第4期 陈鹤，等：面向大尺寸货物运送的吊车控制方法综述 ·833· 时变、外界扰动等问题，能量耦合、滑模控制等闭 力学模型，相关学者提出了一系列性能良好的控 环控制方法开始用于点质量双摆吊车系统的控制 制方法。然而，更一般的情况是，吊车系统复杂 方法设计。 的工作环境极易受到外界扰动，系统参数（如货 近年来，考虑分布式质量负载运送的双摆吊 物质量、起吊绳长等)难以准确获得。在这种情 车系统控制研究开始受到关注，并分别针对分布 况下，利用神经网络、模糊控制、强化学习、宽度 式质量的竖直吊装和水平吊装两种方式提出了一 学习等智能方法处理外界扰动、参数不确定性等 些行之有效的控制方法，其中以开环控制方法的 问题，进而设计合适的防摆控制方法，并通过严 研究居多，包括输人整形、命令平滑和时间最优 格理论证明保证系统的稳定是未来该领域的发展 等，而闭环控制方法的研究相对较少。 方向之一。 此外，多吊车协同也是实现大尺寸货物运送的 3)考虑起吊钢丝绳阻尼的稳定控制 有效方式，广泛应用于工业生产的诸多领域，与 现有针对大尺寸货物运送吊车系统的控制研 此同时，系统复杂的动力学特性（更多的状态变 究大多基于起吊钢丝绳的刚性假设。然而，楼房 量、几何约束和耦合关系)限制了其建模和控制 建设塔式吊车或风机安装桅杆式吊车通常配置有 研究的发展。针对此类吊装方式，近年来部分学 较长起吊钢丝绳，其振荡呈现横向和纵向的耦合 者在其货物摆动抑制、协同运送等方面开展了一 振荡，在此情况下，同时实现负载和钢丝绳振荡 些创新性的尝试，取得了一些较好的研究成果。 的抑制将是该领域一个非常有前景的研究方向。 吊车系统大尺寸货物运送的实现为货物单次 致谢：感谢各位审稿专家及编辑老师对文章提 大批量和整体吊装装配等运送任务提供了可能， 出的中肯意见！陈鹤和吴庆祥对本文的贡献相同。 极大地促进了钢铁冶金、清洁能源、石油化工、道 参考文献： 路建设、海洋勘探等诸多重要领域的发展。但 是，相对于点质量单摆模型，高的欠驱动程度、复 [1]WU Xianqing,HE Xiongxiong.Partial feedback lineariz- 杂非线性耦合关系、参数时变、外界扰动、多机协 ation control for 3-D underactuated overhead crane sys- 同等问题为大尺寸货物运送吊车系统控制的研究 tems[J].ISA transactions,2016,65:361-370. 带来诸多挑战。为实现大尺寸货物快速、安全、 [2]孙宁，方勇纯.一类欠驱动系统的控制方法综述.智 准确的运送，众多学者围绕大尺寸货物的点质量 能系统学报，2011.6(3)：200-207. 双摆模型、分布式质量双摆模型和多吊车协同模 SUN Ning,FANG Yongchun.A review for the control of 型开展了大量的研究，并取得了许多较好的研究 a class of underactuated systems[J].CAAI transactions on 成果，但仍存在诸多关键问题亟待解决。本文通 intelligent systems,2011,6(3):200-207 过多方位综合考虑大尺寸货物吊车系统不同吊装 [3]SUN Ning,FANG Yongchun,ZHANG Yudong,et al.A 形式存在的难点，将该领域未来的发展方向概括 novel kinematic coupling-based trajectory planning meth- 如下，以期有助于该领域的更好更快发展。 od for overhead cranes[J].IEEE/ASME transactions on mechatronics,.2012,17(1):166-173 1)考虑系统暂态性能的防摆控制 [4] KIM G H,HONG K S.Adaptive sliding-mode control of 实际应用中，大尺寸货物过大的摆动幅度总 an offshore container crane with unknown disturbances[J] 是被禁止的，例如我国白鹤滩水电站建设过程中 IEEE/ASME transactions on mechatronics,2019,24(6): 吊装的水轮转子质量达2300t,若发生大幅摆动 2850-2861. 将是非常危险的，不仅威胁周围工作人员和设备 [5]CHEN He,SUN Ning.Nonlinear control of underactu- 的安全，而且将损害吊车系统的机械结构，降低 ated systems subject to both actuated and unactuated state 吊车工作寿命。此外，水轮转子的移动距离需要 constraints with experimental verification[J].IEEE trans- 控制在1mm以内用以保证销钉与销孔的精准对 actions on industrial electronics,2020.67(9):7702-7714 接。然而，目前面向大尺寸货物运送吊车系统的 [6]LE Ta,LEE S,MOON S.Partial feedback linearization 研究很少考虑控制过程中的暂态性能。因此，实 and sliding mode techniques for 2D crane control[ 现摆动有效抑制的同时，考虑系统的暂态性能， Transactions of the institute of measurement and control. 设计有效的防摆控制方法是该领域未来的研究方 2013,36(1):78-87 向之一。 [7]SUN Ning,YANG Tong,CHEN He,et al.Dynamic feed- 2)考虑外界扰动和参数不确定性的智能控制 back antiswing control of shipboard cranes without velo- 围绕大尺寸货物不同吊装形式的吊车系统动 city measurement:theory and hardware experiments[]].时变、外界扰动等问题，能量耦合、滑模控制等闭 环控制方法开始用于点质量双摆吊车系统的控制 方法设计。 