Метод адаптивного управления мостовым краном с прямым отслеживанием перемещения груза

Предлагается метод автоматического управления мостовым краном, нацеленный на непосредственное отслеживание горизонтального перемещения груза на заданной высоте в назначенную точку в условиях текущей априорной неопределенности параметров груза и внешних возмущений. К последним относятся воздействия ветра, изменения трения перемещения тележки крана и др. Рассматриваемый в статье подход заменяет решение двух традиционных задач: отслеживание перемещения тележки крана в заданную точку и демпфирование угловых колебаний груза. Кроме того, предлагаемый метод управления основан на схеме адаптивного управления, включающей идентификатор, неявную эталонную модель и использование "упрощенных" условий адаптируемости. Последние сводятся лишь к требованию сходимости невязки идентификации при функционировании алгоритма текущей идентификации и к выбору в определенном диапазоне постоянной оценки коэффициента при управлении. Эта оценка выбирается достаточно большой по модулю, чтобы обеспечить наибольший запас устойчивости замкнутой системы управления по амплитуде с обеспечением требуемого качества управления. Для текущей параметрической идентификации предлагается использовать рекуррентный метод наименьших квадратов с фактором забывания. Эталонная модель назначается в виде колебательного звена с собственной частотой, не превышающей таковую для объекта управления с неподвижным основанием и находящейся в экспериментально установленном диапазоне. Для уточнения собственной частоты эталона требуется оценка длины подвеса груза с точностью не хуже 30 %. Предложен простейший алгоритм для получения такой оценки. Он основан на средней скорости вертикального перемещения груза, которая, как правило, приблизительно известна. Приведены результаты компьютерных исследований эффективности предлагаемой адаптивной системы управления на основе параметров разработанной экспериментальной установки мостового крана с учетом характеристик типовых датчиков информации и приводов. Данный подход показал высокую эффективность в широком диапазоне вариантов груза и возмущений. Он может являться основой для создания реальных систем управления кранами любых типов, работающих с подвешенным грузом.

1. Антипов А. С., Краснова С. А. Система стабилизации положения тележки крана с использованием сигмоидальной функции // Мехатроника, автоматизация, управление. 2019. Т. 20, № 10. С. 609—614.

2. Толочко О. И., Бажутин Д. В. Гашение колебаний перемещаемых мостовыми кранами грузов при переменной длине каната // Завалишинские чтения. Санкт-Петербург. 2016. С. 250—255.

3. Щербаков В. С., Корытов М. С., Шершнева Е. О. Активный способ гашения колебаний груза после остановки мостового крана // Мехатроника, автоматизация, управление. 2016. Т. 17, № 6. С. 368—374.

4. Le Tuan Anh, Gook-Hwan Kim, Min Young Kim, SoonGeul Lee. Partial Feedback Linearization Control of Overhead Cranes with Varying Cable Lengths // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2012. Vol. 13, N. 4. P. 501—507.

5. Черноусько Ф. Л., Ананьевский И. М., Решмин С. А. Методы управления нелинейными механическими системами. М.: Физматлит, 2006. 328 с.

6. Мещеряков В. Н., Колмыков В. В. Способы определение параметров грузов, перемещаемых мостовыми кранами с системой автоматического успокоения колебаний // Фундаментальные исследования. 2015. № 7. С. 79—84.

7. Инструкция по эксплуатации DRIVEPAC Anti-Sway Control for Cranes for T400 Technology Module in SIMOVERT MASTER DRIVES 6SE70/71 and SIMOREG DC-MASTER 6RA70. Siemens AG. 2002. 363 c.

8. Петренко Ю. Н., Алави С. Э., Александровский С. В. Исследование работы крана с контроллером нечеткой логики на основе трехмерной имитационной модели // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2011. № 3. С. 20—25.

9. Ухоботов В. И., Величко В. С. Стабилизация математического маятника с основанием на колесе с помощью нечеткого алгоритма управления // Вестник ЮУрГУ. 2014. Т. 14, № 2. С. 18—23.

10. Orbisaglia M., Orlando G., Longhi S. A comparative analysis of sliding mode controllers for overhead cranes // 16th Mediterranean Conference on Control and Automation Congress Centre. Ajaccio. France. 2008. P. 670—675.

11. Ngo Q. H., Nguyen N. P., Nguyen C. N., Tran T. H., Hong K. S. Fuzzy sliding mode control of container cranes // International Journal of Control, Automation and Systems. 2015. Vol. 13, N. 2. P. 419—425.

12. Chen Z. M., Meng W. J., Zhang J. G. Intelligent antiswing control for bridge crane // Journal of Central South University. 2012. Vol. 19, N. 10. P. 2774—2781.

13. Ma B., Fang Y., Zhang X. Adaptive tracking control for an overhead crane system // Proceedings of the 17th World Congress The International Federation of Automatic Control Seoul, Korea. 2008. P. 12194—12199.

14. Fang Y., Ma B., Wang P., Zhang X. A Motion planningbased adaptive control method for an underactuated crane system // IEEE Transactions on control systems technology. 2012. Vol. 20, N. 1. P. 241—248.

15. N. Sun, Y. Fang, H. Chen. Adaptive antiswing control for cranes in the presence of rail length constraints and uncertainties // Nonlinear Dyn. 81. 2015. P. 41—51.

16. Boustany F., d’Andrea-Novel B. Adaptive Control of an Overhead Crane using Dynamic Feedback Linearization and Estimation Design. Centre Automatique et Systemes, Ecole des Mines de Paris. 1992. P. 1963—1968.

17. Круглов С. П., Ковыршин С. В., Ведерников И. Е. Адаптивное управление перемещением груза мостовым краном с идентификационным алгоритмом // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2017. № 4. С. 114—122.

18. Круглов С. П. Условия адаптируемости систем управления с идентификатором и эталоном. Монография: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, Saarbucken, Deutschland. 2012. 125 c.

19. Первозванский А. А. Курс теории автоматического управления. Учеб. пособие для вузов. Лань, Санкт-Петербург, 2015. 624 с.

20. Льюнг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя: Пер. с англ. / Под ред. Я. З. Цыпкина. М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит. 1991. 432 с.

21. Круглов С. П. Сходимость невязки идентификации в системе управления с параметрической адаптацией // "Информационные технологии и математическое моделирование в управлении сложными системами": электрон. науч. журн. 2019. № 1. С. 27—40. URL: http://ismm-irgups.ru/toma/12-2019, свободный (дата обращения: 18.02.2020).

22. Сивухин Д. В. Общий курс физики. М.: Наука, Механика. 1979. Т. 1. 520 с.

23. Аксаментов Д. Н., Круглов С. П., Ковыршин С. В. Установка по исследованию алгоритмов успокоения колебаний груза мостового крана // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. 2019. Т. 2. С. 288—292.

24. MPU-6000/MPU-6050 Product Specification. InvenSense, 2013. 54 p. URL: http://www.invensense.com.