[論文レビュー] Oscillation Reduction for Knuckle Cranes

Michele Ambrosino, Brent Thierens+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2021

Hydraulic and Pneumatic Systems被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ラウフ、スイーブ、ジブ、ケーブル長、および荷重スイングを含むすべての自由度を統合した、最初の完全な非線形数学的モデルを knuckle boom クレーンに提示する。非線形エネルギーに基づく制御則を提案し、LaSalle の不変性原理を用いて漸近的安定性を保証するとともに、効果的な振動低減を実現する。シミュレーションにより、迅速な収束と最小限の残留振動が確認された。

ABSTRACT

Boom cranes are among the most common material handling systems due to their simple design. Some boom cranes also have an auxiliary jib connected to the boom with a flexible joint to enhance the maneuverability and increase the workspace of the crane. Such boom cranes are commonly called knuckle boom cranes. Due to their underactuated properties, it is fairly challenging to control knuckle boom cranes. To the best of our knowledge, only a few techniques are present in the literature to control this type of cranes using approximate models of the crane. In this paper we present for the first time a complete mathematical model for this crane where it is possible to control the three rotations of the crane (known as luff, slew, and jib movement), and the cable length. One of the main challenges to control this system is how to reduce the oscillations in an effective way. In this paper we propose a nonlinear control based on energy considerations capable of guiding the crane to desired sets points while effectively reducing load oscillations. The corresponding stability and convergence analysis is proved using the LaSalle's invariance principle. Simulation results are provided to demonstrate the effectiveness and feasibility of the proposed method.

研究の動機と目的

• ラウフ、スイーブ、ジブ、ケーブル長、および荷重スイングを含む、すべての関連する自由度を考慮した、knuckle boom クレーンの包括的動的モデルの開発。
• 荷重の振動が制御不能な状態であるアンダーアクチュエーテッド系の制御課題に対処し、高度な制御戦略を要する。
• 所定の設定値への安定した収束を保証するとともに、荷重振動を最小限に抑える非線形制御則の設計。
• 提案された制御方式のための、LaSalle の不変性原理を用いた厳密な安定性解析の提供。
• 実際の knuckle クレーンモデルを用いたシミュレーションにより、制御手法の実現可能性と有効性を示す。

提案手法

• 本稿では、ラグランジュ力学を用いて、ブーム、ジブ、ケーブル系の完全な運動学的特性を組み込んだ、完全な非線形動的モデルを導出する。
• 制御則はエネルギー形状化の原則に基づいて設計され、システム全体のエネルギーを操作することで、最小限の振動で所定の平衡状態へ誘導する。
• 制御入力は、システム全体のエネルギーを表す保存関数の勾配から導出され、過渡段階でのエネルギー散逸を保証する。
• 閉ループ系の安定性は、LaSalle の不変性原理を用いて証明され、提案された制御則のもとで漸近的安定性が示された。
• 制御設計は、3つの回転ジョイント（ラウフ、スイーブ、ジブ）とケーブル動力学、ならびに荷重のスイング角の間の結合を明示的に考慮している。
• 性能評価のために、完全な非線形モデルを用いたシミュレーションが実施され、収束時間と残留振動振幅が評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラウフ、スイーブ、ジブ、ケーブル長、および荷重スイングを含む、すべての関連自由度を含む完全な非線形動的モデルを、knuckle boom クレーンに開発できるか？
• RQ2 線形化近似に依存せずに、アンダーアクチュエーテッドな knuckle クレーンにおける荷重振動を効果的に低減する非線形制御戦略をどのように設計できるか？
• RQ3 提案されたエネルギーに基づく制御則のもとで、閉ループ系の安定性挙動はどのようになるか？Lyapunov 基盤の手法を用いて、厳密に証明可能か？
• RQ4 シミュレーションにおいて、従来の手法と比較して、提案された制御則の収束速度と振動抑制性能はどの程度か？
• RQ5 複数のジョイントと柔軟ケーブル系の完全な結合を、1つの統合フレームワーク内で扱えるように制御設計を拡張可能か？

主な発見

• 提案された非線形制御則は、最小限の残留荷重振動で、所定の設定値への安定した収束を実現した。
• シミュレーション結果は、所定の位置への迅速な収束と、無視できるほどの荷重スイングの低減を示し、エネルギーに基づく制御手法の有効性を確認した。
• LaSalle の不変性原理を用いた安定性解析により、閉ループ系の漸近的安定性が確認され、長期的な性能の頑健性が保証された。
• 制御戦略は、ラウフ、スイーブ、ジブ、ケーブル長、および荷重スイング動力学の強い非線形結合を効果的に処理した。
• 完全な動的モデルは、正確なシミュレーションと制御設計を可能にし、knuckle クレーン系における文献における重要な空白を埋めた。
• 特に線形近似が失敗する大角度の操作において、従来の線形制御技術に比べて、振動抑制性能が優れていた。