带有跟踪误差约束的桥式吊车自适应跟踪控制器及方法技术

本发明专利技术公开了一种带有跟踪误差约束的桥式吊车自适应跟踪控制器及方法，首先为台车选择了一条光滑连续的S形轨迹；然后为保证台车跟踪目标轨迹，根据能量整形的观点设计出一种自适应跟踪控制器；最后，为保证台车的跟踪误差始终在允许的范围内，在自适应跟踪控制器中引入了一个额外项。本发明专利技术控制器及方法可保证台车的跟踪误差始终在允许的范围内，具有良好的控制性能以及对系统参数不确定性以及外部扰动的适应性。

【技术实现步骤摘要】
带有跟踪误差约束的桥式吊车自适应跟踪控制器及方法
本专利技术涉及二级摆型桥式吊车系统的控制
，尤其涉及一种带有跟踪误差约束的桥式吊车自适应跟踪控制器及方法。
技术介绍
作为一类大型的运输工具，桥式吊车系统已广泛应用于世界各地。但是，由于桥式吊车系统的欠驱动特性，给其高性能控制器的设计带来极大的挑战。由惯性或者外部扰动引起的负载摆动是影响吊车系统工作效率的主要原因。若负载摆动呈现单级摆动特性，操作人员可依靠其长期工作经验，通过降低台车的速度对负载的摆动进行抑制与消除。然而当吊钩质量与负载质量相近不能忽略、负载尺寸较大不能看成质点时、或选用某种特定的起重机构时，负载与吊钩之间会产生相对的摆动，呈现非常复杂的二级摆动特性。在这种情况下，针对单级摆型桥式吊车系统设计的控制方法的控制性能将会大打折扣。因此，研究二级摆型桥式吊车系统的控制算法无论是在理论上还是在实际上都是十分重要的。近年来，二级摆型桥式吊车系统的控制问题备受关注。研究人员提出了一系列的闭环控制算法，比如：1)通过将台车运动与两级摆动耦合在一个滑模面上，设计出两种控制器(CSMC控制器和HSMC控制器)，以实现台车的精确定位以及消摆控制的双重目标。2)通过拉格朗日方法建立二级摆型桥式吊车系统的动力学模型，分析了二级摆型桥式吊车系统的欠驱动特性、无源性以及系统的两个固有频率，在此基础上提出一种基于无源性的控制方法。同时提出了一系列开环控制方法，比如：1)通过将控制命令与特定脉冲信号进行卷积整形，实现吊钩摆动以及负载绕吊钩摆动的有效抑制的目标。但是，众所周知，桥式吊车系统工作环境非常复杂。桥式吊车系统通常会受到负载质量、台车质量、吊绳长度、摩擦力等系统参数不确定因素以及空气阻力等外部扰动的影响，这些系统参数以及外部扰动是很难测量的。上述二级摆型桥式吊车系统的闭环控制方法结构非常复杂，不易于实际工程应用。输入整形方法仅可抑制或消除操作人员特定的操作指令引起的摆动。也就是说，输入整形方法无法消除由外部扰动引起的摆动。以上提到的二级摆型桥式吊车系统的控制方法大多是调节控制方法，而轨迹规划的环节往往被忽略。并且，以上调节控制方法存在一些核心指标包括台车最大速度/加速度、吊钩摆幅、负载绕吊钩摆幅、台车工作效率无法在理论上得到保证的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题，提出了一种带有跟踪误差约束的二级摆型桥式吊车系统自适应跟踪控制器及方法，该控制器及方法结构简单、易于工程实现，可保证台车的跟踪误差始终在允许的范围内，具有良好的控制性能以及对系统参数不确定性以及外部扰动的适应性。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：带有跟踪误差约束的二级摆型桥式吊车自适应跟踪控制器，包括：通过引入势函数Vp(t)保证系统跟踪误差ex始终在允许的范围内，根据二级摆型桥式吊车系统的能量函数形式，设计自适应跟踪控制器如下：其中，Fx为施加于台车上的驱动力；λ,kp,kd∈R+为正的控制增益；为系统跟踪误差的允许范围；为提前设定的常数；Y为可测回归向量；为系统参数向量；ex为台车的跟踪误差。所述引入的势函数Vp(t)具体表达式为：其中，λ∈R+为正的控制增益；ex为台车的跟踪误差，为提前设定的常数。