Intern ati o n a l Jo urn a o f  R o botics   a nd Au tom a tion   (I JR A)   Vol.  3, No. 4, Decem ber  2014, pp. 252~ 258  I S SN : 208 9-4 8 5 6           2 52     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJRA  A LQR Optimal Meth od to Control  the P o sition of an Overhead  Crane       J. J a f a ri , M.  Ghaz al , M.   N a z emi z a deh *     Departm e nt o f   M echani c s ,  Dam a vand Br anch , Is lam i c Az ad Uni v ers i t y ,  Dam a va nd, Ir an       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Apr 15, 2014  Rev i sed  Ju l 6 ,  2 014  Accepte J u l 26, 2014      In this p a per ,   a LQR ( L in ear  Quad ratic Reg u lation)  optimal method is   implemented to control  posi tion  of an ov erhead  c a rne.  To do  this ,  a tr ack ing   formulation of  LQR is develo ped a nd app l i e d to the s y s t em . Henc e the   d y nam i c  m odel  of the overh ea d crane  is  pres ented ,  the d y n a m i c of the   actu a tor m o tor o f  the  troll e y is  c onsider ed.  As th e par a m e ters of  the opt im al   controller assign ed, some simulations ar e done to show the efficiency  of th proposed metho d Keyword:  LQR   Op tim al co n t rol  Ove r head cra n Po sition   Copyright ©  201 4 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r M. Nazem izadeh,    Depa rt m e nt  of  M echani c s,  Da m a vand  B r a n c h Isl a m i c Azad  Uni v ersi t y Dam a vand,  I r a n   Em a il: m n .n aze m i zad eh @g mail.co     1.   INTRODUCTION  Cranes are e x t e nsively applied in  t r an sp ort a t i on an d co nst r uct i on  fi el ds [ 1 , 2] Ove r h e a d  cra n es are   o n e  k i n d  of C r an es u s ed  t o   tran sp ort arb itrary lo ad   fo rm a po sition  to ano t h e o n e Th ov erh ead  crane  con s i s t s  of a ca rt  or t r ol l e y  wh i c h m oves al on g i t s  ra il. More ove r, a hoisting m echanis m  including a cabl e  and  a payloa d is a ttached to t h cart.  T h e overhead c r a n es  have exte nsivel y used i n  m a ny industries,  because  these syste m exhi bit novel features s u ch as  low cost , easy  asse m b ly, and less  m a in tenance [3-5]. The r efore,  the overhea d  c r anes  ha ve attracted a great deal of in t e re st s, an d t h dy na m i m odel i ng and c o nt r o l  of  suc h   sy st em s are st udi ed by  s o m e  r e searche r s.  Hu bbel  et  al . [6]  u s ed an  ope n - l o op m e t hod t o  c ont rol  t h e m o t i on  o f   a g a n t ry crane. In  t h is m e t h od , th e inp u t  con t ro l pro f ile was d e term i n ed in su ch   way th at  un wan t ed  o s cillatio n s  and  resi d u a p e nd u l ation s  were av o i d e d.  Howev e r their app r o ach   was ap p l i cab le, bu t th o p e n- l o o p  c ont rol  s c hem e  i s  not   ro bust  t o   di st u r b a nces a n para m e t e r unce r t a i n t i e s [ 7 ] .  M o re ove r,  a fe ed ba ck P I D   ant i - swi ng c o n t rol l e r i s  devel ope d i n  [ 8 ]  t o  cont r o l  of a n  over h ea d cra n e. A h m a d et   al . [9]  used a  hy b r i d   i n p u t - s h api ng  m e t hod t o  c o nt r o l  of t h e c a rne .   W a hy u d i  and Jal a ni  [1 0]  em pl oy ed f u zzy  l ogi c fee dba c k   co n t ro ller t o  co n t ro l an  in tellig en t cran e. M o reov er, pres en ted  an   op ti m a l co n t ro l m e th o d  is u s ed  i n  [1 1 ]  t o   cont rol the  dyna m i m o tion of the system Here in, m i ni m u m energy of syste m  and  in tegrated  ab so l u te error  of  pay l oa d a n gl e are as sum e d as t h ei opt i m i zat i on cri t e ri on.  