带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的模糊控制方法技术方案

本发明专利技术公开了带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的模糊控制方法，包括以下步骤：步骤一：当负载受到外部持续扰动力时，通过引入坐标变换，建立带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的数学模型；步骤二：基于步骤一中的可升降桥式吊车系统的数学模型，建立模糊扰动观测器，实现对外部扰动的准确估计；步骤三：通过引入一个集合台车运动与负载摆动的广义信号，建立基于能量的模糊控制器。本发明专利技术的外部扰动得到了完全补偿，对分析变绳长吊车系统的鲁棒性具有非常重要的理论意义。

【技术实现步骤摘要】
带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的模糊控制方法
本专利技术涉及控制领域，具体设计带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的模糊控制方法。
技术介绍
在过去的几十年里，欠驱动吊车系统自动控制方法的研究与开发得到了广泛的关注。吊车控制的主要目的是驱动台车位移快速准确地到达目标位置，同时有效地抑制整个运输过程中的负载摆动。作为典型的欠驱动系统，桥式吊车已广泛应用于海港、码头、建筑工地等重要的场合，完成货物/材料运送与集成加工等任务。一般来说，一次完整的吊车操作流程主要包括如下三个步骤：1)负载升吊过程；2)负载的水平运送过程；3)负载落吊过程。由于第一阶段不涉及台车运动，因此在第一阶段中不会出现明显的负载摆动。但为保证第三阶段中负载的精确放置操作，要求负载摆动在第二阶段中应尽可能的小，并且当台车停止运行后，负载无残余摆动。然而，由于惯性以及外部扰动的存在会不可避免的引起负载摆动。考虑到以上问题，本文将针对第二、三阶段提出可以保证使台车位移以及吊绳长度快速准确地到达目标位置、目标长度，同时有效地抑制并消除整个运输过程中负载摆动的有效方法。国内外研究人员针对定绳长桥式吊车系统提出了多种控制策略。其中最常用的控制方法为开环控制方法。为降低控制器设计或稳定性分析的复杂程度，开环控制方法需要对吊车的非线性模型在平衡点处进行线性化处理，或者忽略部分特定的非线性耦合项。开环控制方法主要包括：输入整形方法、离线轨迹规划方法、最优控制方法等。相比开环控制方法，闭环控制方法有着更好的鲁棒性，更适合用于工作在室外环境中的吊车系统。闭环控制方法主要包括：滑模控制方法、自适应模糊控制方法、基于能量/无源性的控制方法、输出反馈控制方法、非线性轨迹规划方法、基于切换的控制方法、模型预测控制方法、嵌套饱和控制方法、基于GA的稳定控制方法等。然而，负载的升/落吊运动对负载的摆动有着非常大的影响，吊绳长度从常数转变为状态变量，导致已有定绳长吊车控制方法无法应用。并且，绳长的变化极易引起负载的大幅度摆动，亟待研究人员针对变绳长吊车系统设计高性能控制方法。在文献M.B.Trabia,J.M.Renno,andK.A.Moustafa,Generalizeddesignofananti-swingfuzzylogiccontrollerforanoverheadcranewithhoist,JournalofVibrationControl,14(3):319-346,2008中，通过对吊车模型在平衡点处做线性化处理，提出一种模糊逻辑控制方法，实现消除负载摆动的目标。通过分析系统的能量，Banavar等人利用IDC-PBC理论设计了消摆定位控制方法。通过将有驱的台车运动与无驱的负载摆动耦合在一个滑动面上，提出了基于滑模的控制方法。文献W.Yu,M.A.Moreno-Armendariz,andF.O.Rodriguez,StableadaptivecompensationwithfuzzyCMACforanoverheadcrane,InformationSciences,181(21):4895-4907,2011中，通过借助模糊神经网络对不确定性进行补偿，设计了一种智能抗摆控制方法。Corriga等人提出一种增益调度控制方法。