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欠驱动桥式吊车智能防摇控制策略的研究

包晗秋  
【摘要】:欠驱动机械系统(Underactuated mechanical system)是一类驱动器数量比自由度数量少的机械系统。与完全驱动机械系统相比,由于驱动器数目减少,能够让欠驱动机械系统具有重量轻、能耗低、运动灵活等优点,因此广泛应用于国民经济生产的各个领域,具有重要的应用地位。然而,由于驱动器的缺少,也使系统的状态量被约束在运动空间中某个不确定的位形上,从而极大的增加了欠驱动系统控制设计的难度。近二十年来,欠驱动机械系统的控制问题一直是工程控制领域中一个极具挑战性的课题。桥式吊车(Bridge crane)作为一类典型的欠驱动系统,具有非线性、强耦合等特点,因其载重能力大、操作简易灵活、耗能低且显著等,己经被广泛应用到工业生产、港口运输等多个领域。然而欠驱动吊车系统受到外界的干扰影响较大,容易产生摆动,影响系统稳定性,从而影响生产效率或者经济效率,因此需要对其控制系统进行研究,设计合理的防摇控制算法和策略。近年来,模型预测控制(Model predictive control:MPC)被人们在工业应用中所推广。模型预测控制是在控制系统模型基础上产生的控制算法,能够根据系统的历史信息和未来输入,对未来输出进行预测;并且只要是具有预测功能的信息集合,都可以转化为相应的预测模型。与传统的最优控制方法不同,预测控制采用实时在线反复优化,能够有效的应对模型失配、时变与干扰等引起的不确定性,及时进行干扰补偿。因此对于吊车系统,采用预测控制能够起到很好的控制效果。本文对预测控制进行了深入的研究。由于PID控制算法具有不需要精确的数学模型的优势,因此只需调节出较好的PID参数即可获得较好得控制效果。然而双闭环PID控制缺陷也较为明显,在存在大量干扰和参数变动的情况下,控制效果很差甚至失效,容易引发安全事故。本文采用了预测控制取代了传统的双闭环PID控制,针对2自由度固定绳长吊车系统研究其控制策略。通过同胚坐标变换(Homeomorphic coordinate transformation)方法,将系统的非线性特性等效变换为系统的等价输入干扰(Equivalent input disturbance:EID),吊车系统因此而被等效为线性系统,从而降低了系统设计的难度;综合考虑实际系统存在的不可测恒值干扰、建模误差和外部环境对系统性能的影响,设计了无静差预测控制策略,实现了吊车运行的全局稳定控制。仿真和实验结果表明,本文设计的智能桥式吊车控制策略能够有效实现吊车的高精度定位和负载防摆,提高了吊车运动的稳定性和安全性。通过在MATLAB Simulink仿真平台下进行实验,验证了本文提出的控制器的优越性。通过搭建实验平台,以实验结果验证了预测控制算法的正确性与可行性。


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