引用本文

曹海昕, 郝运嵩, 林静正, 卢彪, 方勇纯. 绳长时变情况下轮胎式集装箱起重机非线性防摆控制算法. 自动化学报, 2021, 47(8): 1876−1884 doi: 10.16383/j.aas.c200859

Cao Hai-Xin, Hao Yun-Song, Lin Jing-Zheng, Lu Biao, Fang Yong-Chun. Nonlinear anti-swing control for rubber tyre container gantry crane with rope length variation. Acta Automatica Sinica, 2021, 47(8): 1876−1884 doi: 10.16383/j.aas.c200859

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c200859

关键词

欠驱动系统，集装箱门式起重机， 摆动抑制， 非线性控制

摘要

四绳轮胎式集装箱起重机由于自身的动力学特性较为复杂, 目前仍缺乏稳定高效的控制手段. 为解决港口起重机作业过程中台车定位精准度低、负载易受干扰摆幅大的问题, 文章设计了一种面向工业场景的非线性反馈控制器. 首先在未进行近似处理的前提下对起重机吊具摆动情况进行了建模分析. 在此基础上, 通过在控制器中引入摆幅反馈信息, 实现了绳长时变情况下台车的精确定位与负载摆幅的有效抑制, 为集装箱的运送路径增加了更多选择. 随后基于Lyapunov方法对控制器进行了稳定性分析. 所设计的控制方案在港口实际设备上进行了验证, 在定位精度与消摆性能上相较于人工操作取得了很大提升.

文章导读

集装箱起重机是一种常见的工业设备, 在世界各港口的生产运输中发挥着重要作用. 长期以来, 集装箱起重机主要由驾驶员凭借操作经验进行控制, 作业过程中负载往往存在着较大幅度的摆动, 不仅影响生产效率, 还存在一定的安全隐患. 对于港口常见的四绳轮胎式集装箱起重机 (以下简称为四绳起重机) 而言, 造成负载摆动的主要因素如下: 首先起重机自身的欠驱动特性导致对于负载摆动缺乏直接的控制手段, 特殊的四绳吊具结构也使负载摆动情况更加复杂; 其次, 在运送数十吨的集装箱时, 轮胎式集装箱起重机的胎压会出现较大变化, 导致桥架的倾斜晃动与负载的摆动; 除此之外, 港口恶劣的大风天气也会干扰负载的平稳运送. 近年来, 建设智能化、无人化码头已成为业界的发展趋势, 但是作为港口自动化改造的重点之一, 四绳起重机由于前文中提到的各种问题, 在工业应用中尚缺乏高效的控制策略, 对其进行定位与防摆算法的研究具有很强的实际意义.

对于门式起重机控制方案的研究, 国内外学者已经基于最优控制[1-4]、滑模控制[5-6]、鲁棒控制[7-8]、模糊控制[9]、预测控制[10-11]等理论提出了多种控制方法[12-14]. 具体来说, 文献[8]通过引入基于台车定位误差的滑模面, 设计了一种有限时间跟踪的鲁棒控制器, 降低了对参数变化的敏感性, 在负载质量不确定的情况下实现了台车的准确定位与负载摆幅的有效抑制, 但该文尚未考虑到绳长变化带来的影响; Smoczek等[11]提出了一种基于多变量模型预测控制和粒子群优化算法的新型优化算法, 可以较好地消除负载的瞬时摆动与残余摆动, 并在实验室环境下验证了其可行性, 但是模型部分较为复杂, 部分参数需要在线估计, 实时性与稳定性可能难以满足工业场景的要求; 文献[15]基于起重机动态特性与输入整形技术设计的控制方法在吊绳长度变化较大的情况下实现了对负载摆动的有效抑制, 但应对外界强干扰的能力不强, 更适合于室内等相对稳定的作业环境.