文献T.A.Le,G.H.Kim,M.Y.Kim,andS.G.Lee,Partialfeedbacklinearizationcontrolofoverheadcraneswithvaryingcablelengths,InternationalJournalofPrecisionEngineeringandManufacturing,13(4):501-507,2012.通过反馈线性化控制方法对吊车动力学模型进行处理后，设计了基于精确模型的控制器。Garrido等人提出了一种带负载重力补偿的输入整形控制方法。然而，以上各个控制方法均需要对吊车模型做近似化处理或者忽略闭环系统的一些非线性项。基于此，孙宁等人提出跟踪控制策略以及自适应控制方法。但是，在进行变绳长吊车系统的开环控制方法设计时未考虑外部扰动对系统的影响。也就是说，当系统存在外部扰动时，无法保证系统的控制性能。为消除外部扰动的影响，众多学者设计了具有较好鲁棒性的闭环控制方法。但无法从理论上证明此类方法的强鲁棒性。并且以上所有针对变绳长桥式吊车的控制方法均未考虑负载受扰动的情况。
技术实现思路
为解决现有技术存在的不足，本专利技术公开了带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的模糊控制方法，基于能量的模糊控制方法可使台车位移及吊绳长度快速准确地到达目标位置、目标长度，实现负载扰动的完全补偿，同时有效地抑制并消除负载摆动。具体而言，通过引入坐标变换，建立了带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的数学模型。然后设计了模糊扰动观测器，实现对外部扰动的准确估计。紧接着，通过引入一个集合台车运动与负载摆动的广义信号，设计了基于能量的模糊控制器。用Lyapunov方法以及LaSalle不变性原理证明闭环系统的渐近稳定性。最后仿真实验结果表明所提控制方法的良好控制性能以及针对不同负载质量、台车目标位置、吊绳目标长度以及外部扰动具有很强的鲁棒性。为实现上述目的，本专利技术的具体方案如下：带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的模糊控制方法，包括以下步骤：步骤一：当负载受到外部持续扰动力时，通过引入坐标变换，建立带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的数学模型；步骤二：基于步骤一中的可升降桥式吊车系统的数学模型，建立模糊扰动观测器，实现对外部扰动的准确估计；步骤三：通过引入一个集合台车运动与负载摆动的广义信号，建立基于能量的模糊控制器。进一步的，在所述步骤一中，负载与台车垂直稳定时，负载与台车的连接点为中心点，对应x-y坐标系，负载受到外部持续扰动力d的作用时，负载与垂直方向形成θ0的夹角，此时，以与负载所处的线相垂直的边为x'，以与负载所处的线所在一条直线的边为y'，以x'-y'坐标系为参考坐标系。进一步的，所述步骤一中，可升降桥式吊车系统的数学模型的建立时包括以下步骤：(1-1)根据建立的x'-y'参考坐标系，得到台车、负载在x'-y'坐标系下的位置坐标；(1-2)对台车、负载在x'-y'坐标系下的位置坐标关于时间求导，可得台车、负载的速度分量；(1-3)根据台车、负载的速度分量，可得可升降桥式吊车系统的动能；(1-4)根据可升降桥式吊车系统的动能，采用拉格朗日方程，进行可升降桥式吊车系统的数学模型的建立，得到惯量矩阵、向心-柯氏力矩阵、重力向量、控制向量、状态向量具体的表达式。所述步骤(1-4)中，惯量矩阵、向心-柯氏力矩阵、重力向量、控制向量、以及系统的状态向量具体的表达式为：其中，M、m分别表示台车质量、负载质量；l、g分别表示绳长、重力加速度，Fx、Fl为施加于台车、负载上的驱动力，d为施加于负载上的外部持续扰动力，x'、θ'分别代表x'-y'坐标系下台车位移以及负载摆角，q'为系统状态向量，M(q')、G(q')、U分别表示惯量矩阵、向心-柯氏力矩阵、重力向量以及控制向量。进一步的，假设由持续扰动引起的摆动θ0、负载摆动θ'始终在如下范围内：进一步的，所述步骤二中，建立模糊扰动观测器的具体过程包括：(2本文档来自技高网...