Zha o  a n Gao  [ 12]  st udi ed t h e c o nt r o l   of a n   ove rhead cra n e. They proposed a fu zzy meth od  to  con t ro l th e in pu t delay an d  actu a to r satu ratio n   o f  th syste m . Nazemizadeh et al.  [13] st udie d  t r acki n g control of an under a c tuated ga ntry  cr a n e. Furthe rm ore,  Nazem izadeh [14]  pre s ente d a   PID tuni ng m e thod  for trac ki ng  control of  a  crane .    In  t h is pap e r,  a LQR  (Lin ear Qu ad ratic R e g u l ation )  op timal  m e th o d  is i m p l e m en ted  to  co n t rol   p o s ition  of an   o v e rh ead  carne. To  do  th is,  a track ing   fo rm u l a tio n  o f  LQR is d e v e l o ped  and  app lied to  th sy st em . Hence  t h e dy nam i m odel  of t h o v er hea d  cra n i s  prese n t e d ,  t h e dy nam i c of t h e act uat o m o t o r of   t h e t r ol l e y  i s  c onsi d ere d .  As  t h param e t e rs of t h opt i m al   cont rol l e r as si gne d,  som e  si m u l a t i ons are   do ne t o   sho w  t h e e ffi ci ency  o f  t h pr o pos ed  m e t hod.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 089 -48 56  IJRA Vol. 3, No. 4,  D ecem ber 2014:   252 – 258  2 53  In  t h is article, t h p o s ition  co ntro l of th e ov erh ead  cran e is st u d i ed   b a sed on o p tim al co n t rol strateg y The dy nam i c equat i o ns  of t h e  sy st em  are deri ve d, co nsi d er i ng t h e m o t o vol t a ge  of a  w h eel  of t h e t r ol l e y  as  the input, and  displacem ent of the t r o lley  as  the out put of the  cra n e. To  cont rol t h e position of the  cart, an  LQR  m e t hod i s  use d .  T o   veri fy  t h pr o p o s e d  m e t hod,  s o m e  si m u l a ti on  re sul t s  are  d o n and  p r ese n t e d.         2.   LQR  OPTIMAL CONT ROL OF THE  SYSTEM  In t h i s  sect i o n,  t h e LQR  c ont rol  m e t hod i s  a ppl i e d t o  t h e s y st em . Presum e t h e dy nam i equat i o o f   the ove r hea d  c r ane  in state- space from  can  be written as:    CX y Bu AX X   (1 )     Whe r X  is t h e  state vector  of the system u  is th e in pu t effo rt,  y  i s  t h e o u t put , a n A, B, C  are the c o efficien m a trices of t h e  syste m Fu rt h e rm o r e the fin a l po sitio n o f  t h e cart can  b e   d e fin e d  as  r(t) , and relat e d to the  final  state vector  e X and  fin a l inpu t of t h e system   e u  b y   Eq . (2 ) :     e e e CX t r Bu AX ) ( 0   (2 )     Thu s , co m b in g Eq s.  (1) , (2 ) resu lts in :     X C y u B X A X   (3 )     Whe r e r y y u u u X X X e e , ,  are ass u med as re formatted vect ors .     Fu rt h e rm o r e, to  ap p l y th e LQR op ti m a l co n t ro ller,  an obj ectiv e fu n c tion  is con s id ered as  fo llows:       dt Ru u X Q X J T T 0   (4 )     Whe r Q  and   R  are  weigh ting  m a trices o f   op ti m a l co n t ro ller  wh ich  is  d e fin e d   b y  th e user.    Using  LQR m e th od , t h op timal feed b a ck  l a w is  X P B R X K u T 1 , whe r e can be  ac hieve d  from  R i ccat i s equat i on  [ 15] :     0 1 Q P B PBR PA P A T T   (5 )     Wh ere is  d e fined  as a  p o s itiv e m a trix     3.   D YNA M I C  MOD ELING  OF THE SYST EM  In t h i s  sect i o n,  t h e dy nam i m odel i ng o f  t h e ove rhea d ca r n e i s  pre s ent e d .  The  dy nam i equat i o ns  of   t h e sy st em  are deri ve d u s i n Lagra n ge’s  p r i n ci pl e.  