外文翻譯--高架起重機的模糊控制設(shè)計與死區(qū)補償【中英文文獻譯文】
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高架起重機的模糊控制設(shè)計與死區(qū)補償
出版： 施普林格出版社倫敦有限公司 2009，4月
[本要]：本文提出了一種簡單而有效的方法控制三維橋式起重機。所提出的方法使用快速運輸與模糊控制的一種控制控制死區(qū)補償起重機時接近目標(biāo)的精確定位和移動負(fù)荷平穩(wěn)。只有剩下的距離和投影用于設(shè)計模糊控制器的擺動角度。在這種方法中，沒有任何植物的起重機信息是必要的。因此，所提出的方法大大降低了計算的努力。幾個實驗說明通過建議的方法，鼓勵有效性一種規(guī)模化的三維起重機模型。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]：橋式起重機投影擺角 模糊控制器死區(qū)補償
1 引言
三維起重機由小車、驅(qū)動電機和軟電線。工廠和港口經(jīng)常使用它用于搬運重物。馬達驅(qū)動小車和彈性鋼絲繩的載荷?？焖佟⑵椒€(wěn)、精確移動到目標(biāo)是起重機控制的主要目標(biāo)。一般情況下，有經(jīng)驗的起重機操作員移動到負(fù)載目的地慢慢地，把小車來回地來回地使負(fù)載平穩(wěn)，并試圖阻止臺車在目的地準(zhǔn)確而順利。然而，由于非線性負(fù)載搖擺運動，平穩(wěn)輸送由起重機操作員精確的負(fù)載定位是不容易的。此外，快速運輸?shù)呢?fù)荷，但沒有擺動是一個更加困難的目標(biāo)。因此，只有起重機操作員的反饋是不足以控制的運輸過程中的起重機。
起重機控制的目的是將負(fù)載轉(zhuǎn)移到盡可能快的目標(biāo)；同時，盡量減少在運輸過程中的擺動和停止臺車正是在目的地。然而，加速的起重機總是伴隨著非線性負(fù)載的擺動，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的有效控制。有些物品起重機控制存在的問題探討系統(tǒng)。在這些研究中，Guarnieri和特羅格[ 1 ]用最少的時間控制，以最大限度地減少負(fù)載擺動。模型，以評估一個最佳的速度或路徑參考，最小化的負(fù)載擺動[ 3，7 ]。然而,由于負(fù)載擺動取決于小車的運動和加速度，最大限度地減少周期時間和負(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系統(tǒng)的性能[ 8，10 ]。此外，Karakorum和ribbing [ 11 ]還開發(fā)了建模和基于能量的起重機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，它們花了太多時間來轉(zhuǎn)移負(fù)荷平穩(wěn)在交通運輸開始時劇烈搖晃。此外，吉田和川邊[ 12 ]提出了實時飽和起重機控制策略。松尾等人。[ 13 ]使用PID？基于Q-控制器防搖起重機。高木和Mishmash [14]開發(fā)了一個集中控制系統(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的擺動。這些研究主要集中在空載擺動的抑制了控制，但在起重機的結(jié)束并沒有解決位置誤差的問題運動[15]?；谝恍┠：姆椒╗15-19]也提出了控制起重機。不幸的是，這樣的模糊控制器不能提供對所需性能起重機系統(tǒng)中，由于不確定性和大擾動模糊系統(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起重機控制的目標(biāo)，包括快速移動起重機，負(fù)載的抗搖擺，和控制器的設(shè)計簡潔程序。一種使用PID控制器來驅(qū)動起重機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設(shè)計模糊控制器。擬議的條款還提供補償算法來克服控制死區(qū)的問題，提高了性能。一縮放起重機模式，以2米長，2米寬，2米高，用于說明該方法的有效性。這個方法不使用起重機的復(fù)雜植物模型設(shè)計了吊車的控制器，但兩者的定位和晃動的問題是可以解決的。
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控制系統(tǒng)的補償算法。在第四部分幾個實驗結(jié)果呈現(xiàn)給說明了該方法的優(yōu)點。
2 起重機控制器設(shè)計
