基于输入整形策略的船上回转吊车防摆控制

为了解决船上吊车的防摆问题,实现负载快速准确的定位,建立了系统的空间三维数学模型,提出了基于输入整形的前馈开环消摆控制策略。对定摆长条件下系统控制输入设计了ZVD(Zero Vibration and Derivative)输入整形器;基于输入整形器灵敏度曲线,利用矢量求和的方法设计了对称3峰的EI(Extra Insensitive)输入整形器,解决了在绳长变化时吊车系统防摆的控制问题;指出了输入整形对海浪影响的抑制作用。仿真结果验证了输入整形对于船上吊车防摆控制的有效性。     

负脉冲鲁棒输入整形器的频域设计方法

研究机械定位优化系统,传统的输入整形器主要在时域中研究,并利用数字优化方法,实现闭环稳定性控制,但设计过程复杂.针对上述问题,提出采用频域的零点配置方法通过在系统极点附近配置多个整形器零点来设计,采用多峰输入整形器以及含有负脉冲的多峰鲁棒输入整形器,并同时通过负脉冲整形器的性能分析,给出了满足执行器约束的负脉冲幅值约束条件,在桥式起重机防摆控制中的应用证明了设计方法有效.和经典的梯形防摆方法相比,用多峰输入整形器能更有效地抑制负载的残留振荡,同时对绳长变化具有更好的鲁棒性,同时设计的负脉冲鲁棒整形器可以减小系统的上升时间,增加控制的稳定性,提高系统的定位精度和效率.     

伺服驱动中末端抖动的抑制

伺服系统在驱动柔性负载定位时,末端的残留振荡严重影响定位精度与效率。在伺服中应用输入整形器实现对末端抖动的抑制。首先对柔性负载建模,将其等效为二质量系统。然后分析几种整形器原理及优缺点,提出ZVD整形器与最优整形器结合的方法,在高频振荡时使用ZVD整形器获取较好的抑振效果,在低频振荡时使用最优整形器减小整形器时滞。最后,通过MATLAB仿真验证了算法的有效性,并在瑞萨RX62T平台中实现,实验验证了算法在抑制末端抖动方面具有显著的效果。     

基于摆角约束的双摆吊车轨迹规划

桥式吊车作为一种典型的欠驱动系统,已经在现代工业生产运输过程中得到了广泛的应用。但当吊车系统中的负载体积过大或吊钩质量较大时,桥式吊车系统会呈现双摆特性,增加控制难度。针对这一问题,提出了一种基于摆角约束的双摆桥式吊车轨迹规划策略,以更方便地考虑摆角约束。首先,设计能够满足摆角约束的摆角运动曲线,并由台车运动与两级摆角之间的耦合关系得出台车加速度轨迹;然后,构造关于时间和最大摆角的目标函数;最后,将轨迹规划问题转化成一个可利用粒子群算法来求解的优化问题。MATLAB仿真对比结果表明,该方法在实现台车快速精准定位的同时,能有效抑制两级摆动及残余摆动,在系统参数改变时仍具有较好的鲁棒性,可尝试应用于实际工作中。     

欠驱动三维桥式吊车系统自适应跟踪控制器设计

针对三维桥式吊车系统的欠驱动特性, 设计了一种目标轨迹自适应跟踪控制器. 相比其他常规的三维桥式吊车控制器, 它不需要对吊车模型进行任何近似解耦或线性化处理, 并且考虑了系统所受的摩擦力与空气阻力等干扰. 在负载质量和吊绳绳长等发生变化或存在不确定因素的情况下, 它依然能实现对台车的精确定位与负载摆动的有效抑制. 对于闭环系统的稳定性, 文中通过Lyapunov方法和芭芭拉定理对其进行了理论分析, 随后的实验结果也表明了这种自适应跟踪控制器良好的控制性能和对不确定性因素的适应性.     

双桅杆式起重机的时变输入整形控制方法

为了满足实际生产需求, 在工业中常使用两台或者多台起重机协作完成大型运输任务. 双桅杆式起重机负载能力强, 工作姿态灵活, 在大型建筑工地上得到了广泛应用. 然而, 现有控制方法大多针对动力学特性相对简单的双桥式起重机, 而对耦合性更强、动力学特性更复杂的双桅杆式起重机关注不足. 为解决此类系统的控制难题,本文通过分析系统的几何约束与动力学模型, 得到状态变量及其高阶导数之间的关系, 从而实现双桅杆式起重机非线性动力学模型的合理变换. 随后, 本文准确分析了吊臂俯仰角与负载姿态角之间的关系, 通过计算得到双桅杆式起重机的时变振荡周期, 设计了一种极不灵敏型输入整形器. 最后, 实验结果验证了所提时变输入整形控制方法能够实现起重机的准确定位及良好的消摆效果     

欠驱动桥式吊车系统自适应控制

针对桥式吊车这类非线性欠驱动系统, 提出了一种基于耗散理论的自适应控制器. 它能够有效地抑制运输过程中负载的摆动, 并将其快速准确地运送到指定的位置. 相比其他吊车控制系统, 这种控制器无需准确测量台车和负载质量以及吊绳长度, 可以根据系统响应情况来对这些参数进行在线估计, 这将极大地方便控制器在实际吊车系统中的推广应用. 对于闭环系统的稳定性, 文中通过李雅普诺夫理论及拉塞尔不变性原理进行了证明, 仿真结果也证实了这种自适应控制器能够对吊车系统进行良好的控制.     

