一种双摆三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种双摆三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法，包括根据动力学基础理论和运动方程构建双摆三维桥式起重机模型的动力学方程；基于系统状态量之间的耦合关系和所述动力学方程，求取台车位移信息和载荷摆动信息的两个广义状态量，并进一步获得广义误差量；根据所述广义误差量构建非线性自适应跟踪控制器，并结合不确定参数和未知外部干扰计算自适应更新律，进行自适应跟踪控制。本发明专利技术能够实现台车准确定位性能，同时，在控制输入中加入了更多与摆振相关的信号，提高了暂态控制性能，另外，通过自适应律克服了载荷质量、悬绳及吊绳长度的不确定性，非零初始摆角的干扰，进一步提高了在实际应用中的可靠性。进一步提高了在实际应用中的可靠性。进一步提高了在实际应用中的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种双摆三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及双摆三维桥式起重机运动控制的
，尤其涉及一种双摆 三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]桥式起重机作为工业生产和起重运输机械化、自动化的重要设备，广泛应 用于各种工业场所(如车间、仓库等)，随着桥式起重机的普及和使用，对其稳 定、高效、安全运行提出了越来越高的要求。在实际工业环境中，小车一方面 要快速、准确地到达设定位置，另一方面也要有效减弱吊装过程中负载的摆动， 防止与现场其他物体发生碰撞，同时，为了保证起重机系统的运输效率，还必 须确保在台车完成定位任务时，货物没有残留的摆动。
[0003]然而，起重机在运行过程中会经历加速或减速的过程，这势必会引起负载 的摆动。这种摆动现象在起重机的启动和制动过程中尤为明显。此外，桥式起 重机在吊装过程中使用吊钩来连接负载，因此具有双摆的特性。当起重机台车 移动到设定位置时，负载的摆动将导致吊装和定位困难，而目前已有的控制方 法大多数是针对一级摆型三维桥式起重机系统提出的，相比之下，双摆三维桥 式吊车系统的状态量更多，并且各个状态之间的耦合性、非线性更强，因此其 控制方法的研究更具挑战性。除此之外，面对具有复杂动态特性的起重机系统 时，许多控制方法往往是基于线性化或近似处理后的动态模型推导出的，这使 得相应的控制结果不够可靠，当系统受到外部干扰和系统状态远离平衡位置时， 控制性能将严重降低甚至失去稳定性，此外，系统的鲁棒性以及许多实际问题， 如参数不确定性、初始摆角随机等，在控制器的构造中没有得到很好的考虑。

