PID文献综述

一种龙门吊车重物防摆鲁棒PID控制系统设计

文献综述

吊车作为一种搬运工具，在工业生产中发挥着重要的作用。但是，由于吊车自身结

构的原因，使得货物在吊运过程中不可避免会产生摆动，从而影响吊运效率的提高；如

何有效地消除货物在吊运过程中的摆动以提高吊车的工作效率是长期以来国内外控制领

域研究的一个典型问题。而吊车作为一种典型的多变量、强耦合的非线性系统，存在着

模型复杂、难于控制等特点，且国内的防摆控制研究中，由于缺少合适的实验平台，众

多的研究只能局限于计算机软件仿真而无法通过实验来验证。

一、课题研究的背景

吊车，又名起重机，作为一种运载工具，广泛地适用于现代工厂、安装工地和集装箱货场以及室内外仓库的装卸和运输作业。它在离地面很高的轨道上运行，占地面积小，省时省工省力，是工厂、仓库、码头必不可少的装卸搬运工具。

吊车是利用连接在活动架上的缆绳来提升和移动重物的。用绳索一类的柔体代替钢体工作，使得吊车结构轻便，工作效率高。但是，采用柔体吊运也带来一些负面影响，在起重机的工作过程中，由于吊绳的柔性连接，使起重机在起升、变幅和回转的过程中，不同程度地引起所吊重物的周期性摆动。吊物的摆动是影响吊车装卸效率的主要原因。长期以来，如何有效地消除重物在吊运过程中的摆动以提高吊车的工作效率,一直是困扰起重机快速吊运的一个难题。

还有一些特殊的工作场合，对吊车运行过程中的摆动有着更为严格的生产要求。如在港口和仓库，常常需要在船舱与码头，仓库与汽车之间堆放集装箱，由于集装箱质量很大，稍有不慎，造成集装箱与汽车或船舱相碰，都有可能造成集装箱解体以及汽车或船舱的损坏，因此需要集装箱就位准确无摆动。但是由于吊车的吊具与小车柔性连接的原因，会造成集装箱的摆动。为了避免碰撞和落点修正再作业，就要减小摆动，一般先得减慢吊车的运动速度或等待集装箱的摆动自然衰减完全结束后，才能是集装箱就位。这种消极的减小摆动的方法是以降低工作效率为代价的。

在冶金浇铸车间，将盛着金属溶液的吊车运抵浇铸口上方进行浇铸，这一过程要求吊车的动作快速准确。但是由于吊车行走时摆动原因，将会造成金属溶液过早冷却，降低产品质量和生产效率，或者导致金属溶液溅到浇铸口外，引发生产事故。

研究吊车、集装箱起重机等一类运用柔性绳索吊运重物时如何消除摆动的问题，将对提高货物调运效率，缩短工业产品的生产周期，提高质量具有深远的意义。本课题的立题就是以此为背景，研究吊车柔性绳索吊运的防摆控制技术。

二、国内外研究现状

（1）国内防摆控制的研究现状

与国外相比，在吊车防摆控制这一问题的研究上，国内的差距还是较大的，虽然从

时间上看，国内研究吊车防摆控制也比较早，但在研究内容的深度、规模上，则远远不

如国外学者。

国内较早从事吊车防摆控制研究的学者是哈尔滨工程大学华克强等人]3,2,1[，在文献[1]和[2]中，作者针对桥式吊车，给出了吊车系统精确数学模型，根据此模型，设计了最优控制器、自适应控制器、模糊控制器，并对三种控制器进行了比较分析。在文献[3]中，作者设计了模糊防摆控制器，分别对定位和摆动进行模糊控制，最后采用查询表的方式，在以单片机为控制器的实验装置上进行了实验验证。华克强等人的研究比较深入，其理论成果不仅有仿真验证，而且还在吊车的物理模型上进行了实验验证。

山东建筑工程学院的李伟等人]7.6.5.4[在吊车防摆控制领域也有一定的研究。李伟等人是国内从事防摆研究发表文章较多的学者，近年来，他们发表了多篇文章，分别在吊车的模型、控制方法等方面进行了研究。在文献[4]中，针对天车抓斗的摆动问题，应用最优控制理论，提出了点动消摆、全程防摆等控制策略。文献[5]中建立了吊车系统摆振数学模型，文献[6]中对于采用断续控制的吊乍，提出了基于时间最优的消除载荷摆动的两拍消摆策略。文献[7]中作者采用极点配置技术，以积分二次型性能指标提出最有效消摆策略，同时实现消摆、提高运行速度两个目标。

