细长型负载垂直起吊过程的非奇异终端滑模防晃控制方法技术

本发明专利技术公开了一种细长型负载垂直起吊过程的非奇异终端滑模防晃控制方法，包括以下步骤：基于拉格朗日动力学分析方法，利用广义坐标量建立了细长型负载起吊过程的非线性三维动力学模型；在此基础上，利用等效控制方法，建立了由等效控制和切换控制组成非奇异终端滑模控制模型；同时，提出了一种控制策略，利用两次坐标变换，解决了实际起重机上广义坐标量难以被测量和控制的问题。本发明专利技术可解决存在外部干扰的情况下细长型负载起吊晃动的问题，易于工业应用，可以显著提高起重机工作效率和运行稳定性。稳定性。稳定性。

【技术实现步骤摘要】
细长型负载垂直起吊过程的非奇异终端滑模防晃控制方法


[0001]本专利技术涉及起重运输领域，具体涉及一种细长型负载垂直起吊过程的非奇异终端滑模防晃控制方法。

技术介绍

[0002]起重机广泛应用于物料仓库、冶金制造、大型设备装配等重要的工业场所。在起重机的应用中，将水平放置的细长型负载起吊到垂直于地面是一种常见的工况。起吊过程中，细长型负载一端被起重机吊起，另一端与地面接触。由于外部扰动，负载将会不可避免地绕负载与地面的接触点晃动，特别是在风力发电机塔架安装、火箭装配等户外起重机的应用过程中。负载长时间的晃动将严重影响起重机的工作效率并带来严重的安全隐患。
[0003]目前，针对起重机控制进行了大量的研究。其中包括输入整形、平滑命令、离线规划等开环控制方法。开环控制根据起重机系统动力学规律来控制起重机，但这种控制方法具有对外界扰动和系统参数变化敏感性高的缺点。闭环控制包括PID控制、滑模控制、模糊控制、状态反馈、H∞控制等。然而，上述控制方法主要针对负载离开地面以后的摆动和定位问题，没有涉及细长型负载起吊过程中的晃动问题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种细长型负载垂直起吊过程的非奇异终端滑模防晃控制方法，解决细长型负载起吊过程中的晃动问题。
[0005]本专利技术提供一种细长型负载垂直起吊过程的分层非奇异终端滑模防晃控制方法，通过非奇异终端滑模控制方法，在细长型负载垂直起吊过程中，抑制负载的晃动并保持负载水平方向稳定，从而显著提高起重机的工作效率和运行安全性。另外，提出一种基于两次坐标变换的控制策略，解决广义坐标量在实际起重机上难以被测量和应用的问题，并使所提出的滑模控制器能够适用于具有不同测量系统和驱动系统的多种起重机。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是：首先基于几何关系，通过测量系统的测量量计算出广义坐标量；然后基于动力学分析，利用广义坐标量建立细长型负载垂直起吊的非线性三维动力学模型；再利用等效滑模控制方法，建立基于广义坐标量的非奇异终端滑模控制模型；最后基于几何关系将控制模型输出转化为可被利用的驱动系统输入实现细长型负载垂直起吊的晃动抑制和水平方向稳定。
[0007]本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
[0008]本专利技术公开了细长型负载垂直起吊过程的动力学分析，在此基础上，利用等效滑模控制方法，建立基于广义坐标量的非奇异终端滑模控制模型；此外，还提出了一种基于两次坐标变换的控制策略，解决了广义坐标量难以在实际起重机上被测量和应用的问题。本细长型负载垂直起吊控制方法可以实现细长型负载的稳定起吊方法可以显著提高起重机工作效率，同时，通过本专利技术提出的控制策略，所提出的基于广义坐标量的非奇异终端滑模控制模型能够适应多种起重机的测量系统和驱动系统，具有使用范围广，应用方便等特点。
附图说明
[0009]图1是细长型负载垂直起吊过程的分层非奇异终端滑模防晃控制方法原理图；
[0010]图2是细长型负载垂直起吊过程的起重机系统模型；
[0011]图3是典型桥式起重机系统的硬件原理图；
[0012]图4是操作员控制桥式起重机垂直起吊细长型负载时大车和起吊机构运动轨迹；
[0013]图5是桥式起重机垂直起吊细长型负载过程中分层非奇异终端滑模防晃控制的小车加速度、负载水平方向角和负载晃动角示意图。
[0014]图中：1
‑
可编程逻辑控制器PLC、2
‑
控制手柄、3
‑
速度测量传感器、4
‑
角度测量传感器、5
‑
测重传感器、6
‑
绳长测量传感器、7
‑
小车驱动器、8
‑
大车驱动器、9
‑
起升驱动器、10
‑
大车运行机构、11
‑
小车运行机构、12
‑
起升机构。
具体实施方式