【技术保护点】
带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的模糊控制方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一：当负载受到外部持续扰动力时，通过引入坐标变换，建立带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的数学模型；步骤二：基于步骤一中的可升降桥式吊车系统的数学模型，建立模糊扰动观测器，实现对外部扰动的准确估计；步骤三：通过引入一个集合台车运动与负载摆动的广义信号，建立基于能量的模糊控制器。

【技术特征摘要】
1.带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的模糊控制方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一：当负载受到外部持续扰动力时，通过引入坐标变换，建立带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的数学模型；步骤二：基于步骤一中的可升降桥式吊车系统的数学模型，建立模糊扰动观测器，实现对外部扰动的准确估计；步骤三：通过引入一个集合台车运动与负载摆动的广义信号，建立基于能量的模糊控制器。2.如权利要求1所述的带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的模糊控制方法，其特征是，在所述步骤一中，负载与台车垂直稳定时，负载与台车的连接点为中心点，对应x-y坐标系，负载受到外部持续扰动力d的作用时，负载与垂直方向形成θ0的夹角，此时，以与负载所处的线相垂直的边为x'，以与负载所处的线在一条直线的边为y'，以x'-y'坐标系为参考坐标系。3.如权利要求2所述的带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的模糊控制方法，其特征是，所述步骤一中，可升降桥式吊车系统的数学模型的建立时包括以下步骤：(1-1)根据建立的x'-y'参考坐标系，得到台车、负载在x'-y'坐标系下的位置坐标；(1-2)对台车、负载在x'-y'坐标系下的位置坐标关于时间求导，可得台车、负载的速度分量；(1-3)根据台车、负载的速度分量，可得可升降桥式吊车系统的动能；(1-4)根据可升降桥式吊车系统的动能，采用拉格朗日方程，进行可升降桥式吊车系统的数学模型的建立，得到惯量矩阵、向心-柯氏力矩阵、重力向量以及控制向量具体的表达式。4.如权利要求3所述的带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的模糊控制方法，其特征是，所述步骤(1-4)中，惯量矩阵、向心-柯氏力矩阵、重力向量、控制向量、以及系统状态向量具体的表达式为：其中，M、m分别表示台车质量、负载质量；l、g分别表示绳长、重力加速度，Fx、Fl为施加于台车、负载上的驱动力，d为施加于负载上的外部持续扰动力，x'、θ'分别代表x'-y'坐标系下台车位移以及负载摆角，q'为系统状态向量，M(q')、G(q')、U分别表示惯量矩阵、向心-柯氏力矩阵、重力向量以及控制向量。5.如权利要求2所述的带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的模糊控制方法，其特征是，由持续扰动引起的摆动θ0、负载摆动θ'始终在如下范围内：6.如权利要求1所述的带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的模糊控制方法，其特征是，所述步骤二中，建立模糊扰动观测器的具体过程包括：(2-1)利用模糊系统近似估计负载的持续外部扰动d，得到持续扰动估计值，持续扰动d为常数；(2-2)定义观测动力学方程，定义观测误差，得到观测误差动力学方程。7.如权利要求6所述的带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的模糊控制方法，其特征是，步骤(2-1)中，利用模糊系统近似估计负载的持续外部扰动d，其估计值为：其中，为可调参数向量，ξT＝(ξ1,ξ2,…,ξr)T,其中ξi为模糊基函数，i＝1,2…,r，ξ(x)为模糊基函数向量。8.如权利要求6所述的带有持续扰动的可升降桥式吊车系统的模糊控制方法，其特征是，步骤(2-2)中，定义如下的观测动力学方程：其中，σ＞0为观测参数，Dx、Dl为摩擦力相关的系数；为方便接下来观测器的设计，定义观测误差为：

【专利技术属性】
技术研发人员：马昕，张梦华，田新诚，荣学文，宋锐，李贻斌，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37