第4期 陈鹤，等：面向大尺寸货物运送的吊车控制方法综述 ·825· 制自由度少于待控自由度，所运送货物需要通过 为实现面向大尺寸货物运送吊车系统的有效控 吊绳连接，由台车或者桅杆运动而拖动货物运 制，首先需要准确描述其动力学特性。目前，根 动，最终完成货物运送的目标4。吊车系统的欠 据大尺寸货物吊装类型的不同，面向大尺寸货物 驱动特性和外界扰动将导致货物的长时间摆动， 运送的吊车系统主要分为点质量双摆s:3、分布 这将严重影响吊车的工作效率和运送安全性101。 式质量双摆（包括竖直吊装9和水平吊装0两种 区别于作为典型实验对象的倒立摆1和面向民 形式)和多吊车协同1等，如图1所示。其中， 用的自平衡车1等欠驱动系统，工业应用吊车系 图1(a)所示吊装类型可抽象为点质量双摆吊车 统的控制问题研究面临更多挑战。 系统模型，分布式质量竖直吊装双摆吊车系统模 为解决上述问题，众多学者开展了大量的研究 型的典型应用场景如图1(b)所示，图1(c)所示 工作，研究对象涵盖桥式吊车16.20、塔式吊车22 吊装方式则可利用分布式质量水平吊装双摆吊车 和桅杆式吊车42刃等。目前，研究最早也最为广 系统模型对其动力学特性进行准确描述，多吊车 泛的是点质量单摆吊车283别，其结构简单，便于控 协同模型的典型应用场景如图1(d)所示。值得 制方法设计。然而，实际应用中，大尺寸货物的 指出的是，图1仅表示大尺寸货物吊装类型的不 运送任务更为普遍，例如集装箱、风机叶片、水轮 同，并不局限于所示的吊车类型，上述吊装类型 发电机、道路箱梁、海上钻井平台、蒸馏塔、长型 广泛应用于各种类型的吊车系统，如桥式吊车、 型材等，需借助大质量吊钩或多台吊车进行吊装。 塔式吊车和桅杆式吊车等。 (a)点质量双摆 (b)竖直吊装（©）水平吊装(d多吊车协同 图1大尺寸货物运送的主要吊装类型 Fig.1 The main hoisting types for large-size cargo transportation 为充分发挥大尺寸货物运送吊车系统的潜在 耦合和更加复杂的非线性特性使得吊车系统的控 优势，大量学者进行了诸多探索43。结合实际 制研究充满挑战。近年来，为实现面向大尺寸货 应用情况和现有文献资料描述，针对面向大尺寸 物运送吊车系统的高效、安全控制，相关学者主 货物运送吊车系统的研究，具有重要意义。随着 要尝试解决以下若干关键问题： 工业制造与生产水平的进步，大部分工业器械均 1)高欠驱动程度、强耦合关系。大尺寸货物 向着大型化、集成化的方向发展；而面向大尺寸 运送时，较重的吊钩和较长的钢丝绳将吊车系统 货物运送的吊车系统则能较好地完成此类货物的 的动力学特性由单级摆动转换为更加复杂的两级 运送任务，具有良好的应用前景，符合工业发展 摆动。此时，吊车系统的欠驱动自由度将增加， 进步的客观要求，能够有效推动经济社会的进一 同时伴随驱动部分与欠驱动部分更强的状态耦 步发展。此外，吊车系统面向大尺寸货物运送的 合，给吊车系统控制方法的设计和分析带来严峻 实现使得物料的单次大批量运送或零件先组装成 挑战。 较大部件再进行装配成为可能，极大地提高了吊 2)参数时变、外界扰动和不确定性。为提高 车的工作效率，减少了工人的作业时间，进而降 吊车系统工作效率，实际应用中通常采用货物运 低了生产制造成本。例如，在海上钻井平台的建 送与升降同时进行的操作方式，参数时变（如起 造过程中，通过先陆上组装上层模块再吊装至水 吊绳长变化)将加剧货物摆动。同时，吊车工作 中下浮体进行装配的制造方式，高空作业和船坞 过程中易受外界扰动（如风力、冲击等）因素影响。 内制造时间将缩短30%。 此外，系统建模过程中忽略的高阶项和状态测量 然而，相对于点质量单摆吊车系统模型，特殊 误差等不确定性因素将进一步增加控制的难度。 的货物形状和吊装形式导致更加复杂的多级摆动 3)多吊车协同运送的建模与控制。相对于单 或闭式运动链，更高的欠驱动程度、更强的状态 吊车系统，多吊车协同运送系统兼具串联和并联制自由度少于待控自由度，所运送货物需要通过 吊绳连接，由台车或者桅杆运动而拖动货物运 动，最终完成货物运送的目标[4-9]。