欠驅(qū)動非線性橋式吊車自動控制系統(tǒng)研究.pdf

1、欠驅(qū)動系統(tǒng)是指控制量的數(shù)目少于系統(tǒng)自由度的一類系統(tǒng)。由于省去部分驅(qū)動器可以減小系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜程度,并且能夠有效地節(jié)約成本或者降低系統(tǒng)自身的重量,因而實際應(yīng)用中許多系統(tǒng)都被設(shè)計成為了欠驅(qū)動系統(tǒng),如航天器、直升飛機、水下航行器、衛(wèi)星、柔性機器人等;此外當(dāng)一些全驅(qū)動系統(tǒng)的某個驅(qū)動失效的時候,它也會成為一個欠驅(qū)動系統(tǒng)。欠驅(qū)動特性雖然在系統(tǒng)設(shè)計、制造上帶來很大方便,但是它也使得系統(tǒng)的內(nèi)部動力學(xué)特性更加復(fù)雜,而且通常伴有非完整約束條件,因此為系統(tǒng)控

2、制帶來了極大的挑戰(zhàn),近年來針對這類系統(tǒng)的研究逐步發(fā)展成為控制理論界的一個研究熱點。
　　 橋式吊車是一種典型的非線性、強耦合、欠驅(qū)動系統(tǒng),它具有負載能力強、操作靈活、節(jié)能顯著等優(yōu)點,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)、港口運輸?shù)榷鄠€領(lǐng)域。為了提高吊車系統(tǒng)的運送效率與安全性能,當(dāng)前迫切需要設(shè)計出合理的控制策略來實現(xiàn)其自動操作。具體而言,對于橋式吊車運送控制的目標(biāo)可以總結(jié)為以下兩點:一方面是使臺車快速準確地到達目標(biāo)位置,以完成對負載的高效運送

3、;另一方面要求負載在運行過程中的擺動盡可能地小,以避免與周圍的貨物或人員發(fā)生意外碰撞。然而,由于橋式吊車系統(tǒng)的非線性欠驅(qū)動特性,以及系統(tǒng)內(nèi)部存在的摩擦力等多種不確定性因素,如何同時滿足這兩方面的性能要求是一個非常困難的問題。多年來,控制領(lǐng)域的學(xué)者對橋式吊車進行了廣泛研究,分別采用輸入整形、最優(yōu)控制、人工智能技術(shù)等多種方法來設(shè)計橋式吊車控制系統(tǒng),但是這些方法都還存在著一些不足之處,尚不能完全解決實際吊車系統(tǒng)的自動控制問題。
　　

4、本論文針對具有不確定特性的非線性欠驅(qū)動橋式吊車系統(tǒng)進行了深入研究。具體而言,論文針對吊車運送過程,分別采用基于能量分析的方法和基于臺車運動規(guī)劃的方法設(shè)計了兩種新穎的自適應(yīng)控制策略。針對緊急制動情況,論文提出了一種基于切換邏輯的吊車制動控制策略。論文通過李雅普諾夫方法(Lyapunov's Method)、芭芭拉特引理(Barbalat's Lemma),并結(jié)合拉塞爾不變性原理(LaSalle's Invariant Theorem)對于

5、這些吊車控制方法的性能進行了理論分析。同時,為了進一步驗證吊車控制系統(tǒng)的性能,論文設(shè)計并實現(xiàn)了橋式吊車系統(tǒng)的仿真與實驗平臺,并對所設(shè)計的吊車自動控制系統(tǒng)進行了仿真與實驗測試。具體而言,本論文的工作主要分為以下幾個部分:
　　 (1)橋式吊車動力學(xué)建模。論文利用拉格朗日方程建立了三維橋式吊車系統(tǒng)的動力學(xué)模型。模型中充分考慮了系統(tǒng)摩擦力(包括了庫侖摩擦力,粘滯摩擦力和Stribeck效應(yīng))、空氣阻力等干擾因素對于系統(tǒng)狀態(tài)的影響,因而

