一种桥式起重机自适应控制系统及其设计方法与应用技术方案

本发明专利技术公开了一种桥式起重机自适应控制系统及其设计方法与应用，包括步骤S1.考虑系统的有效荷载，建立二维桥式起重机系统模型；S2.在二维桥式起重机系统模型的基础上，规划欠驱动桥式起重机小车的运动轨迹；S3.设计匹配小车运动轨迹的自适应控制器；S4.在自适应控制器的基础上，设计快速有效时间状态观测器；本方法通过对负载的广义运动进行分析，提出了一种基于模型变换的自适应快速终端滑模防摆控制方法，该方法能够增强台车与负载间的耦合关系，提升控制器在定位和消摆任务中的暂态性能，同时能在模型参数未知的情况下完成以上任务，并且无需对模型做线性化处理，具有收敛速度快和鲁棒性好的特点。敛速度快和鲁棒性好的特点。敛速度快和鲁棒性好的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种桥式起重机自适应控制系统及其设计方法与应用


[0001]本专利技术属于桥式起重机防摆控制
，具体涉及一种桥式起重机自适应控制系统及其设计方法与应用。

技术介绍

[0002]目前，桥式起重机作为运输机械，广泛的应用于国民经济建设的各个领域，并发挥着极其重要的作用；为创造更大价值，桥式起重机的工作效率必须不断提高，而安全运行指标、台车定位及负载防摆的性能在很大程度上决定了桥式起重机的运送效率；
[0003]船用起重机在吊运作业时易受风浪影响，属于一类动基座激励作用下的起重设备，而目前已有的欠驱动桥式起重机防摆定位控制方法绝大多数都需要精确的模型参数信息，然而实际桥式起重机系统的台车质量、负载质量和吊绳长度的精确值在很多情况下难以测量；仅有的能够实现无需模型参数的自适应控制算法又无法做到全局快速收敛，并且抗干扰能力较弱；
[0004]因此亟需设计一种桥式起重机自适应控制系统，以解决上述问题，增强台车与负载间的耦合关系，提升控制器在定位和消摆任务中的暂态性能，实现具有参数不确定和外部干扰的桥式起重机的轨迹跟踪和防摆控制。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种桥式起重机自适应控制系统及其设计方法与应用，本方法通过对负载的广义运动进行分析，提出了一种基于模型变换的自适应快速终端滑模防摆控制方法，该方法能够增强台车与负载间的耦合关系，提升控制器在定位和消摆任务中的暂态性能，同时能在模型参数未知的情况下完成以上任务，并且无需对模型做线性化处理，具有收敛速度快和鲁棒性好的特点。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种桥式起重机自适应控制系统的设计方法，包括步骤
[0008]S1.考虑系统的有效荷载，建立二维桥式起重机系统模型；
[0009]S2.在二维桥式起重机系统模型的基础上，规划欠驱动桥式起重机小车的运动轨迹；
[0010]S3.设计匹配小车运动轨迹的自适应控制器；
[0011]S4.在自适应控制器的基础上，设计快速有效时间状态观测器。
[0012]优选的，步骤S1所述的桥式起重机系统模型的建立过程包括
[0013]S101.设在桥式起重机系统中，X和θ分别是小车的水平位移和负载的摆角，L是吊绳的长度，M和m分别是小车和负载的质量，f是轨道摩擦力，Fr是电机输出作用力；
[0014]S102.设负载具有点质量，吊绳没有质量和弹性，忽略空气阻力，固定吊绳长度的非线性起重机动力学关系为：
[0015][0016][0017]其中，g是重力常数，F＝F
r
‑
f是设计的控制输入，f的形式由式(3)给出：
[0018][0019]其中，f
r0
,为摩擦相关参数，为静摩擦系数；
[0020]S103.在转运过程中，吊绳长度恒定，摆动角度保持在一定范围内，有效负载始终位于小车下方，摆动角度为
‑
π/2＜θ(t)＜π/2。
[0021]优选的，步骤S2所述的欠驱动桥式起重机小车的运动轨迹的规划过程包括
[0022]S201.设小车的初始位置为零，小车到达目标位置的坐标为正数，且小车应始终向目标位置移动，小车的期望轨迹为取正常数的极限：
[0023]lim
t
→
∞
x
dx
(t)＝p
dx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0024]其中p
dx
表示定义的小车目标位置，并且p
dx
具有三次导数并且
[0025]S202.选择S型曲线轨迹作为定位参考轨迹，其表达式为：
[0026][0027]其中，P
dx
为定义的小车目标位置，p1、p2、ε均为可调参数，t为时间。
[0028]优选的，步骤S3所述的自适应控制器的设计过程包括
[0029]S301.设计全局快速终端滑模的滑动面；
[0030]S302.设计基于滑动面的自适应控制器模型；
[0031]S303.对自适应控制器模型进行稳定性分析。
[0032]优选的，步骤S301所述的全局快速终端滑模的滑动面的设计过程包括
[0033](1)明确自适应控制系统的控制目标是使小车快速准确地跟踪规划轨迹到目标位置，同时抑制和消除负载的摆动：
[0034]x(t)
→
x
dx
(t)，θ(t)
→0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0035](2)定义有效载荷的广义水平位移信号为η(t)：