以上算法大都是针对传统单绳起重机进行控制, 对于集装箱起重机而言, 由于负载体积较大, 常常需要四组以上的吊绳来确保吊运过程中的稳定与安全. 此时负载已不再适合用质点来进行描述, 摆动特性也变得更加复杂, 对其进行分析与控制的难度大大增加. 很长一段时间内, 研究人员都是通过线性化或近似处理的方式来对其进行分析. 文献[3]提出一种基于控制向量参数化方法的时间最优控制问题快速求解算法, 采用光滑化代价函数路径约束处理方法降低了起重机模型求解难度, 并进行了仿真测试; 文献[16-18]中通过将负载近似处理为质点的方式, 将集装箱起重机简化为单绳起重机, 在此基础上再通过自适应控制、滑模控制等方法来进行控制器的设计. 这样做虽然简化了后续分析, 但在实际情况下, 一旦简化的假设条件不再成立, 控制系统的表现将会受到极大影响. 为了提高模型精度, 达到更好的控制效果, Lu等[19]提出了一种基于拉格朗日方程的建模方法, 在未做简化处理的情况下为四绳起重机建立了精确模型. 在此基础上, Lu等将更多的负载摆动信息引入非线性控制器的设计, 在模拟的集装箱起重机平台上完成了实验验证并取得了良好的控制效果[20]. 但是在实际作业中, 常常是台车位置与吊绳长度同时变化, 文献[19-20]在建模分析中将绳长考虑为定值, 系统只存在两个自由度 (台车位置与负载摆角), 不能完整反映出实际系统各状态间的耦合关系, 同时文献[20]所进行的各项实验都是在吊绳长度不变的前提下进行, 这样限制了负载的吊运路径, 不利于作业效率的提高.

为了解决上述问题, 本文在文献[19-20]的研究基础上, 对四绳吊具摆动情况进行拓展分析, 将绳长作为变量引入系统的动力学模型中, 设计了一种非线性反馈控制器, 该控制器具有如下优点: 首先, 控制器的结构相对简单, 对反馈信息与计算资源的要求不高, 这样保证了控制系统的实时性; 其次, 控制器中引入绳长变量使得负载可以在水平与竖直两个维度上同时运动, 相较于传统的“门型” 运动方式 (只能在一个维度动作), 不但运送路径可选择性更多, 效率也将得到极大提升; 另外, 不同于大多数在实验室或仿真环境下运行的算法, 本文的控制方案最终在港口的实际起重机平台上进行了验证, 运送效率相比于熟练工人的操作有了较大程度的提升, 为理论与实践的结合提供了有力支撑.

本文的其他部分组织如下: 第1节对绳长变化情况下四绳起重机吊具的摆动情况进行了建模分析并对其控制问题进行了描述; 第2节基于改造后的系统能量函数设计了一种非线性反馈控制器; 第3节通过Lyapunov方法对控制器进行了稳定性分析; 第4节展示了控制方案在港口实际设备上与熟练工人操作的对比结果; 第5节则对所做工作进行了总结与展望.

图 1  四绳起重机吊具摆动模型

图 2  四绳轮胎式集装箱起重机

图 3  控制架构

为了解决四绳起重机运送过程中摆幅较大的问题, 提高港口装卸集装箱的作业效率, 文章在多绳起重机模型分析的基础上, 将绳长作为变量引入到控制算法的设计当中, 根据起重机动力学特性设计了一种非线性控制器, 可以在确保台车、吊绳精准到位的情况下大幅抑制集装箱的摆动, 并基于Lyapunov方法证明了其在期望平衡点处的渐近稳定性. 最终, 在港口的实际起重机设备上进行了实验验证, 在精准性、安全性、作业效率等方面相较人工操作都有了很大程度的提升. 未来会增加视觉检测、轨迹规划等功能来完善控制算法, 实现集装箱从检测到移动的完整作业流程, 为建设自动化港口提供一些新的方案.

作者简介

曹海昕

南开大学人工智能学院机器人与信息自动化研究所硕士研究生. 主要研究方向为欠驱动系统控制. E-mail: c_haixin@mail.nankai.edu.cn

郝运嵩

南开大学人工智能学院机器人与信息自动化研究所硕士研究生. 主要研究方向为欠驱动系统的非线性控制. E-mail: haoysnk@hotmail.com

林静正

南开大学人工智能学院机器人与信息自动化研究所博士研究生. 主要研究方向为欠驱动系统控制. E-mail: ljz970129@ mail.nankai.edu.cn

卢彪

南开大学人工智能学院机器人与信息自动化研究所讲师. 主要研究方向为欠驱动系统非线性控制. E-mail: lubiao@mail.nankai.edu.cn

方勇纯

南开大学人工智能学院机器人与信息自动化研究所教授. 主要研究方向为非线性控制, 机器人视觉伺服控制, 欠驱动系统控制和基于原子力显微镜的纳米系统. 本文通信作者. E-mail: fangyc@nankai.edu.cn