近年来，考虑分布式质量负载运送的双摆吊 车系统控制研究开始受到关注，并分别针对分布 式质量的竖直吊装和水平吊装两种方式提出了一 些行之有效的控制方法，其中以开环控制方法的 研究居多，包括输入整形、命令平滑和时间最优 等，而闭环控制方法的研究相对较少。 此外，多吊车协同也是实现大尺寸货物运送的 有效方式，广泛应用于工业生产的诸多领域，与 此同时，系统复杂的动力学特性（更多的状态变 量、几何约束和耦合关系）限制了其建模和控制 研究的发展。针对此类吊装方式，近年来部分学 者在其货物摆动抑制、协同运送等方面开展了一 些创新性的尝试，取得了一些较好的研究成果。 吊车系统大尺寸货物运送的实现为货物单次 大批量和整体吊装装配等运送任务提供了可能， 极大地促进了钢铁冶金、清洁能源、石油化工、道 路建设、海洋勘探等诸多重要领域的发展。但 是，相对于点质量单摆模型，高的欠驱动程度、复 杂非线性耦合关系、参数时变、外界扰动、多机协 同等问题为大尺寸货物运送吊车系统控制的研究 带来诸多挑战。为实现大尺寸货物快速、安全、 准确的运送，众多学者围绕大尺寸货物的点质量 双摆模型、分布式质量双摆模型和多吊车协同模 型开展了大量的研究，并取得了许多较好的研究 成果，但仍存在诸多关键问题亟待解决。本文通 过多方位综合考虑大尺寸货物吊车系统不同吊装 形式存在的难点，将该领域未来的发展方向概括 如下，以期有助于该领域的更好更快发展。 1）考虑系统暂态性能的防摆控制 实际应用中，大尺寸货物过大的摆动幅度总 是被禁止的，例如我国白鹤滩水电站建设过程中 吊装的水轮转子质量达 2 300 t，若发生大幅摆动 将是非常危险的，不仅威胁周围工作人员和设备 的安全，而且将损害吊车系统的机械结构，降低 吊车工作寿命。此外，水轮转子的移动距离需要 控制在 1 mm 以内用以保证销钉与销孔的精准对 接。然而，目前面向大尺寸货物运送吊车系统的 研究很少考虑控制过程中的暂态性能。因此，实 现摆动有效抑制的同时，考虑系统的暂态性能， 设计有效的防摆控制方法是该领域未来的研究方 向之一。 2）考虑外界扰动和参数不确定性的智能控制 围绕大尺寸货物不同吊装形式的吊车系统动 力学模型，相关学者提出了一系列性能良好的控 制方法。然而，更一般的情况是，吊车系统复杂 的工作环境极易受到外界扰动，系统参数（如货 物质量、起吊绳长等）难以准确获得。在这种情 况下，利用神经网络、模糊控制、强化学习、宽度 学习等智能方法处理外界扰动、参数不确定性等 问题，进而设计合适的防摆控制方法，并通过严 格理论证明保证系统的稳定是未来该领域的发展 方向之一。 3）考虑起吊钢丝绳阻尼的稳定控制 现有针对大尺寸货物运送吊车系统的控制研 究大多基于起吊钢丝绳的刚性假设。然而，楼房 建设塔式吊车或风机安装桅杆式吊车通常配置有 较长起吊钢丝绳，其振荡呈现横向和纵向的耦合 振荡，在此情况下，同时实现负载和钢丝绳振荡 的抑制将是该领域一个非常有前景的研究方向。 致谢：感谢各位审稿专家及编辑老师对文章提 出的中肯意见！陈鹤和吴庆祥对本文的贡献相同。 参考文献： WU Xianqing, HE Xiongxiong. Partial feedback lineariz￾ation control for 3-D underactuated overhead crane sys￾tems[J]. ISA transactions, 2016, 65: 361–370. [1] 孙宁, 方勇纯. 一类欠驱动系统的控制方法综述 [J]. 智 能系统学报, 2011, 6(3): 200−207. SUN Ning, FANG Yongchun. A review for the control of a class of underactuated systems[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2011, 6(3): 200−207. [2] SUN Ning, FANG Yongchun, ZHANG Yudong, et al. A novel kinematic coupling-based trajectory planning meth￾od for overhead cranes[J]. IEEE/ASME transactions on mechatronics, 2012, 17(1): 166–173. [3] KIM G H, HONG K S. Adaptive sliding-mode control of an offshore container crane with unknown disturbances[J]. IEEE/ASME transactions on mechatronics, 2019, 24(6): 2850–2861. [4] CHEN He, SUN Ning. Nonlinear control of underactu￾ated systems subject to both actuated and unactuated state constraints with experimental verification[J]. IEEE trans￾actions on industrial electronics, 2020, 67(9): 7702–7714. [5] LE Ta, LEE S, MOON S. Partial feedback linearization and sliding mode techniques for 2D crane control[J]. Transactions of the institute of measurement and control, 2013, 36(1): 78–87. [6] SUN Ning, YANG Tong, CHEN He, et al. Dynamic feed￾back antiswing control of shipboard cranes without velo￾city measurement: theory and hardware experiments[J]. [7] 第 4 期 陈鹤，等：面向大尺寸货物运送的吊车控制方法综述 ·833·