欠驅(qū)動(dòng)單級(jí)擺及二級(jí)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(dòng)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(biāo)是快速、準(zhǔn)確地將貨物運(yùn)送至目標(biāo)位置，并在此過程中保證貨物的擺動(dòng)盡可能小。橋式吊車系統(tǒng)的控制輸入（臺(tái)車驅(qū)動(dòng)力）的個(gè)數(shù)少于系統(tǒng)的待控自由度（臺(tái)車位移、負(fù)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(diǎn)。但在控制方法設(shè)計(jì)過程中，需充分考慮各狀態(tài)之間的強(qiáng)耦合性、強(qiáng)非線性關(guān)系，這給控制器的設(shè)計(jì)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(dòng)操作，臺(tái)車的定位性能及負(fù)載的消擺能力完全依賴操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)，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(duì)橋式吊車系統(tǒng)，研究出適用于工業(yè)現(xiàn)場的自動(dòng)控制方法是非常重要的。雖然，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)橋式吊車系統(tǒng)，取得了一系列研究成果，不過，從吊車實(shí)際運(yùn)行的角度來看，現(xiàn)有控制方法存在以下幾個(gè)缺點(diǎn):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(duì)二級(jí)擺型橋式吊車

3、系統(tǒng)軌跡規(guī)劃方法的文獻(xiàn);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(fù)載的初始擺角為零;4）當(dāng)負(fù)載運(yùn)送距離發(fā)生改變時(shí)，現(xiàn)有的軌跡規(guī)劃方法需重新離線計(jì)算目標(biāo)軌跡參數(shù)，因此，無法執(zhí)行不同運(yùn)輸任務(wù);5）已有的調(diào)節(jié)控制方法無法保證臺(tái)車的平滑啟動(dòng)，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(qiáng)的三維橋式吊車系統(tǒng)、二級(jí)擺型橋式吊車系統(tǒng)以及伴隨負(fù)載升降運(yùn)動(dòng)的

4、橋式吊車系統(tǒng);6）現(xiàn)有針對(duì)伴隨負(fù)載升降運(yùn)動(dòng)的橋式吊車系統(tǒng)的控制方法并未考慮負(fù)載受持續(xù)擾動(dòng)的情形，在這種情況下，負(fù)載最終不會(huì)垂直穩(wěn)定，而會(huì)與垂直方向形成一個(gè)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(duì)橋式吊車系統(tǒng)的控制方法需假設(shè)負(fù)載擺角可直接獲得，而在實(shí)際運(yùn)行中，負(fù)載擺角很難甚至無法直接測量。
　　為提高欠驅(qū)動(dòng)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(duì)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(gè)內(nèi)容:
　　1)二級(jí)擺型橋式吊車系統(tǒng)在線軌跡規(guī)劃方法。臺(tái)車的加速度與吊鉤擺動(dòng)、負(fù)載擺動(dòng)的大小息息相關(guān)，本文通過合理分析臺(tái)車加速度與吊鉤擺動(dòng)、負(fù)載擺動(dòng)之間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，提出一種針對(duì)二級(jí)擺型橋式吊車系統(tǒng)的在線軌跡規(guī)劃方法。設(shè)計(jì)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(yàn)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(duì)現(xiàn)有跟

6、蹤控制方法存在的問題，本文設(shè)計(jì)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(duì)受系統(tǒng)參數(shù)不確定性以及外部擾動(dòng)影響的二級(jí)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(tái)車跟蹤誤差始終被約束在合理范圍內(nèi)，并最終實(shí)現(xiàn)臺(tái)車快速、精確的定位以及吊鉤、負(fù)載擺動(dòng)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(biāo)系統(tǒng)，該方法放寬已有控制方法對(duì)初始負(fù)載擺角為零的假設(shè)。并且，所設(shè)計(jì)的期望誤差軌跡可用于執(zhí)行不同

7、的運(yùn)輸任務(wù)，無需任何離線優(yōu)化運(yùn)算，具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。仿真和實(shí)驗(yàn)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(duì)三維橋式吊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種增強(qiáng)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(xiàng)，因此針對(duì)不同/不確定吊繩長度具有很強(qiáng)的魯棒性。此外，通過增強(qiáng)臺(tái)車運(yùn)動(dòng)與負(fù)載擺動(dòng)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(shí)際控制性能，本文給出了詳細(xì)的數(shù)值仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第二種控制方法針對(duì)狀態(tài)間耦合性更強(qiáng)的二級(jí)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(tái)車的初始驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而保證了臺(tái)車的平滑啟動(dòng)。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(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了它優(yōu)異的定位消擺控制性能。
　　4)伴有負(fù)載升降運(yùn)動(dòng)的橋式吊車控制方法

9、。負(fù)載的升/落吊運(yùn)動(dòng)極易引起負(fù)載的大幅度擺動(dòng)，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(duì)吊車非線性動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)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(dòng)的影響，通過引入雙曲正切函數(shù)，從理論上證明即使臺(tái)車以及吊繩初始速度很大時(shí)，所提局部飽和自適應(yīng)控制方法仍可保證臺(tái)車的平滑啟動(dòng)。此外，通過在所設(shè)計(jì)的控制器中加入記憶?？?，有

10、效地減少了未知/不確定系統(tǒng)參數(shù)的收斂時(shí)間。第二種控制方法充分考慮了負(fù)載受持續(xù)擾動(dòng)的情況，建立了帶有持續(xù)擾動(dòng)的變繩長橋式吊車系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并通過設(shè)計(jì)模糊擾動(dòng)觀測器，對(duì)持續(xù)擾動(dòng)進(jìn)行完全補(bǔ)償。論文對(duì)這兩種控制方法的定位與消擺控制性能進(jìn)行了大量的測試。
　　5)考慮未建模動(dòng)態(tài)及外部擾動(dòng)的滑?？刂品椒?。針對(duì)受外部擾動(dòng)及系統(tǒng)未建模動(dòng)態(tài)影響的二級(jí)擺型橋式吊車系統(tǒng)、二維橋式吊車系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)了增強(qiáng)耦合非線性的PD型滑?？刂品椒?、有限時(shí)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?qiáng)魯棒性以及PD控制方法的結(jié)構(gòu)簡單、易于工程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的實(shí)用價(jià)值。此外該方法通過引入一個(gè)廣義信號(hào)，增強(qiáng)了臺(tái)車運(yùn)動(dòng)、吊鉤擺動(dòng)以及負(fù)載擺動(dòng)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(gè)終端滑模觀測器提出的，其中一個(gè)觀測器用來估計(jì)負(fù)載擺角，另一個(gè)觀測器用來估計(jì)不確定動(dòng)力學(xué)。因此，所提控制方法針對(duì)不確定系統(tǒng)參數(shù)以及外部擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性，且不