基于滑模面的桥式吊车控制方法技术

一种基于滑模面的桥式吊车控制方法。针对桥式吊车运送过程的定位和消摆任务，本发明专利技术提出了一种新颖的基于滑模面的控制方法。首先通过坐标变换将原吊车模型转换成一种类线性的模式，然后设计一种新颖的滑模面，并构造出相应的非线性控制算法使得系统状态始终保持在滑模面上，最后，通过李雅普诺夫方法严格证明，只要参数选取满足本发明专利技术所给出的条件，系统平衡点可达到近似指数稳定。相比于现有吊车控制方法(只能保证渐近收敛)，本发明专利技术的收敛速度更快(近似指数收敛)。而且本发明专利技术的控制输入相对一般全状态反馈方法更加平滑，有利于实际应用。仿真和实验结果均表明，本发明专利技术定位速度快、消摆效果好，且对各类外界干扰具有很强的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于非线性欠驱动桥式吊车控制领域，特别是一种基于滑模面的非线性桥式吊车控制方法。
技术介绍
欠驱动桥式吊车是一种被广泛应用的物料运输工具，在很多行业中都发挥着非常重要的作用。桥式吊车的主要任务是将负载快速准确地运送到目标位置并保证其摆动尽可能小。然而，由于吊车的欠驱动本质，这两者很难兼顾。目前，吊车控制仍然主要依赖于人工操作，其运送效率比较低下，台车定位和负载消摆效果差，且容易因为操作员的疲劳操作等诸多原因引发安全事故。为了解决这些问题，近年来，很多控制领域的学者都致力于欠驱动桥式吊车自动控制的研究，并取得了很多有意义的成果[1-4]。目前，桥式吊车的控制方法主要可以分为两类，即开环控制方法和闭环控制方法。开环控制方法主要包括输入整形[5-9]和轨迹规划[10,11]。经典输入整形器包括ZV输入整形器、ZVD输入整形器、EI输入整形器等。它们将系统的给定输入与一系列脉冲信号卷积，从而产生新的具有消摆功能的输入信号。轨迹规划则是由研究人员设计一条光滑轨迹，使得台车在沿着给定轨迹运行时负载摆角被抑制在一个较小的范围内。开环控制不需要反馈信息，且结构简单，便于实践，因此已经在吊车的自动控制领域取得很大的成功。但是开环控制器的鲁棒性很差，一旦受到明显的外界干扰，其性能将会大大降低。与此相对的，闭环控制方法能根据反馈信号实时调整控制输入，因此它们对于模型误差、外界干扰等具有很强的鲁棒性。典型的闭环控制方法包括基于能量的控制方法[12,13]、滑模控制方法[14,15]、自适应控制方法等[16]，它们都取得了很好的控制效果。近年来，还不断有新的优秀研究成果出现。例如，孙宁[17]等人提出了一种基于末端执行器运动的吊车控制方法，具有很好的消摆效果。在文献[18]中，Khatamianfar等人针对三维吊车提出了一种基于模型预测的新型跟踪控制算法。此外，还有一些研究人员尝试将智能控制方法[19-21]应用于吊车控制，也取得了不错的成果。但是已有的控制方法最多只能保证闭环系统平衡点的渐近稳定性，其定位和消摆效果有时仍然无法满足需求。此外，大多数闭环控制算法需要速度信号来产生控制输入，而速度信号中经常包含许多高频噪音，这就可能导致系统的控制输入变化剧烈，不利于实际应用，从而大大降低控制效果。在外界干扰较大时，这一现象尤为明显。
技术实现思路
