基于干扰观测器的欠驱动吊车系统的终端滑模消摆控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于干扰观测器的欠驱动吊车系统的终端滑模消摆控制方法及系统，利用有限时间干扰观测器来估计外部干扰。通过将系统转化为链式系统，并结合干扰观测器和引入恰当滑模面，设计了有限时间控制律。经分析表明，外部干扰存在时,所设计的控制器能够调节台车在有限时间内到达预定轨迹，从而实现台车的精确定位和负载摆角的抑制。仿真结果说明了所提控制方法在实现台车定位和消摆中的有效控制效果。

Terminal Sliding Mode Anti-Swing Control Method and System of Underactuated Crane System Based on Disturbance Observer

The invention discloses a terminal sliding mode anti-swing control method and system of an under-actuated crane system based on a disturbance observer, which uses a finite-time disturbance observer to estimate external disturbances. By transforming the system into a chain system, combining the disturbance observer and introducing an appropriate sliding surface, a finite-time control law is designed. The analysis shows that when external disturbance exists, the designed controller can adjust the trolley to reach the predetermined trajectory in a limited time, thus realizing the accurate positioning of the trolley and restraining the load swing angle. The simulation results show the effective control effect of the proposed control method in realizing the positioning and anti-swing of trolley.

【技术实现步骤摘要】
基于干扰观测器的欠驱动吊车系统的终端滑模消摆控制方法及系统
本专利技术属于欠驱动吊车消摆控制
，尤其涉及一种基于干扰观测器的欠驱动吊车系统的终端滑模消摆控制方法及系统。
技术介绍
欠驱动吊车是现代运输业、建筑业、物流业中必不可少的组成部分，其消摆和定位控制得到了国内外学者的大量关注。与此同时，随着现代科技的迅速发展，人们连续不断地对吊车的消摆定位控制性能提出新要求。相应地，各类控制算法也相继被提出来。早期用于消摆的控制方法主要是开环控制。开环控制主要包括输入整形、离线轨迹规划以及最优开环控制。输入整形的具体做法是将吊车模型在平衡点附近线性化，然后把控制输入分为基本命令信号和延时信号，其中延时信号主要用于消除负载摆角。ZV整形法是最常见的输入整形法。然而由于该方法的控制性能严重依赖于系统模型的精度，后期人们提出了一些增强型输入整形方法。离线轨迹规划是指设计一条台车参考轨迹使得当台车沿该轨迹运动时能实现消摆控制。现有技术分别为台车设计了不同的参考轨迹，不同的是前者能保证台车准确到达目标位置而无法消除负载摆角，后者既能实现台车定位又可消摆。为提升吊车系统的鲁棒性，使其更适合室外环境，闭环控制策略得到了大量的关注。闭环控制主要包括需作近似线性化的控制方法和无需作近似线性化的方法。绝大多数需作近似线性化的控制策略采用的处理方法是把欠驱动吊车模型在平衡点周围线性化，或者直接不考虑某些非线性耦合项。但是需作近似线性化的控制方法无法从理论上证明在控制过程中系统的所有状态都被控制在平衡点周围。为此，人们又设计了无需作近似线性化的控制方法。在无需作近似线性化的方法中，最具代表性的控制方法是基于能量或无源性的控制方法。通过分析系统的能量变化规律，可以方便地掌握系统的运动状态，基于能量的控制算法自然地成为控制欠驱动吊车系统的有力武器。现有技术提出了基于末端执行器广义运动的能量耦合控制方法。开环控制和闭环控制是两类依赖于模型参数的控制方法，其控制性能依赖于系统模型的精确度。另一方面，随着科学技术的发展，不依赖于模型参数的智能控制方法也被广泛应用于吊车系统的控制(如神经网络模糊控制、遗传算法等)。在实际应用中，系统经常会遭受外部扰动的影响。因此，在最近几年里，抗干扰控制得到了广泛的关注。现有技术针对带有不匹配干扰的链式系统，基于干扰观测器的连续非奇异终端滑模控制方法被提出。