基于消摆信号的桥式起重机非线性控制方法技术

基于消摆信号的桥式起重机非线性控制方法。针对欠驱动桥式起重机系统，提出了一种基于消摆信号的非线性控制方法，该方法相比已有方法具有良好的暂态性能和抑制负载摆动的性能。该方法包括：设计了一个具有消摆功能的消摆信号，并在此基础上构造了一个新颖的定位误差信号；提出了一种既可用于调节控制也可用于轨迹跟踪控制的控制方法。相比已有的控制方法，该方法不仅放宽了控制器的使用范围，而且提高了系统的暂态性能，大大提高了系统的控制效率。实验结果进一步验证了本发明专利技术所提出的控制方法的控制效果，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种非线性欠驱动领域的自动控制方法，具体是一种基于消摆信号的 欠驱动桥式起重机非线性控制方法。
技术介绍
桥式起重机是一种典型的非线性、强耦合、欠驱动系统，它具有负载能力强、操作 灵活、节能显著等优点，已经被广泛地应用于各种工业场所，比如工厂、车间、码头等，完成 货物的运送与集成加工等任务。桥式起重机的任务是实现货物的快速、准确、无大幅摆动点 对点运送。然而，对于桥式起重机而言，台车的运动无疑会引起负载的摆动，这不仅会降低 整体的效率，影响负载在落吊过程中的精确放置，还可能引发碰撞而造成安全事故。 就目前而言，绝大多数的起重机还依靠人工操作，系统的操作效率完全依赖于工 人的熟练程度及工作经验。在操作起重机时，一方面需要实现台车的快速准确定位，以满足 运送负载的要求；另一方面，则需要有效地抑制负载的摆动，实现"无摆"或"微摆"操作。然 而，对于人工操作这种常规的操作方式存在诸多不足，比如：生产效率低、消摆效果差、定位 精度差、对操作人员的技术要求高、长期工作可能引发疲劳等等。因此，亟需提出安全高效 自动消摆定位的自动控制方法，以提高系统的工作效率。 许多学者对桥式起重机的自动控制展开了研宄，对于已有桥式起重机系统 的控制方法大多只考虑台车的精确定位，而忽略了运输过程中负载摆动的抑制以及残余摆 动的消除。特别地，当台车到达目标位置时，现有方法无法保证负载无残余摆动，从而降低 了系统的运输效率。如文献所提出的数种基于能量的控制方法，在负载消摆方面效果 均不理想。不仅如此，现有方法大多用途单一，只能用于调节控制或只能用于轨迹跟踪控制 。鉴于此原因，本专利技术针对有效消除负载摆动的问题提出了一种抗摆定位控制 方法，该方法既可用于桥式起重机的调节控制也可用于桥式起重机的轨迹跟踪控制，以提 高桥式起重机的工作效率及安全性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决已有控制方法存在消摆性能差、运输效率低、用途单一的不 足，为欠驱动桥式起重机系统提供一种具有增强消摆性能的控制方法，本方法不仅适用于 调节控制，而且适用于轨迹跟踪控制，克服了上述现有技术的不足，具有定位精度高、消摆 效果好、运输效率高、用途广泛等优点。 本专利技术通过分析台车运动与负载摆动之间的耦合关系，提出了一种具有抑制摆动 功能的消摆信号，根据该消摆信号构造出一种新颖的定位误差信号，在此基础上提出了一 种既可用于调节控制，又能用于轨迹跟踪控制的桥式起重机控制方法，旨在提高控制系统 的暂态性能，同时增强抑制负载摆动的能力。 本专利技术提供的，为解决上述技术问题 包括以下步骤： 步骤1、消摆信号的选取 为了提高桥式起重机系统抑制运输过程中负载摆动的性能，利用台车与负载之间 的耦合关系提出如下具有消摆功能的消摆信号【主权项】1.，包括以下步骤： 步骤1、消摆信号的选取 为了提高桥式起重机系统抑制运输过程中负载摆动的性能，利用台车与负载之间的耦 合关系提出如下具有消摆功能的消摆信号χε:其中，θ (t)为吊绳与竖直方向的夹角关于时间的积分；变量后的 (t)表示该参数是时变的，为简明起见，公式中已略去（t); 步骤2、新颖误差信号的确定 基于上述消摆信号，定义如下新颖的误差信号ξ α)，及其前两阶导数信号⑴：其中，Xd(t)表示台车的参考轨迹（xd为常量时为调节控制；xd为变量时为跟踪控制）， 夫/(0，之(0分别表示参考轨迹的速度与加速度；40,对4对0分别为台车的位移、速度及加 速度；火0为负载摆动的角速度；衣，),#(〇分别为Ut)关于时间的一阶、二阶导数；1^表 示正的控制增益； 对于台车的参考轨迹Xd(t)，当Xd为常量时为调节控制，即直接选取X d= p d，其中pdS 台车的目标位置；当xd(t)为变量时为跟踪控制，xd(t)需满足如下条件： 1. xd(t)及其前两阶导数信号勾(0，之(0需均有界，即 2) 在有限的时间tf内，xd(t)收敛于目标位置pd，其中起始时间为0时刻，起始位置为 〇 ； 3) 当台车到达目标位置以后，即当t>tf时，W) = W) = 〇; 步骤3、控制器的确定 确定一种定位精度高、消摆效果好，而且既可用于调节控制也可用于轨迹跟踪控制的 非线性耦合控制器Fx (t)如下：其中，，ke为正的控制增益；厂,.