带有状态约束的双摆效应吊车轨迹规划

对于欠驱动吊车而言,已有方法大都将负载摆动视为单摆进行处理.然而当吊钩质量相比负载质量不可忽略或负载体积较大时,负载会绕吊钩产生第二级摆动,出现双摆效应,使系统的摆动特性更为复杂,欠驱动度更高,其控制更具挑战性;此外,现有方法均无法保证系统的暂态控制性能.针对这些问题,本文提出了一种基于轨迹规划的消摆定位控制方法.具体而言,本方法所规划的台车轨迹具有解析表达式,且充分考虑系统安全性(摆动幅值)及台车运动的物理约束;通过构造新颖的平坦输出信号,将施加在台车运动和两级摆动上的约束/指标转化为对平坦输出的约束,从而将轨迹规划转化为凸优化问题.该方法能够保证整个过程中系统两级摆动的角度、角速度,台车的速度、加速度、加加速度均保持在设定范围内.通过与已有方法进行仿真对比,可见本方法不仅简单易行,且在工作效率与摆动抑制方面均具有更为良好的控制性能.     

基于伪谱法的双摆吊车时间最优消摆轨迹规划策略

在工业生产过程中,桥式吊车系统经常会体现出双摆系统的特性,导致更多欠驱动状态量的出现,增大控制难度.基于此,论文提出了一种针对双摆桥式吊车系统的时间最优轨迹规划方法,可以得到全局时间最优且具有消摆能力的轨迹.具体而言,为方便地构造以时间为代价函数的优化问题,首先对系统运动学模型进行相应的变换;在此基础上,考虑包括两级摆角及台车速度和加速度上限值在内的多种约束,构造出相应的优化问题;然后,利用高斯伪谱法(Gauss-pseudospectral method, GPM)将该带约束的优化问题转化为更易于求解的非线性规划问题,且在转化过程中,可以非常方便地考虑轨迹约束.求解该非线性规划问题,即可得到时间最优的台车轨迹.不同于已有的大多数方法,该方法可获得全局时间最优的结果.最后,通过仿真与实验结果验证了这种时间最优轨迹规划方法具有满意的控制性能.     

一种直接基于摆角约束的欠驱动桥式吊车轨迹规划方法

针对非线性桥式吊车系统,本文提出了一种新颖的基于摆角约束的轨迹规划方法.为了提高运送过程的效率和安全性,论文设计了期望轨迹以实现如下优点: 1)使台车很快到达目标位置; 2)将负载摆角抑制到可接受的范围之内; 3)当负载在目标位置停止时无残余摆动.具体而言,所设计的轨迹由三个阶段构成,每一阶段均根据抗摆和零残余摆角的要求来构造摆角曲线,在此基础上,利用桥式吊车的非线性运动学方程分析得到台车轨迹.论文引入了一种优化机制对运送时间,最大摆角等指标进行折衷考虑.文中通过仿真和实验结果表明了所设计的直接基于摆角约束的轨迹规划方法的性能.     

高精度热电偶测温电路设计与分析

在工业现场影响热电偶测温精度的因素是多方面的,除热电偶本身误差外,主要是输入通道误差、冷端补偿误差和分度表非线性校正误差;围绕以上3个主要因素,设计了一种可应用于复杂工业环境的高精度热电偶温度测量电路,结合设计方案针对于前两种因素在深入分析误差内在机理基础上给出误差计算公式;针对非线性校正误差提出一种等精度最小二乘拟合校正算法,使用该算法可根据校正精度要求,将测温范围自动划分等精度区间与传统插值法相比,在不增加计算量的前提下大大提高了校正精度;提出的误差计算公式和非线性校正方法,对于高精度热电偶测温电路的设计具有适用性和重要的指导性,经实际应用验证设计方法满足了复杂工业环境下高精度的测温要求。     

Hybrid of simulated annealing and SVM for hydraulic valve characteristics prediction

Accurate prediction for the synthesis characteristics of hydraulic valve in industrial production plays an important role in decreasing the repair rate and the reject rate of the product. Recently, Support Vector Machine (SVM) as a highly effective mean of system modeling has been widely used for predicting. However, the important problem is how to choose the reasonable input parameters for SVM. In this paper, a hybrid prediction method (SA–SVM for short) is proposed by using simulated annealing (SA) and SVM to predict synthesis characteristics of the hydraulic valve, where SA is used to optimize the input parameters of SVM based prediction model. To validate the proposed prediction method, a specific hydraulic valve production is selected as a case study. The prediction results show that the proposed prediction method is applicable to forecast the synthesis characteristics of hydraulic valve and with higher accuracy. Comparing with Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) and Artificial Neural Networks (ANN) are also made.     

