欠驅(qū)動單級擺及二級擺型橋式吊車非線性控制策略研究.pdf

1、橋式吊車是一類典型的欠驅(qū)動系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于工廠、建筑工地、海港、碼頭等諸多領(lǐng)域，其主要控制目標是快速、準確地將貨物運送至目標位置，并在此過程中保證貨物的擺動盡可能小。橋式吊車系統(tǒng)的控制輸入（臺車驅(qū)動力）的個數(shù)少于系統(tǒng)的待控自由度（臺車位移、負載擺角）。由于吊車系統(tǒng)節(jié)省了部分執(zhí)行器，因此具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、能耗小等優(yōu)點。但在控制方法設(shè)計過程中，需充分考慮各狀態(tài)之間的強耦合性、強非線性關(guān)系，這給控制器的設(shè)計帶來極大的挑戰(zhàn)。
　　

2、迄今為止，大部分工業(yè)吊車仍由人工手動操作，臺車的定位性能及負載的消擺能力完全依賴操作人員的工作經(jīng)驗，吊車作業(yè)過程中存在工作效率低以及易發(fā)生安全事故的問題。因此，針對橋式吊車系統(tǒng)，研究出適用于工業(yè)現(xiàn)場的自動控制方法是非常重要的。雖然，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對欠驅(qū)動橋式吊車系統(tǒng)，取得了一系列研究成果，不過，從吊車實際運行的角度來看，現(xiàn)有控制方法存在以下幾個缺點:1）大多數(shù)已有的控制方法忽視軌跡規(guī)劃過程，值得指出的是，目前并未有針對二級擺型橋式吊車

3、系統(tǒng)軌跡規(guī)劃方法的文獻;2）現(xiàn)有的軌跡跟蹤控制方法無法保證跟蹤誤差始終在允許的范圍內(nèi)，且不能適用于系統(tǒng)參數(shù)未知的情形;3)為保證系統(tǒng)的收斂性，已有的控制方法往往需假設(shè)負載的初始擺角為零;4）當負載運送距離發(fā)生改變時，現(xiàn)有的軌跡規(guī)劃方法需重新離線計算目標軌跡參數(shù)，因此，無法執(zhí)行不同運輸任務(wù);5）已有的調(diào)節(jié)控制方法無法保證臺車的平滑啟動，且無法直接應(yīng)用于結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、狀態(tài)耦合性更強的三維橋式吊車系統(tǒng)、二級擺型橋式吊車系統(tǒng)以及伴隨負載升降運動的

4、橋式吊車系統(tǒng);6）現(xiàn)有針對伴隨負載升降運動的橋式吊車系統(tǒng)的控制方法并未考慮負載受持續(xù)擾動的情形，在這種情況下，負載最終不會垂直穩(wěn)定，而會與垂直方向形成一個夾角;7）已有的控制方法僅能保證系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性;8）現(xiàn)有大多數(shù)針對橋式吊車系統(tǒng)的控制方法需假設(shè)負載擺角可直接獲得，而在實際運行中，負載擺角很難甚至無法直接測量。
　　為提高欠驅(qū)動橋式吊車的定位消擺控制效果，并解決已有控制方法存在的以上問題，本文對橋式吊車系統(tǒng)的控制方法展開了更加

5、深入的研究，主要包括以下幾個內(nèi)容:
　　1)二級擺型橋式吊車系統(tǒng)在線軌跡規(guī)劃方法。臺車的加速度與吊鉤擺動、負載擺動的大小息息相關(guān)，本文通過合理分析臺車加速度與吊鉤擺動、負載擺動之間的動態(tài)耦合關(guān)系，提出一種針對二級擺型橋式吊車系統(tǒng)的在線軌跡規(guī)劃方法。設(shè)計的軌跡可在線生成，不需要提前或離線規(guī)劃軌跡參數(shù)，具有優(yōu)異的定位消擺控制性能。論文通過數(shù)值仿真驗證了所提在線軌跡規(guī)劃方法的控制性能。
　　2)橋式吊車系統(tǒng)跟蹤控制方法。針對現(xiàn)有跟