吊车系统的欠 驱动特性和外界扰动将导致货物的长时间摆动， 这将严重影响吊车的工作效率和运送安全性[10-13]。 区别于作为典型实验对象的倒立摆[14] 和面向民 用的自平衡车[15] 等欠驱动系统，工业应用吊车系 统的控制问题研究面临更多挑战。 为解决上述问题，众多学者开展了大量的研究 工作，研究对象涵盖桥式吊车[16-20] 、塔式吊车[21-23] 和桅杆式吊车[24-27] 等。目前，研究最早也最为广 泛的是点质量单摆吊车[28-34] ，其结构简单，便于控 制方法设计。然而，实际应用中，大尺寸货物的 运送任务更为普遍，例如集装箱、风机叶片、水轮 发电机、道路箱梁、海上钻井平台、蒸馏塔、长型 型材等，需借助大质量吊钩或多台吊车进行吊装。 为实现面向大尺寸货物运送吊车系统的有效控 制，首先需要准确描述其动力学特性。目前，根 据大尺寸货物吊装类型的不同，面向大尺寸货物 运送的吊车系统主要分为点质量双摆[35-38] 、分布 式质量双摆（包括竖直吊装[39] 和水平吊装[40] 两种 形式）和多吊车协同[41,42] 等，如图 1 所示。其中， 图 1（a）所示吊装类型可抽象为点质量双摆吊车 系统模型，分布式质量竖直吊装双摆吊车系统模 型的典型应用场景如图 1（b）所示，图 1（c）所示 吊装方式则可利用分布式质量水平吊装双摆吊车 系统模型对其动力学特性进行准确描述，多吊车 协同模型的典型应用场景如图 1（d）所示。值得 指出的是，图 1 仅表示大尺寸货物吊装类型的不 同，并不局限于所示的吊车类型，上述吊装类型 广泛应用于各种类型的吊车系统，如桥式吊车、 塔式吊车和桅杆式吊车等。 (a) 点质量双摆 (b) 竖直吊装 (c) 水平吊装 (d) 多吊车协同 图 1 大尺寸货物运送的主要吊装类型 Fig. 1 The main hoisting types for large-size cargo transportation 为充分发挥大尺寸货物运送吊车系统的潜在 优势，大量学者进行了诸多探索[43-46]。结合实际 应用情况和现有文献资料描述，针对面向大尺寸 货物运送吊车系统的研究，具有重要意义。随着 工业制造与生产水平的进步，大部分工业器械均 向着大型化、集成化的方向发展；而面向大尺寸 货物运送的吊车系统则能较好地完成此类货物的 运送任务，具有良好的应用前景，符合工业发展 进步的客观要求，能够有效推动经济社会的进一 步发展。此外，吊车系统面向大尺寸货物运送的 实现使得物料的单次大批量运送或零件先组装成 较大部件再进行装配成为可能，极大地提高了吊 车的工作效率，减少了工人的作业时间，进而降 低了生产制造成本。例如，在海上钻井平台的建 造过程中，通过先陆上组装上层模块再吊装至水 中下浮体进行装配的制造方式，高空作业和船坞 内制造时间将缩短 30%。 然而，相对于点质量单摆吊车系统模型，特殊 的货物形状和吊装形式导致更加复杂的多级摆动 或闭式运动链，更高的欠驱动程度、更强的状态 耦合和更加复杂的非线性特性使得吊车系统的控 制研究充满挑战。近年来，为实现面向大尺寸货 物运送吊车系统的高效、安全控制，相关学者主 要尝试解决以下若干关键问题： 1）高欠驱动程度、强耦合关系。大尺寸货物 运送时，较重的吊钩和较长的钢丝绳将吊车系统 的动力学特性由单级摆动转换为更加复杂的两级 摆动。此时，吊车系统的欠驱动自由度将增加， 同时伴随驱动部分与欠驱动部分更强的状态耦 合，给吊车系统控制方法的设计和分析带来严峻 挑战。 2）参数时变、外界扰动和不确定性。为提高 吊车系统工作效率，实际应用中通常采用货物运 送与升降同时进行的操作方式，参数时变（如起 吊绳长变化）将加剧货物摆动。同时，吊车工作 过程中易受外界扰动（如风力、冲击等）因素影响。 此外，系统建模过程中忽略的高阶项和状态测量 误差等不确定性因素将进一步增加控制的难度。 3）多吊车协同运送的建模与控制。相对于单 吊车系统，多吊车协同运送系统兼具串联和并联 第 4 期 陈鹤，等：面向大尺寸货物运送的吊车控制方法综述 ·825·