变系数自抗扰控制器设计方法、及吊车自抗扰控制器技术

本发明专利技术公开了一种变系数自抗扰控制器设计方法、及吊车自抗扰控制器，该方法的具体过程为：步骤S00、建立被控对象的数学模型，确定被控对象的阶数；步骤S01、由被控量个数确定需要构造的扩张状态数目，再根据所确定的被控对象的阶数，设计相应的扩张状态观测器；步骤S02、利用所述扩张状态观测器的输出，设计变权重系数的线性自抗扰控制器控制律，实现对多个被控对象的控制。本发明专利技术设计方法能够有效估计控制过程中的不确定扰动，并对其实时补偿，对系统参数变化不敏感，具有很强的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
变系数自抗扰控制器设计方法、及吊车自抗扰控制器
本专利技术属于柔性伺服控制以及吊车控制等
，具体涉及一种用于欠驱动系统的变系数自抗扰控制器设计方法、及吊车自抗扰控制器。
技术介绍
欠驱动系统的控制问题一直以来受到了控制界的广泛关注，其难点在于可用控制量的数量少于需要控制的变量数目，即系统的自由度大于控制量数目。作为现代工业领域不可或缺的组成部分，吊车系统是一种典型的欠驱动系统，广泛地适用于现代工厂、散货码头和集装箱货场以及仓库调度作业。吊车系统作为一类典型的欠驱动系统，其自由度包括台车位置以及悬吊重物(负载)摆动的角度，而控制量只有台车驱动力(矩)一个。负载通过吊绳悬挂在台车车体上，当执行机构(例如电机)驱动台车运动时，通过吊绳拖拽负载沿水平方向移动，间接实现驱动负载运动的目的。由于欠驱动系统具有较少的驱动环节，因而在节约能量、降低造价、减轻重量等方面优于全驱动控制系统，然而，其欠驱动特性也使得系统的控制难度显著增加，相比于全驱动控制系统，欠驱动系统引起的控制难题具有很大的挑战性，几十年来一直是控制科学领域的研究热点。大多数吊车操作是手动进行的，系统的工作效率完全依赖于工人的操作经验，这导致许多问题，例如需要长时间操作以补偿摆动，操作者的人身安全问题和不准确的负载吊运定位等。从控制的角度出发，二维吊车的被控量有台车位移和负载摆角，而控制量为作用在台车上的驱动力，对于负载摆动，只能通过合理地控制台车运动来加以抑制。此外，吊车往往由于吊绳长度和负载质量的变化而导致控制对象模型变化。同时，空气中的阻力以及机械结构的不均匀摩擦等因素，使得负载消摆难度加大。吊车控制包括开环控制和闭环控制两种不同的技术途径。开环控制主要包括输入整形控制、滤波器和命令平滑。其原理是按照吊车运行的实时状态，例如台车质量、负载质量、吊绳长度等针对性地设计得到台车的期望运行曲线，根据实时检测相应参数，确保台车能够运行到位，同时吊绳摆角较小。因此针对这一类欠驱动系统的开环控制并不具有传统的响应迅速、不依赖被控对象数学模型的优点。这是因为需要消摆的原因，其对于被控对象参数变化仍然敏感，对于外界扰动也无能为力，需要借助于闭环控制方法。现有文献研究表明，对于吊车这类欠驱动系统，通常采用如下方法：以PID为主的线性控制方法；通过运动规划和自适应跟踪控制两阶段的自适应控制；以最优化理论为基础的双摆式起重机运输控制的能量最优解决方案，以最小化的能量消耗实现包括快速小车定位和摆动消除的运输目标，并且在整个运输过程期间满足所有状态约束的同时有效地抑制残余振荡。但大多数方法都需要基于对被控对象的精确建模，分析和计算过程复杂，而实际的数学模型往往存在较大变数，因此工程上很难实现。自抗扰控制是一种能够估计系统总扰动的控制策略，其中的总扰动既包括了系统外部的干扰，也包括系统内部参数变化而引起的不确定性，估计扰动后通过状态反馈在控制器中进行补偿，使系统近似于积分串联型的理想形式并进行控制器设计，理论分析可行，实际也取得了广泛应用。扩张状态观测器用于估计系统状态以及总扰动，无需建立精确的系统模型。欠驱动系统反馈量数目多于控制量数目，而自抗扰控制可以看作是一种信息的提取过程，可以根据被控量的数目来确定扩张状态的数量。
技术实现思路
本专利技术提供了一种变系数自抗扰控制器设计方法、及吊车自抗扰控制器，该设计方法能够有效估计控制过程中的不确定扰动，并对其实时补偿，对系统参数变化不敏感，具有很强的鲁棒性。本方法具体包括如下步骤：一种变系数自抗扰控制器设计方法，适用于欠驱动系统，具体过程为：步骤S00、建立被控对象的数学模型，确定被控对象的阶数；步骤S01、由被控量个数确定需要构造的扩张状态数目，再根据所确定的被控对象的阶数，设计相应的扩张状态观测器；步骤S02、利用所述扩张状态观测器的输出，设计变权重系数的线性自抗扰控制器控制律，实现对多个被控对象的控制。一种吊车自抗扰控制器，其中，所述控制器的总的控制量的表达式为：U1＝kr(e)U1r+kα(e)U1α其中，e表示台车的运动误差，kr(e)和kα(e)是误差e的函数，U1r为台车位移控制量，U1α为负载和吊绳摆角控制量。