[0036]η(t)＝x(t)
‑
Lθ(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0037]式中，x(t)为小车的水平位移，θ(t)为有效载荷摆角；
[0038](3)根据式(6)和式(7)，得到负载的广义定位误差定义e(t)为：
[0039][0040](4)考虑线性滑模和快速终端滑模，设计全局快速终端滑模的滑动面为：
[0041][0042]其中，S为滑模面函数，k1，k2为正的控制增益，p，q为可调参数，e为定义的负载广义定位误差，k1，k2＞0,p＞q,p和q为正奇数。
[0043]优选的，步骤S302所述的自适应控制器模型的设计过程包括
[0044](1)设计Lyapunov函数为：
[0045][0046]其中，g(θ)＝M+m
·
sin2θ，分别是系统参数M,m,mL的估计值；
[0047](2)根据上述方程，得到自适应控制器模型为：
[0048][0049]其中，k，k1，k2，要正的控制增益，分别是系统参数M，m，mL的在线估计值，并由以下更新律获得：
[0050][0051]其中，x和θ分别是小车的水平位移和负载的摆角，L是吊绳的长度，M和m分别是小车和负载的质量，分别是系统参数M，m，mL的在线估计值对于时间t的微分，k，k1，k2为正的控制增益，p，q为可调参数，S为滑模面函数，x
dx
为设计的定位参考轨迹，r1，r2，是正的控制增益，g为重力加速度常数。
[0052]优选的，步骤S4所述的观测器的设计过程包括
[0053]S401.将微分方程数学模型(1)、(2)转化为状态空间方程的一般形式：
[0054][0055]其中，Δ1、Δ2分别为位移子系统和摆角子系统的不确定变量，有|Δ
1，2
|≤D
1，2
，并且有f1，f2，g1，g2为系统状态向量的非线性函数，具体表达式为：
[0056][0057]S402.根据步骤S401设计快速有限时间状态观测器模型；
[0058]S403.对快速有限时间状态观测器模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种桥式起重机自适应控制系统的设计方法，其特征在于：包括步骤S1.考虑系统的有效荷载，建立二维桥式起重机系统模型；S2.在二维桥式起重机系统模型的基础上，规划欠驱动桥式起重机小车的运动轨迹；S3.设计匹配小车运动轨迹的自适应控制器；S4.在自适应控制器的基础上，设计快速有效时间状态观测器。2.根据权利要求1所述的一种桥式起重机自适应控制系统的设计方法，其特征在于：步骤S1所述的桥式起重机系统模型的建立过程包括S101.设在桥式起重机系统中，X和θ分别是小车的水平位移和负载的摆角，L是吊绳的长度，M和m分别是小车和负载的质量，f是轨道摩擦力，Fr是电机输出作用力；S102.设负载具有点质量，吊绳没有质量和弹性，忽略空气阻力，固定吊绳长度的非线性起重机动力学关系为：性起重机动力学关系为：其中，g是重力常数，F＝F
r
‑
f是设计的控制输入，f的形式由式(3)给出：其中，f
r0
,为摩擦相关参数，为静摩擦系数；S103.在转运过程中，吊绳长度恒定，摆动角度保持在一定范围内，有效负载始终位于小车下方，摆动角度为
‑
π/2<θ(t)<π/2。3.根据权利要求1所述的一种桥式起重机自适应控制系统的设计方法，其特征在于：步骤S2所述的欠驱动桥式起重机小车的运动轨迹的规划过程包括S201.设小车的初始位置为零，小车到达目标位置的坐标为正数，且小车应始终向目标位置移动，小车的期望轨迹为取正常数的极限：lim
t
→
∞
x
dx
(t)＝p
dx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中p
dx
表示定义的小车目标位置，并且p
dx
具有三次导数x
dx
(t),(t),并且S202.选择S型曲线轨迹作为定位参考轨迹，其表达式为：其中，P
dx
为定义的小车目标位置，p1、p2、ε均为可调参数，t为时间。4.根据权利要求1所述的一种桥式起重机自适应控制系统的设计方法，其特征在于：步骤S3所述的自适应控制器的设计过程包括S301.设计全局快速终端滑模的滑动面；S302.设计基于滑动面的自适应控制器模型；S303.对自适应控制器模型进行稳定性分析。5.根据权利要求4所述的一种桥式起重机自适应控制系统的设计方法，其特征在于：步骤S301所述的全局快速终端滑模的滑动面的设计过程包括(1)明确自适应控制系统的控制目标是使小车快速准确地跟踪规划轨迹到目标位置，
同时抑制和消除负载的摆动：x(t)
→
x
dx
(t),θ(t)
→0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)(2)定义有效载荷的广义水平位移信号为η(t)：η(t)＝x(t)
‑
Lθ(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)式中，x(t)为小车的水平位移，θ(t)为有效载荷摆角；(3)根据式(6)和式(7)，得到负载的广义定位误差定义e(t)为：(4)考虑线性滑模和快速终端...

【专利技术属性】
技术研发人员：王欣，刘春桐，何祯鑫，杜文正，郭杨，于传强，李若亭，李亚云，
申请(专利权)人：中国人民解放军火箭军工程大学，
类型：发明
国别省市：