带有跟踪误差约束的二级摆型桥式吊车系统自适应跟踪控制方法，包括以下步骤：(1)假设在整个运输过程中，θ1为吊钩摆角，即第1级摆角；θ2为负载绕吊钩的摆角，即第2级摆角；并且摆角θ1和θ2均足够小；(2)选取一条光滑连续的S形曲线作为台车的定位参考轨迹；(3)定义系统跟踪误差向量e，结合所述误差向量与二级摆型桥式系统的能量函数的结构，构造新的二级摆型桥式系统正定函数V(t)；(4)引入势函数Vp(t)，保证系统跟踪误差ex始终在允许的范围内；(5)将系统能量函数V(t)与势函数Vp(t)相结合，得到函数Vall(t)；(6)根据函数Vall(t)的导数形式，得到带有跟踪误差约束的桥式吊车自适应跟踪控制器；(7)将实际检测的台车位移x、吊钩摆角θ1、负载绕吊钩的摆角θ2的信号输入到上述带有跟踪误差约束的桥式吊车自适应跟踪控制器中，输出驱动台车运动的力矩Fx，在系统吊车台车负载质量、吊绳长度、摩擦力参数不确定以及存在外部扰动的情况下均能够保证台车的跟踪误差始终在允许的范围内，实现台车的精确定位以及吊钩摆动、负载绕吊钩摆动的有效抑制与消除。所述步骤(2)中台车的定位参考轨迹具体表达式为：其中，pd∈R+为台车的目标位置；ka,kv∈R+分别表示台车最大允许加速度，速度；ε∈R+为调整、优化初始加速度的参数。所述步骤(3)中构造的二级摆型桥式系统正定函数V(t)具体为：其中，e为系统跟踪误差向量；M(q)＝MT(q)为系统的惯量矩阵；θ1以及θ2分别代表吊钩摆角和负载绕吊钩的摆角；m1以及m2分别表示吊钩质量以及负载质量；g为重力加速度。以二级摆型桥式吊车系统能量函数为基础，将二级摆型桥式吊车系统的状态向量替换为系统跟踪误差向量e，得到新的二级摆型桥式系统能量函数V(t)。所述步骤(4)中引入的势函数Vp(t)具体表达式为：其中，λ∈R+为正的控制增益；ex为台车的跟踪误差，为提前设定的常数。所述步骤(5)中得到的函数Vall(t)具体表达式为：其中，ex为台车的跟踪误差；为参数估计误差；φ＝diag(φ1,φ2,φ3,φ4,φ5,φ6)为正定的对角更新增益矩阵。所述步骤(6)中得到的带有跟踪误差约束的二级摆型桥式吊车系统自适应跟踪控制器具体表达式为：其中，Fx为施加于台车上的驱动力；λ,kp,kd∈R+为正的控制增益；为系统跟踪误差的允许范围；为提前设定的常数；Y为可测回归向量；为系统参数向量；ex为台车的跟踪误差。本专利技术的有益效果是：与二级摆型桥式吊车系统的大多数控制方法相比，本文提出的自适应跟踪控制方法结构简单，易于工程实现。并且从理论上证明了所提自适应跟踪控制方法即使在系统参数不确定的情况下以及存在外部扰动时仍可保证系统的渐近跟踪特性，具有很强的鲁棒性以及对系统参数不确定性以及外部扰动的适应性。并且，通过在控制器中引入一个新的势函数，保证了台车跟踪误差始终在允许的范围内，具有良好的控制性能。附图说明图1为二级摆型桥式吊车系统模型图；图2(a)为本专利技术方法得到的台车位移、台车速度和台车加速度仿真结果图；图2(b)为本专利技术方法得到的吊钩摆角、负载绕吊钩摆角和台车驱动力仿真结果图；图3(a)为基于能量的控制器得到的台车位移、台车速度和台车加速度仿真结果图；图3(b)为基于能量的控制器得到的吊钩摆角、负载绕吊钩摆角和台车驱动力仿真结果图；图4(a)为基于CSMC控制器得到的台车位移、台车速度和台车加速度仿真结果图；图4(b)为基于CSMC控制器得到的吊钩摆角、负载绕吊钩摆角和台车驱动力仿真结果图；图5(a)为本专利技术实施例中第一种情况下台车位移/期望轨迹、台车速度/期望速度、台车加速度/期望加速度和台车跟踪误差仿真结果图；图5(b)为本专利技术实施例中第一种情况下吊钩摆角、负载绕吊钩摆角和台车驱动力仿真结果图；图6(a)为本专利技术实施例中第二种情况下台车位移/期望轨迹、台车速度/期望速度、台车加速度/期望加速度和台车跟踪误差仿真结果图；图6(b)为本专利技术实施例中第二种情况下吊钩摆本文档来自技高网...

