospects for further research direction and any issues.【期刊名称】《起重运输机械》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】5页(P1-5)【关键词】桥式起重机;非线性系统;防摆控制;轨迹跟踪;镇定控制【作者】高武龙;陈志梅;孟文俊【作者单位】太原科技大学太原 030024;太原科技大学太原 030024;太原科技大学太原 030024【正文语种】中文【中图分类】TH215;TP2730 引言起重机广泛应用于车间、港口、仓库等工业场所，起重机的安全操作事关安全生产。
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桥式行车防摇摆控制系统Antisway Control System for Overhead Crane李少彬（瑞钢钢板中国有限公司SSAB APAC，昆山）摘要：行车在运行过程中总是不可避免地造成吊物的摇摆，通常需要非常熟练的行车操作工手动操作控制吊物的摇摆，这也是目前最为常用的做法。
吊物的摇摆会加速机械磨损，增长吊物的转运时间，甚至造成安全事故。
因此多种防摇摆控制策略已经开发多年，防摇摆控制可以自动消除吊物在运行过程中产生的摇摆，可以更快地完成吊物的转运，特别是带有定位功能的自动化行车，防摇摆系统可以使行车的操作变得更高效、更安全。
关键词：防摇摆、高效、安全Abstract: When operating a crane, a state of sway is more natural than a state of equilibrium. A skilled crane operator will eliminate sway manually, and by far this is still the most common solution to the antisway problem. The sway will shorter the mechanical life of the crane and increase the transport time. Even cause safety accident. Antisway strategies of different kinds have been devised for many years. An antisway system may often do the job faster, especially if the antisway is combined with automatic positioning. Key Words: Antisway、Efficient、Safety一、防摇摆理论1.摇摆的产生行车在加减速的过程中，吊物的运动总是落后行车的运动，从而在行车与吊物间形成夹角，在重力的作用下，吊物会形成来回摇摆的现象。
2. 摆动周期著名物理学家伽利略在比萨大学读书时，对摆动规律的探究，是他第一个重要的科学发现。
有一次他发现教堂上的吊灯因为风吹而不停地摆动。
尽管吊灯的摆动幅度越来越小，但每一次摆动的时间似乎相等。
通过进一步的观察，伽利略发现：不论摆动的幅度大些还是小些，完成一次摆动的时间（即摆动周期）是一样的。
这在物理学中叫做“摆的等时性原理”。
各种机械摆钟都是根据这个原理制作的。
后来，伽利略又把不同质量的铁块系在绳端作摆锤进行实验。
他发现，只要用同一条摆绳，摆动周期并不随摆锤质量的影响。
随后，伽利略用相同的摆锤，用不同的绳长做实验，最后得出结论：摆绳越长，往复摆动一次的时间（即摆动周期）就越长。
公式：T=2π√（l/g).3. 防摇摆方法行车防摇摆方法主要有机械防摇摆、电气控制防摇摆。
机械防摇摆需要增加机械设备造成行车自重增加且造价昂贵，因此很少采用。
电气控制防摇摆分闭环控制和开环控制，闭环控制需要有摆角测量装置，配合控制算法实现。
开环控制无需角度测量装置，通过控制算法即可实现对行车的防摇摆控制，因此也是目前使用最广泛的防摇摆方法。
开环防摇摆的控制算法有好几种，本控制系统采用最为常用的一种控制方法，双脉冲前馈控制算法。
4. 双脉冲前馈防摇摆控制原理吊物的摆动是由于行车的加速或减速而造成的，经专家研究当行车以一定加速度运行时，吊物会以一定摆动周期（T）摆动，在一半摆动周期（T/2）时施加一个等量等时的短脉冲后，吊物形成的摆动将会消除，因此该控制方法称为双脉冲前馈防摇摆控制（Double pulse control）,也有称为Posicast control或Cancellation control，最初该控制理论是由O.J.M Smith在1958年提出。
二、防摇摆控制系统组成防摇摆控制系统的核心为基于X86架构的工控机或ARM架构的其它嵌入式控制器，采用开源控制系统平台Proview。
Proview支持高级语言编程（C/C++/JAVA），可将复杂的控制算法通过高级语言编程并连结到Proview系统平台，甚至可以将其直接写入Proview 软件的源代码，成为软件标准功能。
Proview系统支持多种通信模式，可通过以太网使用TCP/UDP或Modbus TCP/Profinet等协议和其它控制系统通信，同时支持Profibus/Modbus RTU等现场总线协议。
因此该防摇摆控制器可以用于支持网络的PLC控制器的自动化行车，也可以用于简易的手动行车改造。
1. 自动化行车防摇摆行车主要配置：支持标准以太网或Modbus TCP的PLC（西门子CPU315-2 PN/DP），带Profibus DP通信口的变频器，X86架构的工控机。
