桥式吊车

在各类吊车中，桥式吊车最具代表性，应用也最为广泛。对于吊车系统而言，其所面临的最大问题在于台车运动及外界干扰(如风力等)引发的负载摆动，这不仅会降低整体的效率，影响负载在落吊过程中的精确放置操作，还可能引发碰撞而造成安全事故。在一些特殊的场合，如钢水包搬运，甚至期望能实现“无摆”运送，以防止高温钢水溢溅。

研究挑战

  • 欠驱动特性，即控制输入个数少于系统自由度个数。仅能操纵台车的水平运动和负载的升/落吊运动，而无法直接对负载的空间摆动施加控制。如何实现以“少”控“多”，是控制方法设计的最根本的需求。
  • 非线性、强耦合。吊车系统的各状态之间相互耦合，台车的水平运动及吊绳的伸缩会不可避免地引发负载的空间摆动。
  • 状态与控制约束。受制于物理约束，台车运行速度/加速度、摆角幅值、控制输入等必须保持在特定范围内。如何在状态与控制受限的情况下实现高性能控制，极具挑战。

研究成果

  • 提出了多种轨迹规划算法及非线性控制方法，大幅提高了桥式吊车系统的控制性能与工作效率
  • 搭建了3代实验样机平台，联合天津起重设备有限公司搭建了一台32吨级自动工业吊车
  • 在Automatica、IEEE Transactions上发表高水平学术论文10余篇。获2016年中国自动化学会优秀博士论文奖、2017年吴文俊人工智能自然科学一等奖、2017年天津市专利奖-金奖、2018年中国高校科技成果交易会“优秀项目展示奖”、2013年关肇直奖提名奖等奖励
  • 注重理论与实践相结合，在吊车控制应用方面，相比当前主流的闭环反馈控制方法，提出的基于相平面几何分析的轨迹规划控制技术(经国家起重运输机械质量监督检验中心检测)可使运送效率提高77%以上，在行程6米时，最大定位误差不超过5毫米，摆角不超过1度

实验视频

                                         

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代表性论文

  • N. Sun, et al., A new antiswing control method for underactuated cranes with unmodeled uncertainties: Theoretical design and hardware experiments, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015年. (SCI一区，中科院top)
  • N. Sun, et al., New energy analytical results for the regulation of underactuated overhead cranes: An end-effector motion-based approach, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012年. (SCI一区，中科院top)
  • N. Sun, et al., Adaptive nonlinear crane control with load hoisting/lowering and unknown parameters: Design and experiments, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2015年. (SCI二区，中科院top)
  • N. Sun, et al., Nonlinear tracking control of underactuated cranes with load transferring and lowering: Theory and experimentation, Automatica, 2014年. (SCI二区，中科院top)
  • N. Sun, et al., Energy coupling output feedback control of 4-DOF underactuated cranes with saturated inputs, Automatica, 2013年. (SCI二区，中科院top)
  • N. Sun, et al., A novel kinematic coupling-based trajectory planning method for overhead cranes, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2012年. (SCI二区，中科院top)
  • X. Zhang, Y. Fang, N. Sun, Minimum-time trajectory planning for underactuated overhead crane systems with state and control constraints, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014年. (SCI一区，中科院top)
  • H. Chen, Y. Fang, N. Sun, A swing constraint guaranteed MPC algorithm for underactuated overhead cranes, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2016年. (SCI二区，中科院top)
  • N. Sun, et al., A continuous robust antiswing tracking control scheme for underactuated crane systems with experimental verification, ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 2016年. (SCI四区)
  • Y. Wu, N. Sun, et al., Nonlinear time-optimal trajectory planning for varying-rope-length overhead cranes, Assembly Automation, 2018年. (SCI四区)
  • 孙宁, 等. 欠驱动三维桥式吊车系统自适应跟踪控制器设计. 自动化学报, 2010年

 

 专利成果

  • 孙宁，方勇纯，陈鹤，欠驱动吊车自适应消摆定位控制方法，中国发明专利，专利号：ZL201410649866.5，授权，授权日：2016.8.24
  • 方勇纯，孙宁，张一淳，基于轨迹在线规划的桥式吊车高效消摆控制方法，中国发明专利，专利号：ZL201210292959.8，授权，授权日：2014.5.7
  • 方勇纯，许鹏，孙宁，屈金山，基于远程遥操作的桥式吊车自动控制系统，中国发明专利，专利号: ZL201611158901.9，授权，授权日：2017.11.17
  • 方勇纯，陈鹤，孙宁，面向台车停车与负载消摆的桥式吊车紧急制动方法，中国发明专利，专利号：ZL201610159957.X，授权，授权日：2017.4.19
  • 方勇纯，卢彪，孙宁，基于滑模面的桥式吊车控制方法，中国发明专利，专利号： ZL201610705306.6，授权，授权日：2017.12.5
  • 方勇纯，苑英海，王鹏程，刘笑含，孙宁，基于立体视觉的吊车避障系统，中国发明专利，专利号：ZL201110052073.1，授权，授权日：2012.9.5