为了解决现有控制方法的上述不足，本专利技术提出了一种基于滑模面的非线性桥式吊车控制方法。本专利技术提出了一种新颖的滑模控制方法。该方法能够保证在控制参数选取满足本专利技术所给出的条件时，闭环系统平衡点是近似指数稳定的，从而进一步提升桥式吊车系统的定位和消摆性能。此外，不同于现有方法，本专利技术所提出的方法用速度反馈信号构造控制输入的导数，从而使得即使在有噪音的情况下，控制输入依然足够光滑。具体而言，首先通过坐标变换将桥式吊车系统转化成一种类线性形式。然后基于新的模型，设计出一种新颖的滑模面，并通过本控制算法的引入，使得系统状态始终保持在所设计的滑模面上。最后，通过李雅普诺夫方法严格证明，只要选取的控制参数满足本专利技术在证明过程中所给出的条件，闭环系统的期望平衡点可以达到近似指数收敛。仿真和实验结果均表明，所提出方法具有良好的定位和消摆效果，并对于各种外界干扰具有良好的鲁棒性。本专利技术提供的基于滑模面的非线性桥式吊车控制方法包括：第1，基于转化模型的新颖滑模面的构造桥式吊车一般可由下列动力学方程表示：(M+m)x··+mlθ··cosθ-mlθ·2sinθ=Fa,ml2θ··+mlcosθx··+mglsinθ=0,---(1)]]>其中，M,m,l分别表示台车质量，负载质量以及吊绳长度，θ(t),分别表示负载摆角及其一阶和二阶导数，x(t),表示台车位移及其二阶导数，而Fa(t)和g分别表示控制输入和重力加速度常数；首先进行如下状态变换：η1=x-xd+lln(1cosθ+tanθ),η2=x·-x·d+lcosθθ·,η3=-gtanθ,η4=-gcos2θθ·,---(2)]]>其中，η1(t),η2(t)，η3(t)，η4(t)为新定义的状态变量，为台车位移一阶导数，xd(t),表示台车参考轨迹及其一阶导数，那么原模型(1)可等效转化为如下形式：η·1=η2,η·2=η3-h(η3)η42-x··d,η·3=η4,η·4=u,---(3)]]>其中，分别代表新定义的状态变量η1(t),η2(t),η3(t),η4(t)关于时间的一阶导数，为已知的函数，为参考轨迹xd(t)关于时间的二阶导数，u(t)为虚拟控制输入，它与控制输入Fa(t)具有如下关系：Fa=(Ml+mlsin2θ)cosθgu-mlθ·2sinθ-(M+m)gtanθ+2(Ml+mlsin2θ)sinθcos2θθ·2.---(4)]]>在上述公式(1)-(4)中，t表示时间，变量后面(t)表示该变量为关于时间的变量，此外，除特殊说明，以上所说导数均为关于时间t的导数，下面做相同处理；为了简化，将变量(t),x(t),xd(t),h(η3(t)),u(t)和Fa(t)简写成θ,x,xd,h(η3),u和Fa，同样地，将ηi(t),i＝1,2,3,4简写成ηi,i＝1,2,3,4，下面的其余公式做同样简化处理；进一步定义如下辅助函数：f(t)=(kt-1)4,0≤t≤1k,0,t>1k,---(5)]]>其中k为待定的正参数，它决定了f(t)收敛到0的速度，具体来说，k越大，收敛越快，反之则越慢；在此基础上，构造滑模面如下：Ω＝{(η1,η2,η3,η4)|aη1+bη2+cη3+dη4-λf(t)＝0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于滑模面的桥式吊车控制方法，其特征在于该方法包括：第1，基于转化模型的新颖滑模面的构造桥式吊车一般可由下列动力学方程表示：(M+m)x··+mlθ··cosθ-mlθ·2sinθ=Fa,ml2θ··+ml cosθx··+mgl sinθ=0,---(1)]]>其中，M,m,l分别表示台车质量，负载质量以及吊绳长度，θ(t),分别表示负载摆角及其一阶和二阶导数，x(t),表示台车位移及其二阶导数，而Fa(t)和g分别表示控制输入和重力加速度常数；首先进行如下状态变换：η1=x-xd+l ln(1cosθ+tanθ),η2=x·-x·d+lcosθθ·,η3=-g tanθ,η4=-gcos2θθ·,---(2)]]>其中，η1(t),η2(t),η3(t),η4(t)为新定义的状态变量，为台车位移一阶导数，xd(t),表示台车参考轨迹及其一阶导数，那么原模型(1)可等效转化为如下形式：η·1=η2,η·2=η3-h(η3)η42-x··d,η·3=η4,η·4=u,---(3)]]>其中，分别代表新定义的状态变量η1(t),η2(t),η3(t),η4(t)关于时间的一阶导数，为已知的函数，为参考轨迹xd(t)关于时间的二阶导数，u(t)为虚拟控制输入，它与控制输入Fa(t)具有如下关系：Fa=(Ml+ml sin2θ)cosθgu-mlθ·2sinθ-(M+m)g tanθ+2(Ml+ml sin2θ)sinθcos2θθ·2.