6、能夠非常準確地描述實際吊車系統(tǒng)的動態(tài)特性。橋式吊車動態(tài)模型是設(shè)計與實現(xiàn)仿真平臺的依據(jù),同時也是后續(xù)章節(jié)中各種基于模型的控制方法設(shè)計與分析的基礎(chǔ)。
　　 (2)仿真與實驗平臺設(shè)計及實現(xiàn)。仿真與實驗是目前科學(xué)研究中常用的手段。本文以所建立的動力學(xué)模型為基礎(chǔ),設(shè)計并開發(fā)了三維橋式吊車仿真平臺。該平臺不僅能準確地反映吊車系統(tǒng)的狀態(tài)變化,同時也非常方便進行各種控制器的測試,以及仿真結(jié)果的觀察與分析。在該仿真平臺中,論文提出了一種基于掩膜方

7、法的狀態(tài)量選定方法,因此可以非常方便地對系統(tǒng)特定的狀態(tài)量進行選定。根據(jù)實際吊車系統(tǒng)的工作原理和組成結(jié)構(gòu),論文進一步設(shè)計并搭建了三維橋式吊車實驗平臺。利用實驗平臺與仿真平臺的對比測試,有效地驗證了仿真平臺的可靠性,以及所建立的動力學(xué)模型的正確性。此外,由于仿真和實驗平臺均采用基于Matlab/Simulink的控制結(jié)構(gòu),所以它們可以實現(xiàn)無縫連接,隨后所設(shè)計的各種控制器可以非常方便地在兩個平臺上相互移植。
　　 (3)基于能量分析的

8、自適應(yīng)控制器設(shè)計。在運送過程中為了實現(xiàn)臺車的快速準確定位與負載防擺,本文通過對吊車系統(tǒng)的能量進行分析,設(shè)計了一種性能優(yōu)越的自適應(yīng)控制器,它可以對負載重量、吊繩長度等未知參數(shù)進行在線估計,從而提高了控制器對這些參數(shù)變化的適應(yīng)能力。此外,通過引入關(guān)于擺角的動態(tài)增益,論文構(gòu)造了一種改進的自適應(yīng)控制器,它能夠更好地抑制負載擺動。對于閉環(huán)系統(tǒng)中的臺車位置誤差與負載擺角,本文利用李雅普諾夫理論與拉塞爾不變性原理證明了它們均能漸近收斂到零。進一步,通

9、過仿真和實驗平臺得到的實際測試結(jié)果也驗證了上述自適應(yīng)控制器的良好性能。
　　 (4)基于臺車運動規(guī)劃的橋式吊車自適應(yīng)控制策略。為了提高吊車控制器設(shè)計的靈活度,本文設(shè)計了一種基于臺車運動規(guī)劃的自適應(yīng)控制策略,它通過兩步控制策略來實現(xiàn)臺車精確定位與負載防擺控制:第一步規(guī)劃出一條抗擺的臺車運動軌跡:第二步設(shè)計了一種自適應(yīng)跟蹤控制器,利用李雅普諾夫理論與芭芭拉特引理可以證明:在該控制器的作用下,臺車位置與速度均能夠漸近跟蹤上所規(guī)劃的軌跡

10、,并且負載擺角以及擺角速度也會漸近收斂到原點。論文中所設(shè)計的控制器不僅能對系統(tǒng)參數(shù)進行在線估計,而且對于摩擦力等干擾因素中的系數(shù)變化也具有良好的適應(yīng)性。仿真與實驗結(jié)果驗證了這種基于運動規(guī)劃的自適應(yīng)控制策略在臺車定位與負載防擺兩方面都具有優(yōu)良的性能,并且特別適用于長距離運輸。
　　 (5)負載緊急制動控制。緊急制動是橋式吊車自動控制系統(tǒng)中保障系統(tǒng)安全性的重要一環(huán)。本文根據(jù)橋式吊車欠驅(qū)動的特性,提出了一種基于切換邏輯的控制策略,它首