欠驱动桅杆式起重机定位消摆非线性控制方法技术

一种欠驱动桅杆式起重机定位消摆非线性控制方法，属于机电系统控制领域。该方法包括：根据起重机的动力学模型构造能量函数，并充分利用可驱动变量（吊杆旋转角和俯仰角）和不可驱动变量（负载径向摆角和切向摆角）之间的耦合关系，构造李雅普诺夫候选函数，从而设计出一种新型的非线性控制器。除此之外，为对吊杆转动的超调量进行有效限制，在控制器中加入限幅项，防止吊杆在目标位置附近来回摆动。此方法可以实现准确定位控制与快速消摆控制。

【技术实现步骤摘要】
欠驱动桅杆式起重机定位消摆非线性控制方法
本专利技术属于机电系统控制领域，可以对动力学模型十分复杂的三维欠驱动桅杆式起重机系统进行有效的消摆和定位控制。
技术介绍
在实际应用中，大多数机械系统都是欠驱动的。所谓欠驱动，就是系统独立的驱动量少于系统的自由度。近几十年来，学者们为解决类似系统的控制问题做出了巨大的努力，其研究对象包括欠驱动机器人系统[1,2]、吊车系统[3,4]、旋转激励平移振荡器系统[5]等。其中，吊车是一种典型的欠驱动系统，被广泛应用于建筑工地、码头和工厂等地完成货物的装卸工作。然而，由于人工操作的不确定性，有时很难将货物准确地运送到指定地点。更严重的是，错误的操作可能会导致一系列危险意外的发生。因此，在实际应用中，亟待设计有效的自动控制方法解决上述问题。对于欠驱动桥式起重机系统，已有的控制方法可分为开环控制、闭环控制两类。具体而言，开环控制方法包括轨迹规划[3,6]和输入整形[7]等。而闭环控制方法往往可以更加有效地处理外界干扰，获得较好的控制效果，例如基于能量的控制方法[8,9]、滑模控制[10]、自适应控制[11]等。在各式吊车系统中，桅杆式起重机在实际应用中十分常见，并且在日常生活中扮演着重要角色，比如进行路面维修、货物搬运等任务。可是，通常桅杆式起重机都是由人工来操作，这会导致运行效率低和吊杆无法准确定位等问题。与已被广泛研究的桥式起重机相比，桅杆式起重机状态量之间存在着更强的耦合。具体而言，它具有俯仰和旋转两方向的运动，会产生复杂的离心力，导致其动力学方程呈现出高度的非线性和复杂性，使得控制器设计的难度进一步增加。目前，为了解决桅杆式起重机的控制问题，一些有趣而富有意义的工作正积极展开。在文献[12],[13]中，桅杆式起重机的控制过程被分为两部分，首先将状态变量转移到平衡点附近，然后保证吊杆稳定在期望位置附近并且消除负载的摆动。开环轨迹规划方法[14-16],如直接转移变换(StraightTransferTransformation，STT)模型，都可以有效地对桅杆式起重机进行控制。此外，Samin等人在文献[17],[18]中讨论了三种输入整形方法，包括指定负振幅(SpecifiedNegativeAmplitude，SNA)整形器、正定零振动(PositiveZeroVibration，PZV)整形器和正定零振动双微分(PositiveZero-Vibration-Derivative-Derivative，PZVDD)整形器。按照上述方法对输入信号进行整形，可以在吊杆旋转过程中减弱负载的摆动幅度。值得一提的是，上述介绍的控制方法都需要在平衡点附近将起重机非线性模型线性化，并在线性模型的基础上设计控制器。然而，如果状态变量(如摆角)在外界扰动的影响下偏离平衡点，控制器的控制效果将会被大大减弱。文献[19]提出一种开环最优控制方法，通过使用二次规划方法求得非线性方程的最优控制量，以实现起重机的消摆与定位。文献[20]基于前馈控制方法，将经过滤波的输入整形器应用于桅杆式起重机系统，成功实现消摆目标。与开环控制相比，闭环控制方法增强了系统的鲁棒性并且可以在存在干扰的情况下取得较好的控制效果。因此，近年来研究人员开始着力进行闭环方法的研究。为了减小负载的摆动幅度，Masoud等人提出一种基于延迟位置反馈的消摆控制方法[21]。而在文献[22]中，提出了一类基于积分器的部分状态反馈控制策略，可以在保证准确定位的同时实现负载消摆。考虑到模型参数的可变性，文献[23]设计出解决可变绳长问题的控制方法，在完成定位消摆的同时保证了系统的鲁棒性。除了上述基于模型的控制器之外，一系列智能算法，例如神经网络[24]、模糊控制[25]等，也都成功应用于桅杆式起重机控制中，进一步优化并提升了控制效果。通过对上述已有方法的综合分析，一些重要的问题凸显出来并急需设计有效的解决方法：1)现有闭环控制方法均需要先对系统模型线性化，接着再进行控制器设计。然而，一旦系统受到未知干扰导致系统状态偏离平衡点，线性化后的模型将无法准确描述其当前实际运行状态，也就无法对起重机进行有效控制。