起重機控制器設(shè)計的物理裝置三維起重機系統(tǒng)組成電車和軟線負(fù)載的關(guān)系,如所示圖1所示。兩個直流電機驅(qū)動電車沿著X軸和y軸和四個12位編碼器(兩個為傳感X - y位置電車和其他兩個旋角測量的負(fù)載在3 d空間)應(yīng)用于測量相關(guān)參數(shù)。負(fù)載的擺動圖3 d圖2所示。一般來說,小車的運動將陪同的負(fù)載。當(dāng)電車,向后旋角可以預(yù)期,反之亦然。那,相應(yīng)的擺動的方向是相反的嗎小車運動;與此同時,小車的加速度也會造成額外的負(fù)載。因此,轉(zhuǎn)移順利快速的負(fù)載,并不容易。同時由于起重機控制的目標(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%運輸,然后切換到模糊的投影方法來抑制負(fù)載擺動。塊圖模糊的起重機控制系統(tǒng)圖3所示。
如圖4所示。為了實現(xiàn)對目標(biāo)的控制，快速旅行期間，停止精確和平穩(wěn)地在末端擺動，小車應(yīng)該被驅(qū)動有以下標(biāo)準(zhǔn)。首先，小車應(yīng)該是沿著電子的方向，到達目的地盡可能快。其次，小車應(yīng)沿消除擺動角度的方向。然而,電子和你的方向可能不一樣，和駕駛小車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的方向E、X軸和Y軸雙電機作為驅(qū)動起重機。一個使用E是模糊的先行因素控制器得到模糊控制X軸電機，和其他適用的EY和/ Y導(dǎo)出控制Y軸電機。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]。作者用輸出信號控制X軸和y軸的馬達。因為到達目的地的因素和消除搖擺都考慮設(shè)計fuzzy-based起重機控制器,投影方法保證是抑制同時擺動起重機驅(qū)動沿方向到達目的地。它比通常的fuzzy-based驅(qū)動方法起重機抑制來回?fù)u擺。順便說下,實現(xiàn)快速和平穩(wěn)過渡負(fù)載,驅(qū)動電車沿著方向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,的目的起重機控制最小化E和u。然而,有一個電車和負(fù)載之間的軟線?？刂葡鼸 u并不是在同一表面上,和權(quán)力沒有必要將完全從電車負(fù)載。因此,一些非線性屬性將展覽。此外,通過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)計起重機控制器。這是作者選擇的主要原因fuzzy-based控制器
3 死區(qū)補償方法
小車起重機是一種重型機械系統(tǒng)，由直流電動機。如果控制輸入電壓很小，直流電動機不能驅(qū)動小車吊機非線性摩擦，造成控制死區(qū)和降低性能。圖6顯示了死區(qū)的本文中的實際規(guī)模的起重機控制系統(tǒng)?？梢园l(fā)現(xiàn)，X軸和Y軸電機都表現(xiàn)出死區(qū)效應(yīng)。當(dāng)驅(qū)動力的絕對值小于0.24為Y軸電機和0.1電機、小車可以阻止由于死區(qū)，降低性能。為了避免這些情況，
建議系統(tǒng)采用補償算法 補償電動機的驅(qū)動力。當(dāng)對目標(biāo)的距離足夠遠(yuǎn)，模糊控制器教派解決。 將生成足夠動力來驅(qū)動電車。然而，當(dāng)小車接近目的地的功率會逐漸減小。當(dāng)衍生模糊功率太小時，手推車 目的地之前可以停止由于控制盲區(qū)。在這種情況下，基于模糊補償算法將激活累積的控制力量駕駛起重機從盲區(qū)出發(fā)。塊用補償算法沿圖示 在圖7.設(shè)計程序被描述為 如下。步驟1在補償模糊控制器，所述絕對 DE的值被用來為先行詞，而額外 電力來驅(qū)動起重機。
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)動小車起重機。然而，功率將減少 當(dāng)小車接近目的地。速度因此放緩。如果的變化小車位置| DE |小于，則手推車起重機對于盲區(qū)會逐漸停止。補償方法激活這個時候提供額外的動力。增加控制這有助于在目的地前的起重機停下來。補償原理示于以下方程組
靈活的電線與負(fù)載相連。因此，該起重機系統(tǒng)的非線性，因此增加檢驗補償控制算法的能力。作者設(shè)置了起重機控制的停止準(zhǔn)則系統(tǒng)具有以下資格：距離目標(biāo)是小于0.001米，同時，擺動角度負(fù)載小于0.5。而起重機可以停止由于控制死區(qū)補償算法，將激活提供額外的力量，直到停止。