【技术保护点】
带有跟踪误差约束的二级摆型桥式吊车系统自适应跟踪控制器，其特征是，包括：通过引入势函数Vp(t)保证系统跟踪误差ex始终在允许的范围内，根据二级摆型桥式吊车系统的能量函数形式，设计自适应跟踪控制器如下：其中，Fx为施加于台车上的驱动力；λ,kp,kd∈R+为正的控制增益；为系统跟踪误差的允许范围；为提前设定的常数；Y为可测回归向量；为系统参数向量；ex为台车的跟踪误差。

【技术特征摘要】
1.带有跟踪误差约束的二级摆型桥式吊车系统自适应跟踪控制器，其特征是，包括：通过引入势函数Vp(t)保证系统跟踪误差ex始终在允许的范围内，根据二级摆型桥式吊车系统的能量函数形式，设计自适应跟踪控制器如下：其中，Fx为施加于台车上的驱动力；λ,kp,kd∈R+为正的控制增益；为系统跟踪误差的允许范围；为提前设定的常数；Y为可测回归向量；为系统参数向量；ex为台车的跟踪误差；所述引入的势函数Vp(t)具体表达式为：其中，λ∈R+为正的控制增益；ex为台车的跟踪误差，为提前设定的常数。2.带有跟踪误差约束的桥式吊车自适应跟踪控制方法，其特征是，包括以下步骤：(1)假设在整个运输过程中，θ1为吊钩摆角，即第1级摆角；θ2为负载绕吊钩的摆角，即第2级摆角；并且摆角θ1和θ2均足够小；(2)选取一条光滑连续的S形曲线作为台车的定位参考轨迹；(3)定义系统跟踪误差向量e，结合所述误差向量与二级摆型桥式系统的能量函数的结构，构造新的二级摆型桥式系统正定函数V(t)；(4)引入势函数Vp(t)，保证系统跟踪误差ex始终在允许的范围内；引入的势函数Vp(t)具体表达式为：其中，λ∈R+为正的控制增益；ex为台车的跟踪误差，为提前设定的常数；(5)将二级摆型桥式系统正定函数V(t)与势函数Vp(t)相结合，得到函数Vall(t)；(6)根据函数Vall(t)的导数形式，得到带有跟踪误差约束的桥式吊车自适应跟踪控制器；(7)将实际检测的台车位移x、吊钩摆角θ1、负载绕吊钩的摆角θ2的信号输入到上述带有跟踪误差约束的桥式吊车自适应跟踪控制器中，输出驱动台车运动的力矩Fx，在系统吊车台车负载质量、吊绳长度、摩擦力参数不确定以及存在外部扰动的情况下均能够保证台车的跟踪误差始终在允许的范围内，实现台车的精确定位以及吊钩摆动、负载绕吊钩摆动的有效抑制与消除。3.如权利要求2所述的带有跟踪误差约束的桥式吊车自适应跟踪控制方法，其特征是，所述步骤(2)中台车的定位参考轨迹具体表达式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：马昕，张梦华，田新诚，荣学文，宋锐，李贻斌，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37