关节臂起重机的建模与控制

起重机有各种尺寸与设计以执行不同任务。根据其动力学特性，可分为门式起重机与回转起重机。本文关注所谓“关节臂”起重机，其是最常见的回转起重机类型之一。与其他起重机（如动臂起重机、塔式起重机、桥式起重机等）相比，关节臂起重机的研究仍处于早期阶段，文献中针对此类起重机提出的控制策略极少。尽管机械上相当简单，但从控制角度看，关节臂起重机存在若干挑战。本文的首个成果是首次给出此类起重机的完整数学模型，其中可控制起重机的三个转动（称为变幅、回转与臂架运动）以及缆绳长度。模型唯一的简化假设是缆绳被视为刚性。基于此模型，我们提出一种基于能量考量的非线性控制律，能够在主动抑制载荷振荡的同时实现起重机的位置控制。相应的稳定性与收敛性分析借助LaSalle不变原理严格证明。所提控制方法的有效性在具有现实物理参数且存在模型失配的仿真中得到了验证。