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欠驱动单级摆及二级摆型桥式吊车非线性控制策略研究

张梦华  
【摘要】:桥式吊车是一类典型的欠驱动系统,被广泛应用于工厂、建筑工地、海港、码头等诸多领域,其主要控制目标是快速、准确地将货物运送至目标位置,并在此过程中保证货物的摆动尽可能小。桥式吊车系统的控制输入(台车驱动力)的个数少于系统的待控自由度(台车位移、负载摆角)。由于吊车系统节省了部分执行器,因此具有成本低廉、结构简单、能耗小等优点。但在控制方法设计过程中,需充分考虑各状态之间的强耦合性、强非线性关系,这给控制器的设计带来极大的挑战。迄今为止,大部分工业吊车仍由人工手动操作,台车的定位性能及负载的消摆能力完全依赖操作人员的工作经验,吊车作业过程中存在工作效率低以及易发生安全事故的问题。因此,针对桥式吊车系统,研究出适用于工业现场的自动控制方法是非常重要的。虽然,国内外众多学者针对欠驱动桥式吊车系统,取得了一系列研究成果,不过,从吊车实际运行的角度来看,现有控制方法存在以下几个缺点:1)大多数已有的控制方法忽视轨迹规划过程,值得指出的是,目前并未有针对二级摆型桥式吊车系统轨迹规划方法的文献;2)现有的轨迹跟踪控制方法无法保证跟踪误差始终在允许的范围内,且不能适用于系统参数未知的情形;3)为保证系统的收敛性,已有的控制方法往往需假设负载的初始摆角为零;4)当负载运送距离发生改变时,现有的轨迹规划方法需重新离线计算目标轨迹参数,因此,无法执行不同运输任务;5)已有的调节控制方法无法保证台车的平滑启动,且无法直接应用于结构更复杂、状态耦合性更强的三维桥式吊车系统、二级摆型桥式吊车系统以及伴随负载升降运动的桥式吊车系统;6)现有针对伴随负载升降运动的桥式吊车系统的控制方法并未考虑负载受持续扰动的情形,在这种情况下,负载最终不会垂直稳定,而会与垂直方向形成一个夹角;7)已有的控制方法仅能保证系统的渐近稳定性;8)现有大多数针对桥式吊车系统的控制方法需假设负载摆角可直接获得,而在实际运行中,负载摆角很难甚至无法直接测量。为提高欠驱动桥式吊车的定位消摆控制效果,并解决已有控制方法存在的以上问题,本文对桥式吊车系统的控制方法展开了更加深入的研究,主要包括以下几个内容:1)二级摆型桥式吊车系统在线轨迹规划方法。台车的加速度与吊钩摆动、负载摆动的大小息息相关,本文通过合理分析台车加速度与吊钩摆动、负载摆动之间的动态耦合关系,提出一种针对二级摆型桥式吊车系统的在线轨迹规划方法。设计的轨迹可在线生成,不需要提前或离线规划轨迹参数,具有优异的定位消摆控制性能。论文通过数值仿真验证了所提在线轨迹规划方法的控制性能。2)桥式吊车系统跟踪控制方法。针对现有跟踪控制方法存在的问题,本文设计了两种鲁棒跟踪控制方法。第一种自适应跟踪控制方法是针对受系统参数不确定性以及外部扰动影响的二级摆型桥式吊车系统提出的。该方法可有效抑制上述干扰的影响,从理论上保证台车跟踪误差始终被约束在合理范围内,并最终实现台车快速、精确的定位以及吊钩、负载摆动的有效消除。第二种控制方法可将桥式吊车系统转变为具有特定结构的期望目标系统,该方法放宽已有控制方法对初始负载摆角为零的假设。并且,所设计的期望误差轨迹可用于执行不同的运输任务,无需任何离线优化运算,具有非常重要的实用价值。仿真和实验结果表明,所提误差跟踪控制方法具有良好的控制效果。3)桥式吊车系统调节控制方法。围绕现有调节控制方法的限制与不足,提出两种非线性调节控制方法。第一种方法针对三维桥式吊车系统设计了一种增强耦合非线性控制方法。该方法结构简单、不包含与吊绳长度相关的项,因此针对不同/不确定吊绳长度具有很强的鲁棒性。此外,通过增强台车运动与负载摆动之间的耦合关系,大幅度提升了系统的暂态控制性能。为测试该方法的实际控制性能,本文给出了详细的数值仿真以及实验结果。第二种控制方法针对状态间耦合性更强的二级摆型桥式吊车系统,提出了一种能量耦合控制方法。该方法具有PD型的简单结构,且与系统参数无关,通过在控制器中引入双曲正切函数,大大减少了台车的初始驱动力,进而保证了台车的平滑启动。借助数值仿真,将所提能量耦合控制方法与现有控制方法进行对比,验证了它优异的定位消摆控制性能。4)伴有负载升降运动的桥式吊车控制方法。负载的升/落吊运动极易引起负载的大幅度摆动,并导致现有定绳长吊车控制策略无法应用的问题。本文在不对吊车非线性动力学模型进行任何线性化或者近似处理的条件下,提出了局部饱和自适应学习控制方法以及基于能量分析的模糊控制方法。第一种控制方法考虑了系统参数未知/不确定以及外部扰动的影响,通过引入双曲正切函数,从理论上证明即使台车以及吊绳初始速度很大时,所提局部饱和自适应控制方法仍可保证台车的平滑启动。此外,通过在所设计的控制器中加入记忆模快,有效地减少了未知/不确定系统参数的收敛时间。第二种控制方法充分考虑了负载受持续扰动的情况,建立了带有持续扰动的变绳长桥式吊车系统的动力学模型,并通过设计模糊扰动观测器,对持续扰动进行完全补偿。论文对这两种控制方法的定位与消摆控制性能进行了大量的测试。5)考虑未建模动态及外部扰动的滑模控制方法。针对受外部扰动及系统未建模动态影响的二级摆型桥式吊车系统、二维桥式吊车系统,分别设计了增强耦合非线性的PD型滑模控制方法、有限时间轨迹跟踪控制方法。第一种控制方法与系统模型、参数无关,并兼具滑模控制方法的强鲁棒性以及PD控制方法的结构简单、易于工程实现的优点,具有很好的实用价值。此外该方法通过引入一个广义信号,增强了台车运动、吊钩摆动以及负载摆动之间的耦合关系,大大提升了系统的暂态控制性能。第二种控制方法是基于两个终端滑模观测器提出的,其中一个观测器用来估计负载摆角,另一个观测器用来估计不确定动力学。因此,所提控制方法针对不确定系统参数以及外部扰动具有很强的鲁棒性,且不需要负载摆角的反馈。此外,上述控制方法可实现台车位移的有限时间收敛性。通过将这两种控制方法与现有控制方法进行对比,可证得这两种方法具有优越的控制性能。


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