Fi g u re  1 s h o w s a n   o v e rhea d c r ane .   The c r ane  i s  c onsi s t s   of  a cart  t r ans v erses i n   ho ri zo nt al  di rect i o n,   whi l e  a  pe nd ul um  connect s  o n  t h e  cart  a n hoi st s t h pay l oad .             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J RA I S SN 208 9-4 8 5 6     A LQR  Op timal Meth o d  t o  Con t ro l t h e Po sitio n o f   an   Overhea d  Cran e (J.  Ja fa ri)  25 4     Fi gu re 1.   The  ove r h ead   cra n e       The pa ram e ters of the syste m  are:  x x ,  are the cart position and s p ee d,  ,  are t h e pe n dul um   angular dis p lace m e nt,  l  i s  t h e pe nd ul um  l e ngt h,  M  i s  th ma s s  o f  th e  ca r t ,   m  is t h paylo a d  m a ss,  r  is th radi us of the wheels of the ca rt,  e  is th e DC  m o to r v o ltag e   o f  th e cart,  R  i s  the  m o tor armature resistance,  k  is   th m o to r torq u e  co nstan t p B  i s  t h e vi scou s dam p i ng co effi ci ent  o f  t h e pen dul um  axi s ,   eq B  is th e   equi val e nt   vi sc ous  d a m p i ng c o ef fi ci ent ,  a n g i s  t h gra v i t a t i onal  co nst a nt   of  eart h .   To  de ri ve t h e e quat i o n  o f  t h m o ti on,  t h ki net i c  ene r gy  o f  t h e ca rt   1 T  an d t h ki net i c  e n er gy  o f  t h e   p e ndu lu m   2 T  are:     2 2 , 1 2 , 1 1 2 1 2 1 x M V V M T y x    co s l x sin l x ) l ( l x m V V m T y , x , 2 2 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2   (6 )   Furt herm ore,  the  pote n tial en ergy   of  the  pay l oad is:     cos mgl U 2   (7 )     To  deri ve th d y n am ic equatio of  the sy st em , the  Lagrangia n   function is st ated as:      cos 2 1 cos 2 sin 2 ) ( 2 1 2 2 2 2 2 2 1 mgl x M l x l x l l x m U T T L   (8 )     An d t h dam p ing  f o rce  o f  t h sy stem  is:    l B Q x B Q p lost , eq lost , x   (9 )     The Lagrange’s prin ciple is written as:    lost , j j j j Q Q q L q L dt d (1 0)   l m M r f x Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN:  2 089 -48 56  IJRA Vol. 3, No. 4,  D ecem ber 2014:   252 – 258  2 55  Whe r j q   is the gene ralized coordinate of the system ,   j Q is the ge neralized force e x erte d to  t h e   cor r es po n d in gene ralized c o or dinate,  an lost j Q ,  is the  dam p ing  force.  The n   usin g La gra n ge’s  p r inci ple, the  n o n lin ear e quatio ns  o f  the  sy stem  can  be ac hieve d   [ 16] :     0 2 sin g l cos x f sin ml cos ml x ) m M (   (1 1)     On t h e ot her  hand, the linea force of the ca rt  f  is origi n ated from  the torque  of the  DC  m o tor. The r efore, the  related equations are:    r x e R k R k T f r T 2   (1 2)     Whe r T  is the torque of  the   actuator ,  a nd   is the angular  velocity of the  m o to r .  Thu s , fr o m  Eq s.   (1 1)   and  (1 2) , we have:     0 1 2 2 sin g l cos x e R k x Rr k r sin ml cos ml x ) m M (   (1 3)     To prese n t the nonlinear e quations  of the syste m  in s t ate-space form ,   the state  vector is defi ned as    x x X , and t h nonli n ear equations  are:    ) cos ( ml Ml Rr x k Rr ke cos sin g ) m M ( cos sin ml ) ( dt d tan g ) cos ( m M Rr x k Rr ke l tan gl ) m M ( sin ml x ) x ( dt d x 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1   (1 4)     M o re ove r, to  Use LQR  m e tho d , the  linea rization o f  the  no nlinear e q uation s  m u st  be d one . Usi n g the  linearization m e thod, t h e state - space  lineariz ed  Equation of  the syst em s are obtained as:     u D X C y u B X A X   (1 5)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J RA I S SN:  208 9-4 8 5 6     A LQR  Op timal Meth od  to  Con tro l  th e Po sitio n  o f   an   Overhea d  Cran e (J.  