6、蹤控制方法存在的問題，本文設(shè)計了兩種魯棒跟蹤控制方法。第一種自適應(yīng)跟蹤控制方法是針對受系統(tǒng)參數(shù)不確定性以及外部擾動影響的二級擺型橋式吊車系統(tǒng)提出的。該方法可有效抑制上述干擾的影響，從理論上保證臺車跟蹤誤差始終被約束在合理范圍內(nèi)，并最終實現(xiàn)臺車快速、精確的定位以及吊鉤、負載擺動的有效消除。第二種控制方法可將橋式吊車系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑囟ńY(jié)構(gòu)的期望目標系統(tǒng)，該方法放寬已有控制方法對初始負載擺角為零的假設(shè)。并且，所設(shè)計的期望誤差軌跡可用于執(zhí)行不同

7、的運輸任務(wù)，無需任何離線優(yōu)化運算，具有非常重要的實用價值。仿真和實驗結(jié)果表明，所提誤差跟蹤控制方法具有良好的控制效果。
　　3)橋式吊車系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制方法。圍繞現(xiàn)有調(diào)節(jié)控制方法的限制與不足，提出兩種非線性調(diào)節(jié)控制方法。第一種方法針對三維橋式吊車系統(tǒng)設(shè)計了一種增強耦合非線性控制方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單、不包含與吊繩長度相關(guān)的項，因此針對不同/不確定吊繩長度具有很強的魯棒性。此外，通過增強臺車運動與負載擺動之間的耦合關(guān)系，大幅度提升了系統(tǒng)的

8、暫態(tài)控制性能。為測試該方法的實際控制性能，本文給出了詳細的數(shù)值仿真以及實驗結(jié)果。第二種控制方法針對狀態(tài)間耦合性更強的二級擺型橋式吊車系統(tǒng)，提出了一種能量耦合控制方法。該方法具有PD型的簡單結(jié)構(gòu)，且與系統(tǒng)參數(shù)無關(guān)，通過在控制器中引入雙曲正切函數(shù)，大大減少了臺車的初始驅(qū)動力，進而保證了臺車的平滑啟動。借助數(shù)值仿真，將所提能量耦合控制方法與現(xiàn)有控制方法進行對比，驗證了它優(yōu)異的定位消擺控制性能。
　　4)伴有負載升降運動的橋式吊車控制方法

9、。負載的升/落吊運動極易引起負載的大幅度擺動，并導(dǎo)致現(xiàn)有定繩長吊車控制策略無法應(yīng)用的問題。本文在不對吊車非線性動力學(xué)模型進行任何線性化或者近似處理的條件下，提出了局部飽和自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制方法以及基于能量分析的模糊控制方法。第一種控制方法考慮了系統(tǒng)參數(shù)未知/不確定以及外部擾動的影響，通過引入雙曲正切函數(shù)，從理論上證明即使臺車以及吊繩初始速度很大時，所提局部飽和自適應(yīng)控制方法仍可保證臺車的平滑啟動。此外，通過在所設(shè)計的控制器中加入記憶模快，有

10、效地減少了未知/不確定系統(tǒng)參數(shù)的收斂時間。第二種控制方法充分考慮了負載受持續(xù)擾動的情況，建立了帶有持續(xù)擾動的變繩長橋式吊車系統(tǒng)的動力學(xué)模型，并通過設(shè)計模糊擾動觀測器，對持續(xù)擾動進行完全補償。論文對這兩種控制方法的定位與消擺控制性能進行了大量的測試。
　　5)考慮未建模動態(tài)及外部擾動的滑?？刂品椒?。針對受外部擾動及系統(tǒng)未建模動態(tài)影響的二級擺型橋式吊車系統(tǒng)、二維橋式吊車系統(tǒng)，分別設(shè)計了增強耦合非線性的PD型滑?？刂品椒ā⒂邢迺r間軌跡跟

11、蹤控制方法。第一種控制方法與系統(tǒng)模型、參數(shù)無關(guān)，并兼具滑?？刂品椒ǖ膹婔敯粜砸约癙D控制方法的結(jié)構(gòu)簡單、易于工程實現(xiàn)的優(yōu)點，具有很好的實用價值。此外該方法通過引入一個廣義信號，增強了臺車運動、吊鉤擺動以及負載擺動之間的耦合關(guān)系，大大提升了系統(tǒng)的暫態(tài)控制性能。第二種控制方法是基于兩個終端滑模觀測器提出的，其中一個觀測器用來估計負載擺角，另一個觀測器用來估計不確定動力學(xué)。因此，所提控制方法針對不確定系統(tǒng)參數(shù)以及外部擾動具有很強的魯棒性，且不