2)大多数闭环控制器都未具体说明如何解决吊杆移动超调的问题。当控制增益选择不恰当时，可能产生严重的超调，使吊杆来回移动，进而引发潜在的危险和不必要的能量损耗。综上所述，为解决非线性模型线性化带来的问题以及有效地限制吊杆的超调幅度，亟需一种稳定的非线性控制器，以取得更好的控制效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对已存在的桅杆式起重机系统控制方法的不足之处，设计出一种新型的非线性控制器，保证桅杆式起重机系统平稳有效地运行。考虑到起重机动力学模型为非线性的，本专利技术通过对系统储能函数的分析，在控制器中加入精心构造的耦合项以提高控制性能，并且能够限制旋转超调。另一方面，此种控制方法并不需要将起重机动力学模型线性化或者忽略特殊的非线性项，即使状态变量都远离平衡点时也能实现较好的控制效果。对于其闭环稳定性，可以利用李雅普诺夫方法和拉塞尔不变性原理进行严格的理论证明。此外，基于硬件平台的实验结果也验证了本专利技术方法的可行性和有效性。本专利技术提供的欠驱动桅杆式起重机消摆定位控制方法包括：第1、定义误差信号、状态向量和超调约束定义起重机吊杆的俯仰角误差e1与旋转角误差e2分别为e1＝φ1-φ1d,e2＝φ2-φ2d其中，φ1,φ2分别表示吊杆的俯仰角和旋转角，φ1d,φ2d分别表示吊杆的俯仰角和旋转角的目标值；定义起重机状态向量为其中，θ1,θ2分别为负载在径向和切向两个方向上的摆角；符号“”表示矩阵/向量转置；定义吊杆在俯仰和旋转两个方向上所允许出现的最大超调量分别为ζ1,ζ2,即要求φ1-φ1d＜ζ1,φ2-φ2d＜ζ2。第2、定义控制目标在运动过程中，控制目标要求吊杆俯仰角φ1和旋转角φ2到达目标值，同时消除负载的径向摆角θ1和切向摆角θ2；除此之外，φ1和φ2的超调量不得超过ζ1和ζ2；具体表达形式如下：其中，分别代表吊杆在俯仰和旋转方向上的角速度以及负载径向摆角和切向摆角的角速度。第3、控制器设计设计非线性控制器u1,u2如下：其中，kp1,kp2,kd1,kd2,β1,β2,kh1,kh2均为正的控制增益，M,m,MB分别为吊杆质量、负载质量和基座质量，L,LB分别为吊杆长度和基座长度，g为重力加速度。第4、控制方法实现利用固定在吊杆和伺服电机上的编码器测量吊杆的俯仰角φ1和旋转角φ2，以及负载的摆角θ1和θ2，并利用式(16)，得到作用在吊杆俯仰方向和旋转方向上的输入力矩，驱动吊杆移动到指定位置并快速消除负载摆动。本专利技术方法的理论依据及推导过程第1、系统非线性动力学模型及控制目标基于拉格朗日方法建立的起重机系统动力学方程如下所示：其中，分别为负载径向摆角及其相应的角速度和角加速度，分别指负载切向摆角及其相应的角速度和角加速度，分别表示吊杆俯仰角及其相应的角速度和角加速度，分别代表吊杆旋转角及其相应的角速度和角加速度，t表示时间，变量后面(t)表示该变量为关于时间t的函数；为简明起见，略去大多数变量后面的(t)；u1(t),u2(t)分别为俯仰和旋转方向上的驱动力矩，m,M和MB分别表示负载质量、吊杆质量和基座质量，l代表绳长，L指本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种欠驱动桅杆式起重机定位消摆非线性控制方法，其特征在于该方法包括：第1、定义误差信号、状态向量和超调约束定义起重机吊杆的俯仰角误差e1与旋转角误差e2分别为e1＝φ1‑φ1d,e2＝φ2‑φ2d其中，φ1,φ2分别表示吊杆的俯仰角和旋转角，φ1d,φ2d分别表示吊杆的俯仰角和旋转角的目标值；定义起重机状态向量为

【技术特征摘要】
1.一种欠驱动桅杆式起重机定位消摆非线性控制方法，其特征在于该方法包括：第1、定义误差信号、状态向量和超调约束定义起重机吊杆的俯仰角误差e1与旋转角误差e2分别为e1＝φ1-φ1d,e2＝φ2-φ2d其中，φ1,φ2分别表示吊杆的俯仰角和旋转角，φ1d,φ2d分别表示吊杆的俯仰角和旋转角的目标值；定义起重机状态向量为其中，θ1,θ2分别为负载在径向和切向两个方向上的摆角；符号表示矩阵/向量转置；定义吊杆在俯仰和旋转两个方向上所允许出现的最大超调量分别为ζ1,ζ2,即要求φ1-φ1d＜ζ1,φ2-φ2d＜ζ2；第2、定义控制目标在运动过程中，控制目标要求吊杆俯仰角φ1和旋转角φ2到达目标值，同时消除负载的径向摆角θ1和切向摆角θ...

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