(〇,"狀Uf, A分别表示如下的函数： Fx=F-Fr (5) m( Θ ) = M+msin2 Q ⑷式中，F(t)表示电机所提供的驱动力；匕⑴表示台车与桥架之间的摩擦力；M, m分别 为台车与负载质量；1为吊绳长度；g为重力加速度； 步骤4、控制方法的实现 首先，将本专利技术应用于实际桥式起重机之前，需选择合适的摩擦力补偿环节用于补偿 台车与桥架之间的摩擦力，经过大量实验，本专利技术选择如下轨道摩擦力补偿项以补偿台车 与桥架之间的摩擦力Fr (t):其中：γ为摩擦参数，通过离线实验事先标定获得；tanh( ·)为双曲正切函数； 为台车速度； 接下来借助传感器获取所需的状态信号，根据实际的起重机系统选取合适的系统参数 及控制增益，根据式（15)实时计算得到相应的控制信号，即可实现对起重机系统的实时控 制，完成系统的运输任务。【专利摘要】。针对欠驱动桥式起重机系统，提出了一种基于消摆信号的非线性控制方法，该方法相比已有方法具有良好的暂态性能和抑制负载摆动的性能。该方法包括：设计了一个具有消摆功能的消摆信号，并在此基础上构造了一个新颖的定位误差信号；提出了一种既可用于调节控制也可用于轨迹跟踪控制的控制方法。相比已有的控制方法，该方法不仅放宽了控制器的使用范围，而且提高了系统的暂态性能，大大提高了系统的控制效率。实验结果进一步验证了本专利技术所提出的控制方法的控制效果，具有广阔的应用前景。【IPC分类】B66C13-18【公开号】CN104528528【申请号】CN201410389899【专利技术人】何熊熊, 武宪青, 欧县华, 史秀兰 【申请人】浙江工业大学【公开日】2015年4月22日【申请日】2014年8月8日本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于消摆信号的桥式起重机非线性控制方法，包括以下步骤：步骤1、消摆信号的选取为了提高桥式起重机系统抑制运输过程中负载摆动的性能，利用台车与负载之间的耦合关系提出如下具有消摆功能的消摆信号xe：xe=∫0tθ(τ)dτ---(9)]]>其中，θ(t)为吊绳与竖直方向的夹角；关于时间的积分；变量后的(t)表示该参数是时变的，为简明起见，公式中已略去(t)；步骤2、新颖误差信号的确定基于上述消摆信号，定义如下新颖的误差信号ξ(t)，及其前两阶导数信号ξ·(t),ξ··(t):]]>ξ(t)=xd-x+kθ∫0tθ(τ)dτ---(10)]]>ξ·(t)=x·d-x·+kθθ---(11)]]>ξ··(t)=x··d-x··+kθθ·---(12)]]>其中，xd(t)表示台车的参考轨迹(xd为常量时为调节控制；xd为变量时为跟踪控制)，分别表示参考轨迹的速度与加速度；分别为台车的位移、速度及加速度；为负载摆动的角速度；分别为ξ(t)关于时间的一阶、二阶导数；kθ表示正的控制增益；对于台车的参考轨迹xd(t)，当xd为常量时为调节控制，即直接选取xd＝pd，其中pd为台车的目标位置；当xd(t)为变量时为跟踪控制，xd(t)需满足如下条件：1)xd(t)及其前两阶导数信号需均有界，即2)在有限的时间tf内，xd(t)收敛于目标位置pd，其中起始时间为0时刻，起始位置为0；3)当台车到达目标位置以后，即当t≥tf时，步骤3、控制器的确定确定一种定位精度高、消摆效果好，而且既可用于调节控制也可用于轨迹跟踪控制的非线性耦合控制器Fx(t)如下：其中，kξ,ke为正的控制增益；分别表示如下的函数：Fx＝F‑Fr  (5)m(θ)＝M+msin2θ  (6)式中，F(t)表示电机所提供的驱动力；Fr(t)表示台车与桥架之间的摩擦力；M,m分别为台车与负载质量；l为吊绳长度；g为重力加速度；步骤4、控制方法的实现首先，将本专利技术应用于实际桥式起重机之前，需选择合适的摩擦力补偿环节用于补偿台车与桥架之间的摩擦力，经过大量实验，本专利技术选择如下轨道摩擦力补偿项以补偿台车与桥架之间的摩擦力Fr(t)：Fr(t)=fr0tanh(x·(t)/γ)-kr|x·(t)|x·(t)---(37)]]>其中：fr0,kr,γ为摩擦参数，通过离线实验事先标定获得；tanh(·)为双曲正切函数；为台车速度；接下来借助传感器获取所需的状态信号，根据实际的起重机系统选取合适的系统参数及控制增益，根据式(15)实时计算得到相应的控制信号，即可实现对起重机系统的实时控制，完成系统的运输任务。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何熊熊，武宪青，欧县华，史秀兰，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33