行车的控制主要由PLC来完成，PLC 可通过主钩变频器获取吊物的高度信息，同时从操作者或上位机得到大车和小车的运行速度命令，PLC将获取的摆长、大车速度和小车速度通过以太网（UDP/IP协议）传送到防摇摆控制器（运行于Linux操作平台的X86工控机），防摇摆控制器获取双脉冲前馈防摇摆模型的参数后，经过运算将大车和小车的输出速度通过以太网回传至PLC，PLC通过Profibus 将速度输出传输到大车变频器和小车变频器，实现防摇摆控制。
2. 简易手动行车防摇摆行车主要配置：带串口支持Modbus RTU，具备0－10V模拟量输出的小型PLC(西门子200PLC或其它小型PLC)，支持模拟量输入的变频器，微型控制器（树莓派B+）。
PLC 主要用于采集主钩增量型编码器的脉冲数，大车、小车运行等指令，通过Modbus RTU将采集到的信息传输到防摇摆控制器（树莓派），防摇摆控制器将运算的大小车速度输出通过模拟量输出0－10V到变频器，实现防摇摆控制。
2.1 使用硬件2.1.1防摇摆控制器――树莓派B+Raspberry Pi 型号B+ 是信用卡大小的计算机板，当添加了键盘、鼠标、显示屏、电源和已安装OS 的MicroSD 卡时，可以启动和运行。
它是基于微型ARM 的PC，可运行许多通常需要台式PC 的应用，如电子表格、文字处理和游戏。
它还可播放高清视频。
与较早型号相比，除其他改进之外，型号B+ 均具有低功耗、更佳的音频性能和40 引脚GPIO 连接器。
Raspberry Pi 是开源产品，设计为可得到基于互联网的用户论坛支持。
有关入门信息，请参见官方网站：/。
2.1.2PLC普中科技PLC，型号PZ-36MT-3DA。
20点输入，16点输出，3路模拟量输出，内置2组AB相正交编码器计数，标配8.5KHz。
通信接口RS232C、RS485、SPI_MS，支持Modbus RTU通信。
2.2 软件环境2.2.1 普中PLC编程软件hwStart，可至普中科技官网下载2.2.2 树莓派B+操作系统RASPBIAN，可至树莓派官网下载/2.2.3开源过程控制软件Proview，可至Proview网址下载www.proview.se，软件包括开发包pwr52_5.2.1-1_i386.deb)，树莓派开发包pwrrpi52_5.2.1-1I386.deb，这两个开发包需要安装在一台基于Linux系统的PC上，目前支持Debian和Ubuntu发行版，其它发行版需要pwrsrc包，使用Proview源码安装。
树莓派实时运行包pwrrt_5.2.1-1_armhf.deb，该包直接安装在树莓派上，用于运行Proview的实时环境。
2.3 基于简易行车防摇摆控制方案的实施2.3.1 PLC侧（1）I/O配置数值量输入端：X00（主钩上限位）,X01（低速选择未使用）,X02（高速选择）,X03（大车运行）,X04（小车运行）,X05/X06/X07（摆长补偿长度），X10（主钩运行），X20/X21（主钩编码器AB相）数字量输出端：Y00（Modbus通信错误），Y01（编码器错误）模拟量输出端：DA1（大车输出速度），DA2（小车输出速度）（2）MODBUS RTU通信地址对照表（3）PLC程序控制逻辑PLC主要作为防摇摆控制的执行端，采集防摇摆控制器树莓派所需的输入参数，并获取树莓派防摇摆模型运算的输出速度，通过模拟量输出端口DA1和DA2输出0-10VDC电压分别送至行车大车和小车的变频器模拟量输入，从而控制行车的大小车的运行速度，达到防摇摆的目的。
防摇摆控制模型主要输入参数摆长L，通过PLC的X20,X21端口收集主钩编码器计数值，树莓派将通过MODBUS RTU获取该计数值，换算成主钩摆长。
X00主钩上限位用来校准编码器计数值，到达上限位，编码器计数值将清零，同时X00还用于复位编码器错误，如果编码器产生错误，计算的主钩摆长将会是错误的值，错误的摆长将会使防摇摆模型运算出错误的速度输出，造成吊物摇摆无法控制，因此，当编码器产生错误时，行车只能在无防摇摆模式下人工操作控制摇摆，只有编码器故障解除后，通过主钩上限位X00校准后才允许运行在防摇摆模式下。
当主钩上升或下降X10激活，超过2秒后PLC读取的编码器计数值未增加或者减少，可判断编码器读数出错，PLC禁止运行在防摇摆模式，同时Y02编码器错误输出，提醒操作人员，编码器错误，操作人员只能切换到无防摇摆模式才能继续操作行车。
行车高低速运行，X01低速运行（未使用），X02高速运行，X02激活时，行车以100%高速运行，X02未激活时，行车以50%低速运行。
大小车运行指令X03/X04，用于启动大小车速度的输出，X03未激活时，大车速度输出DA1输出电压为0VDC，X03激活时，根据行车高低速状态输出10VDC或5VDC（无防摇摆模式），或根据防摇摆控制器运算的速度输出相应的电压（防摇摆模式）。
摆长补偿X05/X06/X07，选择开关用于激活防摇摆模式和摆长补偿。
Modbus通信故障报警Y00，PLC与防摇摆控制器通信发生中断后，PLC无法正确获取防摇摆控制器运算出的速度输出，造成输出速度错误，无法控制吊物摇摆，因此当通信故障时，停止行车的运行并发出通信故障报警，提醒操作者，此时只能切换到无防摇摆模式下运行。
2.3.2 树莓派侧树莓派作为防摇摆控制系统的核心，采集PLC的信号，经过防摇摆模型运算后传送至PLC，通过PLC实现行车的防摇摆控制。
树莓派的操作系统为基于Debian Wheezy的专用系统，控制软件为开源的Proview，使用Modbus RTU协议采集PLC信息，树莓派作为客户端，PLC作为服务器，树莓派通过USB转RS232C接口连接PLC的通信口，实现基于RS232C的Modbus RTU通信。