文 献 综 述
一．研究背景与意义
在工业环境中，起重机是应用最广泛的设备之一，其主要用于快速准确地进行长距离重物运输。起重机按结构形式主要可分为桥架型、臂架型和缆索型等，其中桥架型起重机又可分为桥式起重机、半门式起重机和门式起重机[1]。塔吊是建筑工地上最常用的一种起重设备又名“塔式起重机”。塔式起重机占地面积小，工作效率高且安装运输方便，是现代化各类工业和建筑业的主要生产作业设备。它包括一个带有旋转臂杆的塔，一辆沿着臂杆移动的小车以及通过线缆连接到小车的物料，通过小车沿臂杆径向移动、臂杆在水平面内旋转以及线缆的升降三种运动方式对物料进行定位，从而使物料可以到达在工作空间中的任何一点。
随着建筑业的发展，塔式起重机作为建筑施工的重要象征与主要运输机械，在建筑业得到了广泛应用。塔机的主要工作是根据建筑需要在工作空间内对物料进行升降和搬运，属于危险作业。塔吊在作业过程中，物料会因为小车的加、减速以及实际的环境中各种不确定因素如风力等的影响而摆动，引起不期望的振荡。物料的摆动不仅影响工作效率，导致小车无法精确定位，而且在升降过程中物料可能会与其他设备发生剐蹭，增加了物料跌落和发生碰撞的风险，造成不必要的损失和安全事故。因此，要研究一种将物料快速而平稳的从初始位置运送到期望位置的方法具有十分重要的工程应用价值。
塔式起重机的动力学特性是欠驱动的、复杂的、高度非线性的，并且具有很强的状态耦合性，这些因素使得控制器的设计和稳定性分析具有一定的挑战性，尤其是在不将平衡点附近的非线性动力学线性化或忽略某些高度非线性项的情况下。与桥式塔吊相比(只涉及平移运动)塔吊还涉及旋转运动，旋转运动产生复杂的离心力和惯性力(惯性力方向总是变化的)。因此，塔式起重机系统具有比桥式起重机系统更为复杂的动力学特性，这使得实现塔式起重机的快速准确定位的同时消除摆幅的控制目标更加困难且具有挑战性[2]。
- 研究现状
塔吊系统在众多重载运输行业中有着广泛的应用，众多学者针对起重机系统提出了许多不同的控制策略。国外学者对于起重机的物料防摆控制问题研究较早，早在70年代，国外学者己经开始提出此类问题。国内对于起重机的定位防摆控制研究起步较晚，而且大部分只是进行仿真研究，并没有在具体的实验设备上进行算法验证。在过去的几十年里，许多研究人员把他们研究重点多放在了处理桥式、门式起重机系统的控制问题上，塔式起重机的研究尚处于起步阶段。
起重机防摆控制是为了达到将物料准确、快速地运送到期望点的同时保证物料摆动角最小化地目的，研究人员针对起重机系统提出了不同的控制方法，可以将其大致分为两类，即开环控制和闭环反馈控制。
开环控制方法无需状态反馈，更易于实现，应用广泛。文献[3]提出了一种基于双摆快速起重机的三级开环控制方法,利用双摆运动方程、两种相关的加减速方法，分加速法、恒速法和分段减速法三级来降低物料摆角和振动频率。文献[4]在三段式加速度的基础上引入加速度平滑过渡环节，设计消摆函数且保证定位性能，构建在线定位消摆轨迹，实现桥式起重机在线规划台车定位与物料消摆的运行轨迹。文献[5]提出了一种变绳长二维起重机系统的轨迹跟踪和载荷摆振衰减方法，设计了一组函数，将起重机的平移运动坐标与对应的摆动角度坐标相结合，基于s曲线的弹道设计阶段实现了该控制器。文献[6]利用高斯伪谱法对双摆桥式起重机的进行控制，综合考虑小车加速度与速度、起升系统加速度与速度等一系列约束条件，基于最优控制理论得到了双摆桥式起重机基于时间的最优控制模型，得到更易求解的双摆桥式起重机基于时间最优控制的高斯伪谱形式——非线性轨迹规划问题。
针对桥式吊车所设计的轨迹规划方法中，输入整形技术是最为常见的方法，也是消除物料摆动最有效的方法之一。输入整形技术是基于线性系统理论的一种控制方法，需要将吊车系统的非线性动态模型进行线性化处理，然后进行输入整形器的设计。输入整形是向系统中刻意引入时滞环节，通过一系列不同幅值和时滞时间的脉冲序列与系统的输入变量进行卷积，并用卷积产生的整形命令驱动控制系统来达到抑制或消除控制对象振动的目的，输入整形可以抵消掉输入变量中能够引起系统振动的自然频率部分，从而有效地避免了控制对象的振动模态[7]的产生。如果在建模频率处使振动为零，则得到的整形器称为零振动(ZV)整形器。若将振动对频率的导数可以在模型频率处强制为零，由此产生的一系列脉冲称为零振动和导数(ZVD)整形器[8]。文献[9]将输入整形应用于回转式起重机的防摆控制上，设计了回转式起重机防摆输入整形器。文献[10]由开环输入整形器控制位置和摇摆角（摇摆角由径向摇摆角和切向摇摆角组成），并设计了反动力学控制器（包括输入整形控制器中忽略的载荷质量、小车质量和吊臂惯量等参数），与开环输入整形器相比，反动力学控制器具有更好的控制效果和更高的减振效果。文献[11]提出了一种基于零极点消除技术的自适应输入整形方法来抑制起重机系统的物料摆动。在该方法中，选择了一个参考系统，并提出了自适应整形器，以迫使实际系统随着线缆长度的增加或减少而适应固有频率和阻尼比的变化。
然而，当存在不确定性或状态变量由于意外的外来干扰而偏离预定的参考参数时，开环控制方法的性能将受到影响。为了克服这些不利因素，一些学者采用了闭环反馈控制方法。
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