[논문 리뷰] Oscillation Reduction for Knuckle Cranes

Michele Ambrosino, Brent Thierens외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 03.

Hydraulic and Pneumatic Systems인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 러프, 스류, 지브, 케이블 길이 및 화물 진동을 포함한 모든 자유도를 통합한 최초의 완전한 비선형 수학적 모델을 제안한다. 비선형 에너지 기반 제어 법칙을 제안하여 라살의 불변성 원리에 기반해 점점 감소하는 안정성과 효과적인 진동 감소를 보장하며, 시뮬레이션을 통해 빠른 수렴과 최소한의 잔여 진동을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 러프, 스류, 지브, 케이블 길이 및 화물 진동을 포함한 모든 관련 자유도를 고려한 케이블 블록 크레인의 종합적인 동적 모델 개발.
• 화물 진동이 제어되지 않는 비작동 시스템을 제어하는 데 있어 도전 과제를 해결하기 위해 고도의 제어 전략이 필요하다.
• 목표 설정점으로의 안정적 수렴을 보장하면서 화물 진동을 최소화하는 비선형 제어 법칙 설계.
• 제안된 제어 전략에 대한 라플라스 기반 안정성 분석을 위한 라살의 불변성 원리에 기반한 엄밀한 안정성 분석 제공.
• 실제 케이블 블록 크레인 모델을 기반으로 한 시뮬레이션 결과를 통해 제어 방법의 타당성과 효율성을 입증.

제안 방법

• 논문은 라그랑주 역학을 사용하여 블록 크레인의 완전한 비선형 동적 모델을 유도하며, 블록, 지브 및 케이블 시스템의 전체 운동학을 포함한다.
• 제어 법칙은 에너지 형태 조절 원리에 기반하여 설계되며, 시스템의 총 에너지를 조작하여 최소한의 진동으로 목표 평형점으로 유도한다.
• 제어 입력은 시스템의 총 에너지를 나타내는 저장 함수의 기울기에서 유도되며, 일시적인 단계 동안 에너지 소산을 보장한다.
• 폐루프 시스템의 안정성은 라살의 불변성 원리를 사용하여 증명되며, 제안된 제어 법칙 하에 점진적 안정성을 보여준다.
• 제어 설계는 러프, 스류, 지브의 세 개의 회전 관절 간의 결합과 케이블 역학, 화물의 진동 각도를 명시적으로 고려한다.
• 성능 평가를 위해 완전한 비선형 모델을 사용하여 시뮬레이션을 실시하며, 수렴 시간과 잔여 진동 진폭을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 러프, 스류, 지브, 케이블 길이 및 화물 진동을 포함한 모든 관련 자유도를 포함한 케이블 블록 크레인에 대한 완전한 비선형 동적 모델을 개발할 수 있는가?
• RQ2 선형화된 근사치에 의존하지 않고 비선형 제어 전략을 어떻게 설계하여 비작동 케이블 블록 크레인의 화물 진동을 효과적으로 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 제안된 에너지 기반 제어 법칙 하에서 폐루프 시스템의 안정성 행동은 어떠한가? 그리고 라플라스 기반 방법을 사용하여 엄밀하게 증명할 수 있는가?
• RQ4 기존 방법과 비교하여 제안된 제어 법칙은 시뮬레이션에서 수렴 속도와 진동 억제 측면에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 다중 관절과 탄성 케이블 시스템 간의 전체 결합을 하나의 통합 프레임워크에서 다룰 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 비선형 제어 법칙은 최소한의 잔여 화물 진동으로 목표 설정점에 시스템을 안정화시키는 데 성공했다.
• 시뮬레이션 결과는 목표 위치로의 신속한 수렴과 무시할 만한 화물 진동을 보여주며, 에너지 기반 제어 접근법의 효과성을 확인한다.
• 라살의 불변성 원리를 사용한 안정성 분석은 폐루프 시스템의 점진적 안정성을 확인하여 장기적인 성능 강건성을 보장한다.
• 제어 전략은 러프, 스류, 지브, 케이블 길이 및 화물 진동 역학 간의 강한 비선형 결합을 효과적으로 처리한다.
• 완전한 동적 모델은 정확한 시뮬레이션과 제어 설계를 가능하게 하며, 케이블 블록 크레인 시스템 분야에서 문헌의 중요한 격차를 메운다.
• 특히 선형 근사치가 실패하는 큰 각도 이송 동안 기존 선형 제어 기법에 비해 진동 억제 측면에서 더 뛰어난 성능을 발휘한다.