进一步地，本专利技术所述U1r和U1α为：h1＝r,h2＝fr,h3＝α,h4＝fα其中，fr是影响台车运动的总扰动，r为吊车沿悬臂方向的位移，α表示吊绳沿悬臂方向的摆角，fα是负载摆动角度通道中的总扰动，kpr和kpα为台车运动和负载吊绳摆动的控制器增益，符号“Λ”表示估计值，Tm为台车的电气机械时间常数，Ta为电机的电枢回路时间常数，L为吊绳的长度。进一步地，本专利技术所述kr(e)和kα(e)定义为：其中，ξ∈[0,2)。有益效果：第一，本专利技术提出的变系数自抗扰控制器，利用多个被控量构建扩张状态观测器，利用扩张状态观测器的输出，设计变系数动态调整自抗扰控制器中的控制量，来同时达到对多个控制量的综合控制效果，能够有效估计控制过程中的不确定扰动，并对其实时补偿，对系统参数变化不敏感，具有很强的鲁棒性。第二，本专利技术针对吊车系统中的台车位移和吊绳摆角构建扩张状态观测器，并通过变系数动态调整自抗扰控制器中台车位移和吊绳摆角的控制量，来同时达到抑制吊绳摆角并实现台车的快速定位的综合控制效果，能够有效估计控制过程中的不确定扰动，并对其实时补偿，对系统参数变化不敏感，具有很强的鲁棒性，该控制器可直接用于工程上的吊车位移和吊绳消摆控制。附图说明图1为吊车系统结构示意及坐标系定义图。图2为吊车系统开环阶跃输入的吊绳摆角响应。图3为自抗扰控制结构图。图4为变系数自抗扰控制结构图。图5为过渡过程时间ts随ξ变化仿真曲线。图6为变系数控制方法和1:1固定系数方法的台车位移对比仿真响应。图7为变系数控制方法和固定系数方法的吊绳摆角对比仿真响应。图8为变系数自抗扰控制对不同吊绳长度的台车位移仿真响应。图9为变系数自抗扰控制对不同长度的吊绳摆角仿真响应。图10为变系数自抗扰控制对不同吊绳长度的台车位移实验响应。图11为变系数自抗扰控制对不同长度的吊绳摆角实验响应。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术实施例提供一种变系数自抗扰控制器设计方法，该方法适用于欠驱动系统，具体过程为：步骤S00、根据实际系统建立被控对象的数学模型，确定被控对象的阶数；步骤S01、根据步骤S00确定的被控对象的阶数，由被控量个数确定需要构造的扩张状态数目，再设计相应的扩张状态观测器；步骤S02、利用所述扩张状态观测器的输出，设计具有变权重系数特点的自抗扰控制器控制律，实现对多个被控对象的控制。本专利技术实施例提出的变系数自抗扰控制器，利用多个被控量构建扩张状态观测器，利用扩张状态观测器的输出，设计变系数动态调整自抗扰控制器中的控制量，来同时达到对多个控制量的综合控制效果，能够有效估计控制过程中的不确定扰动，并对其实时补偿，对系统参数变化不敏感，具有很强的鲁棒性。本专利技术实施例中可通过机理建模或系统辨识的方式，建立被控对象的数学模型；本专利技术实施例中扩张状态观测器为按照不同被控量独立构造仅有单个扩张状态的扩张状态观测器，扩张状态观测器可以为非线性形式的扩张状态观测器，还可以为降阶扩张状态观测器。本专利技术实施例中自抗扰控制器的反馈控制律为非线性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变系数自抗扰控制器设计方法，适用于欠驱动系统，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤S00、建立被控对象的数学模型，确定被控对象的阶数；步骤S01、由被控量个数确定需要构造的扩张状态数目，再根据所确定的被控对象的阶数，设计相应的扩张状态观测器；步骤S02、利用扩张状态观测器的输出，设计变权重系数的线性自抗扰控制器控制律，实现对多个被控量的控制。

【技术特征摘要】
1.一种变系数自抗扰控制器设计方法，适用于欠驱动系统，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤S00、建立被控对象的数学模型，确定被控对象的阶数；步骤S01、由被控量个数确定需要构造的扩张状态数目，再根据所确定的被控对象的阶数，设计相应的扩张状态观测器；步骤S02、利用扩张状态观测器的输出，设计变权重系数的线性自抗扰控制器控制律，实现对多个被控量的控制。2.如权利要求1中所述变系数自抗扰控制器设计方法，其特征在于，所述步骤S00中，通过机理建模或系统辨识，建立被控对象的数学模型。3.如权利要求1中所述变系数自抗扰控制器设计方法，其特征在于，所述扩张状态观测器为按照不同被控量独立构造仅有单个扩张状态的扩张状态观测器。4.如权利要求1中所述变系数自抗扰控制器设计方法，其特征在于，所述扩张状态观测器为非线性形式的扩张状态观测器。5.如权利要求1中所述变系数自抗扰控制器设计方法，其特征在于，所述扩张状态观测器为降阶扩张状态观测器。6.如权利要求1中所述变系数自抗扰控制器设计方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡涛，刘新宁，陈杰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11