山东大学的邹军、陈志坚]9,8[，在文献[8]中建立桥式吊车的数学模型，并依据此模型，应用最优控制理论，提出了桥式吊车水平运动规律，并对抓斗进行了防摆控制研究。在文献[9]中，作者根据文献[8]中提出的桥式吊车水平运行规律和抓斗摆动规律，提出

了一种抓斗防摆的方法，该方法通过控制桥式吊车行走的时间顺序实现其停车与抓斗消

摆的同步控制。

近年来，随着控制理论的发展，一些新的控制方法也应用到了起重机的防摆控制研究中。上海交通大学的梁春燕等人将一种能抑制系统残留震荡的时滞滤波技术应用到防摆控制中；北方工业大学的薛朵和武汉理工大学的周勇也都各自设计了更加实用的模糊控制器；中国科学院自动化研究所的刘殿通等人提出了一种分段切换因子的模糊控制器，并采用遗传算法进行参数调整。国内的研究步入了开始应用智能控制理论和新的控制方法的新阶段。

（2）国外防摆控制的研究现状

国外对于吊车的防摆问题研究比较早，在 70年代就有人提出吊车防摆的问题。在吊车防摆控制技术的研究上，国外学者采用的控制方法多种多样，既有比较传统的经典控制

理论、现代控制理论、最优控制理论，也有现在比较新颖的控制理论，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制、智能控制等。近年来，随着非线性控制技术的发展，许多学者开始进行吊车防摆非线性控制技术的研究。

经典控制方法现在非常成熟，它具有控制算法简单的优点，在现在控制工程中还大量应用。在吊车防摆控制的研究中，一些学者仍然偏重于经典控制方法研究，韩国学者Ho-Hoon Lee]10[是偏重于经典控制方法的一个典型代表，在文献[10]中，他采用了根轨迹、频域法等常规分析方法为主的古典控制方法与现在的智能控制相结合，设计了防摆、定位控制器。采用双闭环的控制思想：内环为摆角环，以小车位移来估计摆角，通过模糊控制器进行防摆控制；外环为位置环，采用PID控制器进行定位控制，这样可使得在定位过程结束的同时，消除运动过程中产生的摆动。埃及学者Hanafy采用增益调度的方法设计了全状态反馈的控制器，并且采用经典PID控制方法设计了防摆和定位控制器，并进行了仿真和实验。A.Z.AI-Garni等人建立了精确的三自由度起重机的状态方程并利用现代控制理论的方法实现了基于时间和误差综合最优的反馈控制。韩国学者S.U.Choi设计了神经网络自整定的PID控制器。

鉴于反馈控制对干扰信号和参数变化不敏感的优点，对于起重机定位和防摆控制器的设计多采用反馈控制，这就需要测量摆角的大小。但因为绳长是变化的，在传感器的安装和使用上便存在一定的困难，因而测量精度不高。此外，增加了传感器的同时也提高了成本，因而在起重机控制方面产生了不测量摆角的发展方向。韩国学者Yong-Seok Kim通过检测小车的加速度来估计重物摆角并最终利用速度控的方式进行吊车的防摆控制。Alessandro通过Lyapunov稳定的方法设计了吊车系统状态观测器，并根据状态反馈的设计方法最终设计了系统的防摆控制器。

1956年L.A.Zadeh创建模糊数学，1974年英国工程师 E.H.Mamdani首先把模糊集合理论应用于锅炉和蒸汽机的控制，在自动控制领域开辟了模糊控制理论及其工程应用的崭新阶段。对于那些大时滞、非线性等难以建立精确数学模型的复杂系统，应用模糊控制理论，通过计算机实现模糊控制可以取得满意的控制效果。由于模糊控制的这一优点，使得模糊控制在工程中得到了广泛的应用。日本的学者Yamada将模糊控制应用于吊车防摆控制中，取得了很好的控制效果。Nowacki设计了吊车系统的时间最优控制器，对于最优切换时刻的确定进行了模糊方式的设计，并最终证明这样的设计使得最优切换的时刻对系统的运行参数具有很好的鲁棒性。Gutierrez将设计的模糊控制器并在一个实物模型上进行了实验，证明了模糊控制器的实用性。

