一种基于系统无源性的欠驱动桥式吊车抗干扰防摆方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于系统无源性的欠驱动桥式吊车抗干扰防摆方法，属于桥式吊车防摆技术领域。该基于系统无源性的欠驱动桥式吊车抗干扰防摆方法包括如下步骤：S1：建立桥式吊车系统的动力学模型；S2：建立基于动力学模型的摩擦力模型和风阻模型；S3：根据摩擦力模型和风阻模型构建基于李雅普诺夫函数、用以克服系统摩擦力和阻力的控制器。本发明专利技术可以克服系统中的摩擦力及阻力，实现吊车系统的快速定位，并有效地抑制它的摆动，并且系统抗干扰能力强，具有较强得鲁棒性，在较好的实现台车的消摆定位的同时，有效的提升系统的暂态控制性能。

An anti-interference and anti swing method of underactuated bridge crane based on system passivity

【技术实现步骤摘要】
一种基于系统无源性的欠驱动桥式吊车抗干扰防摆方法
本专利技术属于桥式吊车防摆
，涉及一种基于系统无源性的欠驱动桥式吊车抗干扰防摆方法。
技术介绍
在各类吊车中，应用得最为广泛的是桥式吊车。与其它吊车一样，桥式吊车控制的主要目标是在最短时间内完成负载的快速、准确的运送。桥式吊车作为一种欠驱动系统，其算法设计简单，控制器较少，成本较低。但是，伴随着台车的运动，吊车会因为负载的摆动现象出现不稳定问题。台车和负载摆动之间的关系是非线性的，并且是高度耦合的。此外，外界干扰(如风力等)引发的负载摆动不仅会降低整体的效率，影响负载在落吊过程中的精确放置操作，还可能引发碰撞而造成安全事故。在一些特殊的场合，如钢水包搬运，甚至期望能实现“无摆”运送（资助本文的国家重大研发计划项目即着手于这方面的研究），以防止高温钢水溢溅。因此，防摆是评估吊车控制性能的重要指标，然而由于吊车系统自身的欠驱动特性，人们仅能操纵台车的水平运动和负载的升／落吊运动，而无法直接对负载的空间摆动施加控制。为此，要完成控制任务，必须通过合理地控制台车运动，在不影响其自身定位的同时，抑制并消除负载摆动。迄今为止，由于适用于工业现场的自动控制方法的缺失，绝大部分工业吊车仍由工人师傅手动操作，台车的定位性能以及负载的消摆能力完全依赖操作人员的工作经验。在运输过程中，若发生负载的摆动，工人师傅一般会采取降低台车速度、停车待摆动消除后再继续操作、使台车反向运动等操作。但这些操作消摆效果并不理想，体现出以下不足之处：1）定位精度差，台车需反复调整运动后才能到达目标位置时；2)操作效率低，消摆效果差；3)对操作人员要求很高，需要进行长时间的技能培训和不断的经验积累；4）长期连续工作易引发疲劳，导致误操作，伤亡事故频发；5）在特殊应用场合，如核材料运输等，人工无法操作。因此，为提高工作效率与安全性能，减少人力劳动，获得可观的经济效益，设计吊车高效自动定位消摆控制方法的需求是具有重大实际意义和非常迫切的。桥式吊车系统作为典型的欠驱动系统，大多数已有的控制方法仅考虑吊车系统的单级摆动特性，而在很多情况下：1)吊钩质量与负载质量相近而不能忽略吊钩质量时；2)负载质量分布不均匀、尺寸较大不能看成质点时，吊车系统会呈现双摆特性。当出现双摆特性时，负载会绕吊钩摆动，导致吊车系统的动力学模型更加复杂，各状态之间的耦合性更高，欠驱动度更高，给系统的消摆控制方法的设计带来极大的挑战。
技术实现思路
本专利技术针对现有的技术存在的上述问题，提供一种基于系统无源性的欠驱动桥式吊车抗干扰防摆方法，本专利技术所要解决的技术问题是：如何提供一种基于系统无源性的欠驱动桥式吊车抗干扰防摆方法。本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于系统无源性的欠驱动桥式吊车抗干扰防摆方法，包括如下步骤：S1：建立桥式吊车系统的动力学模型；S2：建立基于动力学模型的摩擦力模型和风阻模型；S3：根据摩擦力模型和风阻模型构建基于李雅普诺夫函数、用以克服系统摩擦力和阻力的控制器。优选的，所述动力学模型包括惯性矩阵，，其中广义外力，为驱动力，为台车摩擦力，为系统受到的空气阻力，广义坐标矢量为，，惯性矩阵为，，离心力和哥氏力项为，，重力项为，，为台车质量，为吊钩质量，为负载质量，为台车位移，为台车与吊钩之间的第一绳的长度，为吊钩与负载之间的第二绳的长度，为表示吊钩摆动角度的第一摆角，为表示负载摆动角度的第二摆角，为重力加速度，为的一阶导数，为的一阶导数。优选的，所述摩擦力模型包括台车机械摩擦力，，其中、、为与摩擦力相关的系数，为的一阶导数。优选的，所述风阻模型包括负载空气阻力，空气阻力，其中为风阻系数，为空气密度，为负载的迎风面积，为负载速度，令，则。优选的,负载位移为，，则。优选的，所述控制器包括惯性矩阵和驱动力，，，其中、均为控制增益，，，表示台车的定位误差，，为台车目标位置，为在预设时间时台车的预设位置，。优选的，所述吊车系统为欠驱动非线性系统，系统输入的控制量为一维向量，系统广义坐标变量为三维向量，惯性矩阵为正定对称矩阵。优选的，所述吊车系统的总能量为，，其中系统总势能，，根据拉格朗日力学原理得到，则，则，其中为反对称矩阵，由反对称矩阵性质得到，则，则以为系统输入、以为系统输出的吊车系统是无源系统。优选的，根据吊车系统无源性在有界输入条件下内部能量衰减的特性，结合李雅普诺夫定理和拉塞尔不变性原理可得到由控制器控制的吊车系统渐近收敛，则，系数矩阵，干扰系数的估计值，其中，，，分别为的估计值，为了消除机械摩擦力和空气阻力的影响，设计的更新规律为，，为一正定的对角控制增益矩阵。优选的，步骤S3之后还包括整定参数和。本专利技术中首先建立桥式吊车二级摆系统的动力学模型，在动力学模型的基础上建立系统的摩擦力模型和风阻模型，接着根据摩擦力模型和风阻模型构建基于李雅普诺夫函数、用以克服系统摩擦力和阻力的控制器，可以克服系统中的摩擦力及阻力，实现吊车系统的快速定位，并有效地抑制它的摆动，并且系统抗干扰能力强，具有较强得鲁棒性，在较好的实现台车的消摆定位的同时，有效的提升系统的暂态控制性能。附图说明图1是本专利技术中的吊车系统的结构示意图；图2是本专利技术的流程示意图。具体实施方式以下是本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。请参阅图1和图2，本实施例中的基于系统无源性的欠驱动桥式吊车抗干扰防摆方法，包括如下步骤：S1：建立桥式吊车系统的动力学模型；S2：建立基于动力学模型的摩擦力模型和风阻模型；S3：根据摩擦力模型和风阻模型构建基于李雅普诺夫函数、用以克服系统摩擦力和阻力的控制器。此处，首先建立桥式吊车二级摆系统的动力学模型，在动力学模型的基础上建立系统的摩擦力模型和风阻模型，接着根据摩擦力模型和风阻模型构建基于李雅普诺夫函数、用以克服系统摩擦力和阻力的控制器，可以克服系统中的摩擦力及阻力，实现吊车系统的快速定位，并有效地抑制它的摆动，并且系统抗干扰能力强，具有较强得鲁棒性，在较好的实现台车的消摆定位的同时，有效的提升系统的暂态控制性能。动力学模型可以包括惯性矩阵，在考虑摩擦力及空气阻力时，，其中广义外力，为驱动力，为台车摩擦力，为系统受到的空气阻力，广义坐标矢量为，，惯性矩阵为，，离心力和哥氏力项为，，重力项为，，为台车质量，为吊钩质量，为负载质量，为台车位移，为台车与吊钩之间的第一绳的长度，为吊钩与负载之间的第二绳的长度，为表示吊钩摆动角度的第一摆角，为表示负载摆动角度的第二摆角，为重力加速度，为的一阶导数，为的一阶导数。对于桥式吊车的控制而言,其目标是将负载快速准确的运送到目标位置，对于二级摆型桥式吊车，该控制目标要求台车尽可能快地到达目标位置的同时，能通过控制台车的运动使吊钩摆角与负载摆角迅速收敛为零，即：，为台车目标位置，为在预设时间时台车的预设位置。摩擦力模型可以包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于系统无源性的欠驱动桥式吊车抗干扰防摆方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：建立桥式吊车系统的动力学模型；/nS2：建立基于动力学模型的摩擦力模型和风阻模型；/nS3：根据摩擦力模型和风阻模型构建基于李雅普诺夫函数、用以克服系统摩擦力和阻力的控制器。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于系统无源性的欠驱动桥式吊车抗干扰防摆方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：建立桥式吊车系统的动力学模型；
S2：建立基于动力学模型的摩擦力模型和风阻模型；
S3：根据摩擦力模型和风阻模型构建基于李雅普诺夫函数、用以克服系统摩擦力和阻力的控制器。