---(4)]]>在上述公式(1)‑(4)中，t表示时间，变量后面(t)表示该变量为关于时间的变量，此外，除特殊说明，以上所说导数均为关于时间t的导数，下面做相同处理；为了简化，将变量θ(t),x(t),xd(t),h(η3(t)),u(t)和Fa(t)简写成θ,x,xd,h(η3),u和Fa，同样地，将ηi(t),i＝1,2,3,4简写成ηi,i＝1,2,3,4，下面的其余公式做同样简化处理；进一步定义如下辅助函数：f(t)=(kt-1)4,0≤t≤1k,0,t>1k,---(5)]]>其中k为待定的正参数，它决定了f(t)收敛到0的速度，具体来说，k越大，收敛越快，反之则越慢；在此基础上，构造滑模面如下：Ω＝{(η1,η2,η3,η4)|aη1+bη2+cη3+dη4‑λf(t)＝0},    (6)其中，a,b,c,d均为控制参数，而λ＝aη1(0)+bη2(0)+cη3(0)+dη4(0)为一常数，其中η1(0),η2(0),η3(0),η4(0)分别表示0时刻η1(t),η2(t),η3(t),η4(t)的初值信息；第2，一种新颖的非线性控制算法构造如下非线性控制算法：u·=M(*)+N(*)u,u(0)=-1d{aη2(0)+b[η3(0)-h(η3(0))η42(0)-x··d(0)]+cη4(0)-λf′(0)},---(8)]]>其中，表示u(t)的一阶导数，u(0),h(η3(0)),f'(0)分别为u(t),h(η3(t)),f'(t)在0时刻的初值，f'(t)则是f(t)的一阶导数，M(*),N(*)均为已知函数，其具体表达式为其中，f”(t)为f(t)的二阶导数，F(*),G(*),H(*)的具体表达式为F(*)=a(η3-h(η3)η42-x··d)+b[η4-∂h(η3)∂η3η43-xd(3)],]]>G(*)＝c‑2bh(η3)η4,H(*)＝(k0+1+k1k2)x1+k2k0χ,...

【技术特征摘要】
2016.03.30 CN 20161019587841.一种基于滑模面的桥式吊车控制方法，其特征在于该方法包括：第1，基于转化模型的新颖滑模面的构造桥式吊车一般可由下列动力学方程表示：(M+m)x··+mlθ··cosθ-mlθ·2sinθ=Fa,ml2θ··+mlcosθx··+mglsinθ=0,---(1)]]>其中，M,m,l分别表示台车质量，负载质量以及吊绳长度，θ(t),分别表示负载摆角及其一阶和二阶导数，x(t),表示台车位移及其二阶导数，而Fa(t)和g分别表示控制输入和重力加速度常数；首先进行如下状态变换：η1=x-xd+lln(1cosθ+tanθ),η2=x·-x·d+lcosθθ·,η3=-gtanθ,η4=-gcos2θθ·,---(2)]]>其中，η1(t),η2(t),η3(t),η4(t)为新定义的状态变量，为台车位移一阶导数，xd(t),表示台车参考轨迹及其一阶导数，那么原模型(1)可等效转化为如下形式：η·1=η2,η&Cen...

【专利技术属性】
技术研发人员：方勇纯，卢彪，孙宁，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12