[0015]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0016]本专利技术的控制原理如图1所示，当细长型负载起重机受到外部干扰d发生负载晃动时，测量量坐标变换函数F(x
m
)将测量量x
m
转换为广义坐标量q；然后，非奇异终端滑模控制器利用广义坐标量q计算滑模控制量u
β
；最后，与驱动系统匹配的驱动量变换函数G(Q)利用测量量x
m
、广义坐标量q和滑模控制量u
β
计算出防晃驱动量u
y
，并配合起升驱动量u1实现在起升过程中抑制负载晃动。其中，起升驱动量是保证负载起升到指定高度的控制量，比如驱动起吊机构的驱动量，该驱动量可以由操作员直接通过控制手柄输入或通过其他控制系统输入。
[0017]细长型负载起重机系统模型建立：所建立的模型与起重机类型无关，但为了便于描述，此处以桥式起重机起吊细长型负载为例论述模型推导过程，如图2所示。T点为起吊绳与小车的固定点坐标设为(x，y，0)，N为地面上一点，满足TN垂直于地面且长度为H，P点为负载与地面的接触点坐标设为(x
d
，y
d
，
‑
H)。起吊绳长为l1，吊钩质量为m1，吊钩与P点的距离为l2，负载的长度和质量分别为l3和m2。当负载起吊过程中，吊钩的晃动的瞬时轨迹可以看作是绕轴TP的圆轨迹，该圆轨迹的圆心为C，半径为r，该轨迹与平面PTN的交点为D，设CD和C与吊钩连线的夹角为晃动角θ。TP与PN的夹角为α，PN与X轴夹角为β。基于以上参数，选取广义坐标量q＝[α β r θ]T
，细长型负载起重机系统模型微分方程为：
[0018][0019]其中其中R是d是外部扰动，并假设d存在上界D，即|d|≤D。
[0020]在f2的表达式中p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7和p8为辅助函数，他们的表达式分别为为辅助函数，他们的表达式分别为为辅助函数，他们的表达式分别为和在p8的表达式中，M被定义为等效质量比，其表达式为ρ为负载线密度，满足
[0021]基于广义坐标量的防晃控制目标：在起吊过程中，期望在有限时间t
f
内抑制负载晃动并保持负载水平方向夹角β稳定在β
d
，控制目标可以由广义坐标量给出如下：
[0022][0023]基于广义坐标量的分层非奇异终端滑模控制模型建立：选取滑模控制量为u
β
，根据等效滑模控制策略，滑模控制模型由等效控制和切换控制两部分组成，则有：
[0024]u
β
＝u
eq1
+u
eq2
+u
sw...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种细长型负载垂直起吊过程的非奇异终端滑模防晃控制方法，其特征在于，包括以下步骤：以竖直方向为Z轴建立坐标系，并设T点为起吊绳与小车的固定点，N为地面上一点且满足TN垂直于地面，P点为细长型负载与地面的接触点；细长型负载起吊过程中，吊钩晃动的瞬时轨迹看作是绕轴TP的圆轨迹；设该圆轨迹的圆心为C，半径为r，该圆轨迹与平面PTN的交点为D，CD和C与吊钩连线的夹角为晃动角θ，TP与PN的夹角为α，PN与X轴夹角为β；起吊过程中，获取细长型负载垂直起吊过程的测量量x
m
＝[x y l
1 γ
x γ
y
]
T
；其中，x和y分别为大车和小车的位移，即T点的横纵坐标；l1为起吊绳长；γ
x
和γ
y
分别为起吊绳在X
‑
Z平面和Y
‑
Z平面的投影与Z轴的夹角；基于几何关系，根据实时测量量x
m
＝[x y l
1 γ
x γ
y
]
T
计算出广义坐标量q＝[α β r θ]
T
；基于动力学分析，利用广义坐标量建立细长型负载垂直起吊的非线性三维动力学模型；再利用等效滑模控制方法，建立基于广义坐标量的非奇异终端滑模控制模型；基于几何关系，将非奇异终端滑模控制模型输出转化为可被利用的驱动系统输入，实现细长型负载垂直起吊的晃动抑制和水平方向稳定。2.根据权利要求1所述的细长型负载垂直起吊过程的非奇异终端滑模防晃控制方法，其特征在于，利用测量坐标变换函数F(x
m
)计算广义坐标量q，测量坐标变换函数F(x
m
)如下：F(x
m
)＝[f
α
(x,y) f
β
(x,y) f
r
(x,y,l1) f
θ
(x
m
)]
T
其中：其中：其中：其中：其中：其中：
式中，H为TN高度，x
d
和y
d
分别为P点横纵坐标，l2为吊钩与P点的距离，d为外部扰动，R为3.根据权利要求1所述的细...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪小凯，夏明辉，华林，郑戈飞，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：