针对具有不确定性与不匹配扰动条件的链式系统，现有技术提出了基于干扰观测器的有限时间连续输出控制器。另一方面，现有技术研究了一类串联欠驱动系统的基于扩展扰动观测器的滑模控制器设计问题。同时，针对移动倒立摆系统，基于干扰观测器设计了动态面控制器。到目前为止，已经有许多干扰作用下的欠驱动吊车系统控制的结果。然而在这些已有的结果都假定干扰是已知的或是有界的。一旦干扰的信息不能精确获得，现有的控制方法就失去作用。因此，针对欠驱动系统，设计干扰观测器来估计干扰，进而设计出所需的控制器来实现消摆与扰动的估计，成为亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题，提出一种基于干扰观测器的欠驱动吊车系统的终端滑模消摆控制方法及系统，首先设计控制律使得台车在有限时间内到达期望的预设轨迹，从而实现台车精确定位和负载消摆双重控制目标。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的第一目的是公开一种基于干扰观测器的欠驱动吊车系统的终端滑模消摆控制方法，包括：设定欠驱动吊车系统的期望轨迹，所述期望轨迹包含位置参考轨迹部分和消摆部分，所述位置参考轨迹部分用于指导台车到达期望的位置，所述消摆部分保证在不影响台车位置的情况下，有效地消除负载摆动；根据台车加速度误差信号设计有限时间终端滑模面；根据有限时间终端滑模面设计控制器，使得系统状态在有限时间内跟踪到期望轨迹。进一步地，所述设定欠驱动吊车系统的期望轨迹，具体为：其中，xd为位置参考轨迹部分，为消摆部分；pr∈R+代表台车目标位置，γ1和γ2是轨迹参数，ε∈R+是为了调节初始加速度而引入的参数，k是正控制增益，θ为负载摆角。进一步地，根据台车加速度误差信号设计有限时间终端滑模面，具体为：其中，常数a4＝1,a3＝a0∈(1-ε,1),ε∈(0,1),ki的选择应该满足多项式λ3+k3λ2+k2λ+k1是赫尔维茨多项式，k1、k2、k3为常数，误差信号x为台车位置。进一步地，根据台车加速度误差信号y3确定对应的误差动态方程，引入有限时间干扰观测器对误差动态方程中的不确定干扰项进行估计。进一步地，所述误差动态方程具体为：其中，mt与mp分别代表台车质量与负载质量，θ为负载摆角，v是作用于台车的控制力，d代表外部干扰信号，k是正控制增益，frx是摩擦力，g是重力加速度，l代表绳长，xd(3)为期望轨迹xd的三阶导数。进一步地，所述有限时间干扰观测器具体为：其中，v1＝-λ1lsgn(z1-v0)；λ0、λ1均为常数，且λ0＞0,λ1＞0；z0是y3的估计值，z1为的估计值。进一步地，根据有限时间终端滑模面设计控制器，使得系统状态在有限时间内跟踪到期望轨迹，具体为：其中，mt与mp分别代表台车质量与负载质量，θ为负载摆角，a、k'1、k2'均为常数，且0＜a＜1,k'1＞0,k2'＞0，为的估计。本专利技术的第二目的是公开一种基于干扰观测器的欠驱动吊车系统的终端滑模消摆控制系统，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：设定欠驱动吊车系统的期望轨迹，所述期望轨迹包含位置参考轨迹部分和消摆部分，所述位置参考轨迹部分用于指导台车到达期望的位置，所述消摆部分保证在不影响台车位置的情况下，有效地消除负载摆动；根据台车加速度误差信号设计有限时间终端滑模面；根据有限时间终端滑模面设计控制器，使得系统状态在有限时间内跟踪到期望轨迹。本专利技术的第三目的是公开一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行以下步骤：设定欠驱动吊车系统的期望轨迹，所述期望轨迹包含位置参考轨迹部分和消摆部分，所述位置参考轨迹部分用于指导台车到达期望的位置，所述消摆部分保证在不影响台车位置的情况下，有效地消除负载摆动；根据台车加速度误差信号设计有限时间终端滑模面；根据有限时间终端滑模面设计控制器，使得系统状态在有限时间内跟踪到期望轨迹。本专利技术有益效果：本专利技术技术方案公开的有限时间终端滑模控制方法，使台车一旦在有限时间内达到预设的轨迹，就会实现消摆与对期望位置点的渐近跟踪。本专利技术控制器的设计结合了有限时间控制技术、有限时间干扰观测器与李雅普诺夫控制方法，针对未知干扰作用下的欠驱动吊车系统，能够同时解决消摆与跟踪控制问题。附图说明图1为二维欠驱动吊车系统示意图；图2为台车跟踪效果示意图；图3为台车速度示意图；图4为台车加速度示意图；图5为负载摆角示意图；图6为负载摆角角速度示意图；图7为负载摆角角加速度示意图；图8为吊车的控制输入。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于干扰观测器的欠驱动吊车系统的终端滑模消摆控制方法，其特征在于，包括：设定欠驱动吊车系统的期望轨迹，所述期望轨迹包含位置参考轨迹部分和消摆部分，所述位置参考轨迹部分用于指导台车到达期望的位置，所述消摆部分保证在不影响台车位置的情况下，有效地消除负载摆动；根据台车加速度误差信号设计有限时间终端滑模面；根据有限时间终端滑模面设计控制器，使得系统状态在有限时间内跟踪到期望轨迹。