一种改进的前馈神经网络结构及其在复杂系统建模中的应用

针对包含多道加工工序、输入变量很多的复杂工业系统建模精度难以提高的问题,提出一种改进的前馈神经网络结构,输入变量不是由同一层输入,而是根据变量起作用的前后次序分别在网络的不同层输入,真实反映了大工业过程的各生产工序中的参数发生作用的时间顺序。同时由于输入变量在适当的时候输入网络,从而使网络的规模减小。该神经网络是处理高维问题,尤其是建立包含多道加工工序的大工业过程模型问题的强有力工具。将该神经网络用于热连轧产品质量建模,经过实测数据拟合与检验,仿真结果表明:提出的小波神经网络结构是可行的而且有很好的应用前景。     

An effective direct closed loop identification method for linear multivariable systems with colored noise

Multivariable control systems with colored noise widely exist in the most industrial fields, while the system identification under the closed loop conditions is needed in many cases. In view of the above two situations, it needs to find a convenient and effective method to solve the problem. Firstly, the design of the external input signals ensures the identifiability of closed loop system. Secondly, to make the direct method feasible for closed loop identification, the noise model selected is reasonably flexible and independently parameterized. On this basis, this paper proposes an improved method combining the direct closed loop identification approach with the iterative least squares parameter estimation algorithm, which can be an practical solution to the closed loop identification of multivariable systems with colored noise. The presented algorithm based hierarchical identification principle has a strong anti-jamming capability to effectively deal with colored noise existed in the system. Finally, the illustrative examples are given to demonstrate the effectiveness and accuracy of the proposed algorithm.     

A novel closed loop identification method and its application of multivariable system

Motivated by the fact that many classical identification methods cannot be directly used for closed loop control system for the excitation signal without the strict requirement, a novel identification method is proposed to simultaneously estimate model parameter and the structure. To improve the optimizing efficiency of the particle swarm, the global best particles are further optimized via a nonlinear stochastic search during the certain iteration of PSO and the novel method is denoted NPSO. On the basis, the frequency response estimation is introduced to provide a rough initial for the presented algorithm to improve the validity and accuracy. We simplify the complexity of the closed loop identification via the equivalent input and output. Simulation examples of SISO systems and MIMO systems are given to demonstrate the effectiveness and accuracy of the proposed algorithm.     

基于改进满意聚类的多模型建模方法

针对模糊聚类中普遍存在的聚类个数需要事先给定和收敛速度慢等问题,在原有聚类方法的基础上提出一种改进满意聚类算法。用该算法快速确定系统的模糊划分数目,进而用支持向量机算法建立每个聚类的子模型,将输入变量对各类别的隶属度作为权值,将多个子模型用加权方式组合。工业仿真实例验证了基于该方法的多模型建模方法的有效性、准确性和快速性。     

A controller enabling precise positioning and sway reduction in bridge and gantry cranes

Precise manipulation of payloads is difficult with cranes. Oscillation can be induced into the lightly damped system by motion of the bridge or trolley, or from environmental disturbances. To address both sources of oscillation, a combined feedback and input shaping controller is developed. The controller is comprised of three distinct modules. A feedback module detects and compensates for positioning error; a second feedback module detects and rejects disturbances; input shaping is used in a third module to mitigate motion-induced oscillation. An accurate model of vector drive and AC induction motors, typical to large cranes, was used jointly with a deconvolution analysis technique to incorporate the nonlinear dynamics of crane actuators into the control design. The controller is implemented on a 10-ton bridge crane at the Georgia Institute of Technology. The controller achieves good positioning accuracy and significant sway reduction.     

Fault tolerant control design using adaptive control allocation based on the pseudo inverse along the null space

Fault‐tolerant control systems are vital in many industrial systems. Actuator redundancy is employed in advanced control strategies to increase system maneuverability, flexibility, safety, and fault tolerability. Management of control signals among redundant actuators is the task of control allocation algorithms. Simplicity, accuracy and low computational cost are key issues in control allocation implementations. In this paper, an adaptive control allocation method based on the pseudo inverse along the null space of the control matrix (PAN) is introduced in order to adaptively tolerate actuator faults. The proposed method solves the control allocation problem with an exact solution and optimized l_∞ norm of the control signal. This method also handles input limitations and is computationally efficient. Simulation results are used to show the effectiveness of the proposed method. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于自适应方法的桥式吊车的防摇定位控制器的设计

针对一类欠驱动非线性桥式吊车,设计了一种自适应控制器,它不需要对吊车模型进行近似解耦或线性化处理,不需要事先知道桥吊的精确的数学模型的参数信息,在负载质量等参数发生变化的情况下,能够实现对桥吊小车的精确定位与负载摆动的有效抑制,文中同时对该方法的稳定性进行了理论分析.该控制方法具有结构简单,计算量小的特点.数值仿真结果证实了本控制方法的良好效果.