Ja fa ri)  25 6  0 0 0 0 1 0 0 0 ) ( 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 2 2 2 2 D C RrMl k RrM k B Ml g m M Ml Rr k M mg M Rr k A       4.   SIMULATIONS  AN D R E SU LTS  In t h is section, the L Q R cont rol  of t h ove rhead cr ane is si m u lated. The  param e ters of t h e system s   are:  m l 3302 . 0 kg M 073 . 1 kg m 23 . 0 m r 006 . 0 6 . 2 R e,   rad Vs k / 00767 . 0 V e 12 max and  2 / 81 . 9 s m g  [17]   As it is m e ntioned, the  desired criteri ons  of  the control  design are: t h e tr olley can set the fi nal position while  the swaying of the  pe ndul um   is dam p ed  quic k ly, and  t h e input voltage  of the  m o tor does not  exceed  its   m a xim u m  value. Fo r a r bitra r y   Q  a nd  R  wei g hting m a trices,  the LQR feedb ack controller gains  are s hown i n   Table 1.       Table 1.  L Q R  cont roller gai n Contr o ller  gain  R   Q   83742 . 0 97281 . 0 5735 . 1 1 K   1   ) ( diag 1   22028 0 17422 0 57139 0 31623 0 . . . . K   1   ) . ( diag 1 0   7238 2 7902 5 3898 4 1623 3 . . . . K   1 0 .   ) ( diag 1       An d t h e sim u lation  results a r depicted         Figure  2. The   displacem ent of the  cart   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN:  2 089 -48 56  IJRA Vol. 3, No. 4,  D ecem ber 2014:   252 – 258  2 57    Figure  3. The   displacem ent of the  pe ndul um       Figu re  4.  The   voltage  o f  t h cart      As it is seen i n  the forgoi ng figures, in c r e a sing the wei g hting  of the st ate vector ( Q ) ,  and dec r easin g the  weighting  of t h e input ( R ) leads to decreasing the m a xim u m of  the cart position and increasi ng  of the  m a xim u m  values of the in p u t contr o ller. T h eref ore ,  o n e can choose appropriate va lues  of  Q an d R  to obtai n   desire d results.       5.   CO NCL USI O N   In this pa pe r, the p o sition c o ntr o l of the  ov erhe a d  cra n e has been investi g ated using L Q R optim a cont rol m e thod.  At first, t h e  no nlinea r dy n a m i c equati ons  of t h e sy stem  have  bee n   der i ved  via Lag r a nge ’s   pri n ciple, an d then the  dy nam i c of the DC  m o to r has be en  applied t o  the syste m The voltage of the actuator  of the trolley has been as sum e d as th e input, and  displacem ent of t h e trol l e y has bee n  presum ed as the out put  of t h e system To c ont rol t h position  of t h cart, th e LQR m e thod has be en devel ope a n som e   sim u lations   have  bee n  d o n e.  It is concl ude d that i n cr easing t h e wei ghting  of t h state vector  ( Q ) or dec r easing  t h e   weighting  of t h e input ( R ) leads to decreasing the m a xim u m of  the cart position and increasi ng  of the  m a xim u m  values  of  the  in p u t co ntr o ller.   Furt herm ore,  si m u lation results properly  de m onstrated the  p o we r   and efficiency  of th e p r op osed   ap pro ach.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J RA I S SN:  208 9-4 8 5 6     A LQR  Optimal Method t o  Control t h e Pos ition  of an Overhead  Crane (J.  Jafari)  25 8 REFERE NC ES   [1]   Jingsong, L.I .,  Su, H., &  Liu ,  Q. (2013). A  Three Di mensional Simulatio n Method of the Gantr y  Cr ane.  