【技术特征摘要】
1.基于干扰观测器的欠驱动吊车系统的终端滑模消摆控制方法，其特征在于，包括：设定欠驱动吊车系统的期望轨迹，所述期望轨迹包含位置参考轨迹部分和消摆部分，所述位置参考轨迹部分用于指导台车到达期望的位置，所述消摆部分保证在不影响台车位置的情况下，有效地消除负载摆动；根据台车加速度误差信号设计有限时间终端滑模面；根据有限时间终端滑模面设计控制器，使得系统状态在有限时间内跟踪到期望轨迹。2.如权利要求1所述的基于干扰观测器的欠驱动吊车系统的终端滑模消摆控制方法，其特征在于，所述设定欠驱动吊车系统的期望轨迹，具体为：其中，xd为位置参考轨迹部分，为消摆部分；pr∈R+代表台车目标位置，γ1和γ2是轨迹参数，ε∈R+是为了调节初始加速度而引入的参数，k是正控制增益，θ为负载摆角。3.如权利要求1所述的基于干扰观测器的欠驱动吊车系统的终端滑模消摆控制方法，其特征在于，根据台车加速度误差信号设计有限时间终端滑模面，具体为：其中，常数i＝2,3,a4＝1,a3＝a0∈(1-ε,1),ε∈(0,1)，ki的选择应该满足多项式λ3+k3λ2+k2λ+k1是赫尔维茨多项式，k1、k2、k3为常数，误差信号x为台车位置。4.如权利要求3所述的基于干扰观测器的欠驱动吊车系统的终端滑模消摆控制方法，其特征在于，根据台车加速度误差信号y3确定对应的误差动态方程，引入有限时间干扰观测器对误差动态方程中的不确定干扰项进行估计。5.如权利要求4所述的基于干扰观测器的欠驱动吊车系统的终端滑模消摆控制方法，其特征在于，所述误差动态方程具体为：其中，mt与mp分别代表台车质量与负载质量，θ为负载摆角，v是作用于台车的控制力，d代表外部干扰信号，k是正控制增益，frx是摩擦力，g是重力加速度，l代表绳长...

【专利技术属性】
技术研发人员：张中才，武玉强，曹佃国，李莉，黄金明，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：山东,37