自适应控制是现代控制理论的一个分支，是控制理论中比较活跃的一个领域，从20世纪60年代以来，自适应控制理论在航空、航海、电力系统等领域得到了广泛的应用。随着计算机技术的发展和理论的不断完善，自适应水平控制的使用范围不断扩大。在文献[11]中Han等人较早的将自适应控制理论应用到吊车的防摆控制中，并取得了良好的控制效果]11[。采用模型参考自适应控制的缺点是参考模型的选择比较困难，当参考模型不合适

时，控制效果会大大降低。非线性控制理论是控制理论中重要的一部分，自然界的任何现象，从本质来说，都是非线性的。人们在研究问题的时候，根据一定的条件，将非线性问题线性化从而便于研究。近年来，随着非线性理论的发展，不少学者开始直接从非线性的角度研究问题。吊车从本质来看是一个高度非线性的系统，近年来不少的国外学者，直接从非线性的角度来研究吊车防摆控制问题取得了丰富的学术成果。

在文献[12]中Y.Fang等人给出了三维吊车的两种控制方法，简单的PD控制和非线性解祸控制，并通过仿真实验证明了非线性解耦控制的效果比简单的PD控制要好，G. Bartolini等人设计了吊车的滑模变结构控制器。日本学者Yoshida在不考虑吊车吊载机构位置幅度的限制下，提出一种基于能量的非线性控制器。Yanai给出了针对港口的旋转式的吊车的非线性控制器，并进行了仿真实验证明该非线性控制器的有效性。B. Vikramaditya等人针对二维吊车进行了精确线性化方法的控制器设计和滑模控制器的设计，并给出了跟踪性能很好的仿真结果。

使用非线性控制能从本质上对吊车系统进行控制，解决因线性化带来的问题。尽管由于非线性理论目前还不成熟，非线性控制策略的提出比较困难，且控制方法比较复杂，不利于系统实现。但随着科技的发展，传感器、控制器性能不断提高，非线性控制将越来越多地应用于实际工程中。

国外一些学者在吊车防摆控制的研究中，还将多种控制方法相结合，以改善只采用单一控制时在控制效果上存在的不足。如：将模糊控制与最优控制相结合，推出一种基于模糊时间最优的吊车防摆控制方法；提出基于专家规则的吊车负荷最优时间控制；提出采用遗传算法改进吊车模糊控制器的优化方法；提出能够在线学习的智能防摆控制方法。

相比较而言，国外学者在该领域的研究比较深入，从事研究的学者也比较多，成果较为丰富。他们在研究中，采用的理论也比较丰富，各种控制方法都有人尝试，如常规的PID 控制、最优控制、模糊控制、非线性控制、智能控制等。而国内的学者在研究中采用的控制方法比较狭窄，大多采用最优控制和模糊控制方法。国外学者研究比较严谨，在理论分析说明的基础上，大多进行了实物仿真实验。而国内学者大部分只采用简化的模型，进行软件仿真，很少进行实物实验研究。

三、本文系统设计思路

根据吊车系统的物理模型,应用理论力学的基本方法,运用拉格朗日方程建立吊车系

统三维条件下的运动方程,以及简化条件下的定绳长吊车系统运动方程。完成简化条件下的模型线性化,并得到系统状态空间模型。研究常规PID控制策略在各种条件下的仿真实验效果,提出一种基于鲁棒PID控制技术的吊车防摆、定位控制算法。该方法将吊车防摆和定位控制分开设计,采用位置鲁棒PID控制器和角度鲁棒PID控制器两个控制器实现吊车的准确定位和快速消摆, 使得控制系统能够在吊车绳长和载荷质量发生改变的情况下,仍可在最短时间内消除重物的摆动并完成其在水平方面的定位,从而提高吊车的运行效

率。在MATLAB/Simulink环境下搭建吊车运动系统的仿真模型，为进一步控制器的设计

奠定基础。

参考文献

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[10] Ho-Noon Lee,Sung-Kun Cho, A New Fuzzy-Logic Anti-Swing Control for Industial

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[11]Hans Butler, Ger Honderd, and Job Van Amerongen, Model Reference Adaptive Control of a Gantry Crane Scale Model. IEEE Control Systems Magazine. 1991,(1):57-62

[12]Y. Fang, E. Zergeroglu, W. E. Dixon, D. M. Dawson. Nonlinear Coupling control Laws for an Overhead Crane System. Proceedings of the 2001 IEEE Conference on control application. 2001,639-644