TELKOMNIKA Indonesian Journ a of Electrical  Engineering , 11( 4), 2187-2194 [2]   Zheng, X., Zeng , J., Zh ang, H.,  & Xie,  Z. (2014) Research   of Embedded  Towe r   Crane Monitorin g  S y stem B a sed  on   FCS.   TELKOM NIKA Indonesia n  Journal  o f  Electrical  Eng i neering , 12(2) , 1046- 1052.  [3]   Zhao, Y., & Gao, H .  (2012) Fuzzy - model-based contro of   an overh ead  cr ane with   input  d e lay  and actuator  saturation.  Fuzzy Systems, IEEE  Transactions on , 20(1), 181-186.  [4]   Vukov, M., Van Loock, W., Houska, B ., Ferreau, H.J., Swevers, J., & Dieh l, M. (2012, June ). Exper i mental  valid ation of n onlinear MPC  on an overhead  cr ane using automatic cod e   generation. In  American Contr o Confer enc e  ( A C C ), 2012  (pp. 62 64-6269). I EEE.  [5]   Moon, S.C., Lee, W. G., &  Lee,  S.G. (2013). Ad aptiv e sliding  mode c ontrol of  o v erhead  cr anes  with var y ing  cable  length .   Journal  of Mechanica l S c ien c e and Tech nology , 27(3), 8 85-893.  [6]   Hubbell, J.T., Koch, B .   and McC o rmic k, D. 1992. Modern  crane control  e nhancements. ASCE,  USA:  Seattle  [7]   Masoud, Z.N. 2 009. Effect of hoisti ng cable elasticity  on anti-sway  contro lle r s  of quay - side  container cr anes Journal of Nonlinear Dynamics , 58:  129-140.   [8]   Solihin, M.I., & Legowo, A. (2010). Fuzzy - tun e d PID  anti-swing control of automatic gan t r y  crane.  Journal of  Vibration and  C ontrol , 16(1) , 12 7-145.  [9]   Ahmad, M. A.,  & Mohamed,  Z.  (2009). H y brid   fuzzy   logic control with  input sh aping for  input tracking  and s w ay   suppression of a  gantr y   cran e s y s t em.  American  Jo urnal of  Engineering and App lied  Sciences , 2(1) 241.  [10]   Wah y udi, M. an d Jalani, J. 2005.  Design and implementa tion of fu zzy logic c ontroller for an intelligent gantry cra n e   sy ste m . Proceedings of Intern atio nal Conf eren ce  on M echatronics, pp . 345-  351.  [11]   Wang, Z. and Surgenor, B. 2004. Pe rformance evaluation of the optimal  control of a gantr y  cr ane.  ASM E   Conference on  Engineerin g  Systems Design and Analysis , pp . 869- 874.  [12]   Zhao, Y., & Gao, H .  (2012) Fuzzy - model-based contro of   an overh ead  cr ane with   input  d e lay  and actuator  saturation.  Fuzzy Systems, IEEE  Transactions on , 20(1), 181-186.  [13]   Bakhtia ri-Nej ad F., Nazem iz ade h  M., and Arjmand H. (2013) . Track ing control  of an underactu a ted gan t r y   cra n e   us ing an op tim al  feedb ack  con t ro ller .   In ternation a l Journal of Automotive  &  Mech anical Engin eering , 7 ,   830-  839.    [14]   Nazem izad eh,  M. (2013). A  PID Tuning Me tho d  for Tr acking  C ontrol of  an Und e rac t uat e d Gan t r y  Cr ane .   Uni ver s a l   Journal of Engin eering M echan ics , 1, 45-49.     [15]   Ogata K  (2002)  Modern Control  E ngineering. Aeeizb  Publisher .   [16]   Dey ,  R., Sinha, N., Chaube, P .,  Ghosh, S. and R a y ,  G. 2010.  Active sway  con t rol of a  single pendulum gantr y  cr ane  s y stem using output-delay ed f eedback  control technique. In ternational C onf erence on Control, Automatio n ,   Robotics  and Vision, pp. 532-53 6.  [17]   Iles, S., Koloni,  F. and Matusko ,  J. 2011.  Lin ear  matrix in equ a lities based H1 con t rol of  g a ntr y   cr ane using  tenso r   product  transfor mation. In tern ational Conf eren ce on Process Con t rol, pp . 92-  99.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.