4 實驗結(jié)果
一個規(guī)模起重機模型是建立在實驗室中證明了該方法的有效性。兩個DC施加于X軸和Y軸馬達來驅(qū)動的開銷起重機系統(tǒng)。 4個12位編碼器發(fā)送的信息本位置（包括X和Yates的坐標(biāo)）小車和負(fù)載，HXZ的擺動角度和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）。在實驗中相應(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的實驗結(jié)果控制器。圖9a示出的剩余距離目標(biāo)和圖9b顯示擺動角度HXZ和HYZ。一可以發(fā)現(xiàn)，小車驅(qū)動快，但有嚴(yán)重的擺動。手推車的最終位置是（1.47156米，1.50002米）和剩余的擺動幅度為約12對于HXZ和代替shy。只用了8秒到達目標(biāo)，但揮桿無法克制好。
圖10a-b顯示用的實驗結(jié)果提出的方法。人們可以發(fā)現(xiàn)，車花了約5秒到目的地;在此同時，回轉(zhuǎn)角度投影法的表現(xiàn)非常出色。該剩下的擺動幅度是0.09對于HXZ和0.02，但是，它是困難的小車在目標(biāo)精確地停止;手推車的最終位置是（1.48274米，1.49956米）。因此，對穩(wěn)態(tài)誤差小車是X軸和Y軸28.44和0.02毫米，分別。這個問題是由的摩擦引起的X軸和Y軸軌道小車。因此，如果手推車是非常接近目標(biāo)，模糊控制器將提供小功率要達到的目標(biāo)。當(dāng)電源不足以克服所述控制死區(qū)，該手推車將停止在錯誤的地方，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電機的盲區(qū)問題比Y型電機嚴(yán)重。
圖11 a - b,提出了補償方法應(yīng)用于投影控制。的主要區(qū)別無花果。10和11之間的位置誤差電車。人們可以發(fā)現(xiàn)swing也克制在7或8秒;與此同時,精確電車停了下來在補償算法后的目標(biāo)是激活。電車的最終位置(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
一套兩個索引比較實驗結(jié)果,位置指數(shù)其中T是最后的時間控制。對比提出的方法描述了圖12 a和b。可以極大地提高發(fā)現(xiàn)死區(qū)補償3 d橋式吊車系統(tǒng)的控制性能。然而,通常用于橋式吊車系統(tǒng)在戶外。突然碰撞等干擾可能影響的負(fù)載控制性能。
在過去實驗中，作者使用的額外的驅(qū)動力，-0.5，作為負(fù)載突然碰撞。這種碰撞持續(xù)半秒后小車驅(qū)動20?s,圖?13a — — b?所示的實驗結(jié)果。一個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)動小車很快就抑制擺角。與其他研究中所示的另一個實際的三維起重機控制系統(tǒng)相比，該方法節(jié)省旅行時間和提供簡單技術(shù)抑制負(fù)載擺動和很好位置錯誤。此外，提出基于模糊控制器不需要開小車來回要控制搖擺，這樣也可以減少負(fù)載的損害的機會。應(yīng)用設(shè)計控制器的信息也有助于簡化了控制器的設(shè)計。評論有一些參數(shù)應(yīng)來決定提出的設(shè)計。
大多數(shù)的常數(shù)，在這篇文章，如通過?Mat-lab?仿真下得到?PID?參數(shù)，同樣停止準(zhǔn)則和安全約束[10]?起重機的數(shù)學(xué)模型。開關(guān)條件和停止條件決定速度運輸。這兩個參數(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態(tài)范圍。但是，我們注重起重機控制附近的目標(biāo)。這就是為什么隸屬度函數(shù)相近，接近于零。
5 結(jié)論
提出了一種簡單而有效的方法來控制三維起重機系統(tǒng)。這種方法是基于位置誤差和偏轉(zhuǎn)角設(shè)計起重機的投影控制器。沒有復(fù)雜的動力學(xué)方程起重機必須考慮在控制器設(shè)計。作者還設(shè)計了一種補償死區(qū)補償算法,提高性能。實驗結(jié)果表明,提出的方法可以大大抑制搖擺不暴露業(yè)績快速移動;
致 謝
這項工作是由下格蘭特NSC-94-2213-E-民國中國的國家科學(xué)委員會支持
231-020。
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