2.如权利要求1所述的一种基于系统无源性的欠驱动桥式吊车抗干扰防摆方法，其特征在于：所述动力学模型包括惯性矩阵，，其中广义外力，为驱动力，为台车摩擦力，为系统受到的空气阻力，广义坐标矢量为，，惯性矩阵为，，离心力和哥氏力项为，，重力项为，，为台车质量，为吊钩质量，为负载质量，为台车位移，为台车与吊钩之间的第一绳的长度，为吊钩与负载之间的第二绳的长度，为表示吊钩摆动角度的第一摆角，为表示负载摆动角度的第二摆角，为重力加速度，为的一阶导数，为的一阶导数。


3.如权利要求2所述的一种基于系统无源性的欠驱动桥式吊车抗干扰防摆方法，其特征在于：所述摩擦力模型包括台车机械摩擦力，，其中、、为与摩擦力相关的系数，为的一阶导数。


4.如权利要求2或3所述的一种基于系统无源性的欠驱动桥式吊车抗干扰防摆方法，其特征在于：所述风阻模型包括负载空气阻力，空气阻力，其中为风阻系数，为空气密度，为负载的迎风面积，为负载速度，令，则。


5.如权利要求4所述的一种基于系统无源性的欠驱动桥式吊车抗干扰防摆方法，其特征在于：负...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴琳，刘惠康，鄢梦伟，孙博文，皮瑶，李倩，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42