技术实现思路

[0004]本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较 佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或 省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略 不能用于限制本专利技术的范围。
[0005]鉴于上述现有双摆三维桥式吊车系统的跟踪控制中存在的问题，提出了本 专利技术。
[0006]因此，本专利技术解决的技术问题是：桥式起重机在吊装过程中使用吊钩来连 接负载时，三维桥式起重机会表现出双摆的特性，从而，起重机动力学模型会 具有更复杂的非线性特性，导致台车完成定位目标的同时难以抑制双摆摆动问 题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：根据动力学基础理论和 运动方程构建双摆三维桥式起重机模型的动力学方程；基于系统状态量之间的 耦合关系和所述动力学方程，求取台车位移信息和载荷摆动信息的两个广义状 态量，并进一步获得广义误差量；根据所述广义误差量构建非线性自适应跟踪 控制器，并结合不确定参数和未知外部干扰计算自适应更新律，进行自适应跟 踪控制。
[0008]作为本专利技术所述的双摆三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法 的一种
优选方案，其中：所述构建双摆三维桥式起重机动力学参数方程包括， 所述起重机系统的动力学模型表示为：
[0009][0010]其中：M为惯性矩阵，C为向心一柯氏力矩阵，q为状态向量，G为重力向量， Γ为控制输入向量，Ξ为未知的外部干扰，包括空气阻力。
[0011]作为本专利技术所述的双摆三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法 的一种优选方案，其中：所述求取广义状态量包括，所述广义状态量包括广义 位移状态量和广义速度状态量，将所述广义位移状态量设定为ψ
x
和ψ
y
，所述 广义速度状态量设定为和所述广义状态量的具体表达式如下所示：
[0012]ψ
x
＝x+κ1S1C2+κ2S3C4，ψ
y
＝y+κ3S2+κ4S4[0013][0014]其中：x和分别为台车在X方向的位移及速度，y和分别为台车在Y方向的 位移及速度，S
i
和C
i
(i＝1,2,3,4)分别为Sinθ
i
和Cosθ
i
(i＝1,2,3,4)的缩写形式， κ
j
(j＝1,2,3,4)为增强抗摆项控制增益参数。
[0015]作为本专利技术所述的双摆三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法 的一种优选方案，其中：所述广义误差量包括，利用所述广义状态量与台车的 参考轨迹作差获取，所述广义误差量包括广义位移误差量和广义速度误差量， 将所述广义位移误差量设定为和所述广义速度误差量设定为和具体表达式如下所示：
[0016][0017][0018]作为本专利技术所述的双摆三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法 的一种优选方案，其中：所述台车的参考轨迹包括，利用台车的参考轨迹实现 跟踪控制，所述参照轨迹分别设定为x
r
(t)与y
r
(t)，其表达公式为：
[0019][0020][0021]其他情况下：
[0022][0023][0024]其中：x
d
,y
d
为台车的目标位置；x0,y0为台车的初始位置；t
xd
,t
yd
为台车定 位时间。
[0025]作为本专利技术所述的双摆三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法 的一种优选方案，其中：所述非线性自适应跟踪控制器包括，
[0026]所述非线性自适应跟踪控制器表达式如下：
[0027][0028][0029]其中：k
px
,k
py
,k
dx
,k
dy
为控制增益，γ
x
,γ
y
为系统摩擦力与未知外部干扰相关 函数矩阵：
[0030][0031][0032]其中：为系统不确定参数和未知外部干扰相关参数的估计量，表达式为 如下：
[0033][0034][0035]作为本专利技术所述的双摆三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法 的一种优选方案，其中：所述自适应更新律包括，所述自适应更新律包括：
[0036][0037][0038]其中：A，B均为待确定自适应更新律增益矩阵，其数学表达式为：
[0039]A＝diag{a
1 a
2 a
3 a4}∈R4×4[0040]B＝diag{b
1 b
2 b
3 b4}∈R4×4[0041]作为本专利技术所述的双摆三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法 的一种优选方案，其中：所述控制增益和待确定自适应更新律增益矩阵包括， 所述控制增益k
px
,k
py
，k
dx
，k
dy
可以利用调整PID控制器的经验对其进行调整， 所述增强抗摆项控制增益参数κ
j
(j＝1，2,3,4)的值以及所述自适应更新律增益 矩阵A，B可以通过反复试验得出，对于所述参考轨迹中x
d
，y
d...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双摆三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法，其特性在于，包括：根据动力学基础理论和运动方程构建双摆三维桥式起重机模型的动力学方程；基于系统状态量之间的耦合关系和所述动力学方程，求取台车位移信息和载荷摆动信息的两个广义状态量，并进一步获得广义误差量；根据所述广义误差量构建非线性自适应跟踪控制器，并结合不确定参数和未知外部干扰计算自适应更新律，进行自适应跟踪控制。2.如权利要求1所述的双摆三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法，其特征在于：所述构建双摆三维桥式起重机动力学参数方程包括，所述起重机系统的动力学模型表示为：其中：M为惯性矩阵，C为向心一柯氏力矩阵，q为状态向量，G为重力向量，Γ为控制输入向量，Ξ为未知的外部干扰，包括空气阻力。3.如权利要求1或2所述的双摆三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法，其特征在于：所述求取广义状态量包括，所述广义状态量包括广义位移状态量和广义速度状态量，将所述广义位移状态量设定为ψ
x
和ψ
y
，所述广义速度状态量设定为和所述广义状态量的具体表达式如下所示：ψ
x
＝x+κ1S1C2+κ2S3C4，ψ
y
＝y+κ3S2+κ4S4其中：x和分别为台车在X方向的位移及速度，y和分别为台车在Y方向的位移及速度，S
i
和C
i
(i＝1,2,3，4)分别为Sinθ
i
和Cosθ
i
(i＝1，2,3,4)的缩写形式，κ
j
(j＝1,2,3,4)为增强抗摆项控制增益参数。4.如权利要求3所述的双摆三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法，其特征在于：所述广义误差量包括，利用所述广义状态量与台车的参考轨迹作差获取，所述广义误差量包括广义位移误差量和广义速度误差量，将所述广义位移误差量设定为和所述广义速度误差量设定为和具体表达式如下所示：具体表达式如下所示：5.如权利要求4所述的双摆三维桥式起重机增强抗摆的自适应跟踪控制方法，其特征在于：所述台车的参考轨迹包括，利用台车的参考轨迹实现跟踪控制，所述参照轨迹分别设定为x
r
(t)与y
r
(t)，其表达公式为：
其他情况下：x
r

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳慧珉，赵冰清，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：