一种基于未知输入观测器技术的桥式吊车滑模控制方法技术

一种基于未知输入观测器技术的桥式吊车滑模控制方法，建立桥式吊车系统的动力学模型，初始化系统状态及控制参数；设计未知输入观测器；设计双层双曲趋近律；基于未知输入观测器和双层双曲趋近律，设计滑模控制器。本发明专利技术能够有效解决不同持续性非匹配扰动条件下桥式吊车的快速定位问题，有效抑制桥式吊车的负载残余摆动，保证控制输入的平稳。保证控制输入的平稳。保证控制输入的平稳。

【技术实现步骤摘要】
一种基于未知输入观测器技术的桥式吊车滑模控制方法


[0001]本专利技术属于欠驱动桥式吊车控制
，提出一种基于未知输入观测器技术的桥式吊车滑模控制方法，特别是针对含有不同类型非匹配扰动的桥式吊车滑模控制方法。

技术介绍

[0002]欠驱动系统是一类特殊的系统，它的具体含义就是系统所具有的独立控制输入量少于该系统本身机构的自由度。吊车是一类典型的欠驱动系统，广泛应用在港口、建筑工地、海上钻井平台等场所，在现代工业应用中有着不可替代的作用。
[0003]然而，吊车在实际生产应用中，会受到风力等外部扰动的影响，这些不确定因素很容易对操作人员带来严重的安全事故。近年来，许多国内外学者致力于吊车消摆定位控制的研究工作，取得了许多丰硕的成果。然而，现有的研究成果大多是针对吊车在无扰动条件下或者是在吊车存在匹配扰动(包括摩擦力等)条件下，提出的一系列控制方法。针对吊车存在非匹配扰动(包括风力，空气阻力等)时，鲜有相关的研究成果可以很好的处理这类扰动对吊车控制性能的影响。因此研究有效的方法抑制吊车系统存在的非匹配扰动是非常有意义的。
[0004]非匹配扰动在许多控制系统中都存在，并且许多学者提出了新的控制理论与方法去抑制这类扰动，主要包括基于广义扩张状态观测器的线性控制方法、分层滑模控制方法、反步法、模糊控制方法和基于非线性扰动观测器的滑模控制方法等，这些方法可以有效的抑制非匹配扰动对控制性能的影响。目前，针对欠驱动吊车存在的非匹配扰动抑制研究，还处于初级阶段，且许多现有的研究工作针对的非匹配扰动仅仅是针对特定类型下的扰动或者是非持续作用下的非匹配扰动。因此，针对吊车系统中不同类型持续作用下的非匹配扰动，寻找一种可以快速实现且具有良好的抑制效果的控制方法是非常有必要的，同时对吊车的消摆定位性能也是有着重要意义的。

技术实现思路

[0005]为了减小不同类型持续作用下的非匹配扰动对吊车抗摆定位的影响，同时使得吊车可以快速地达到稳定状态并具有良好的鲁棒性，本专利技术提出了一种基于未知输入观测器技术的桥式吊车滑模控制方法，所提方法采用未知输入观测器技术估计吊车系统中存在的匹配扰动项与非匹配扰动项，然后设计了一种双层双曲趋近律，基于估计的匹配扰动项与非匹配扰动项和双层双曲趋近律，设计滑模控制器。该设计可以有效抑制匹配扰动与不同类型持续作用下的非匹配扰动对吊车抗摆定位性能的影响，同时保证吊车系统具有快速的状态收敛能力，以及平稳的控制输出效果。
[0006]为了解决上述技术问题所提出的技术方案如下：
[0007]一种基于未知输入观测器技术的桥式吊车滑模控制方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，建立桥式吊车系统的动态模型，初始化系统的状态与控制参数，过程如下：
[0009]1.1桥式吊车的动力学表示为：
[0010][0011][0012]其中M,m分别表示台车的质量和负载的质量；表示台车运动时的加速度；l表示吊绳的长度；分别表示负载摆动的角度，角速度和角加速度；F表示控制输入；d
x
表示匹配扰动集总项，包括摩擦力，未建模动力学等；d
θ
表示非匹配扰动集总项，包括空气阻力，摩擦力等；g表示重力加速度；
[0013]1.2结合式(1)
‑
(2)得到台车运动时的加速度表达式为：
[0014][0015]1.3将式(3)代入式(2)中，经过数学变换，得到控制输入F为：
[0016][0017]其中，
[0018]1.4为了方便后续控制器的设计，定义一个辅助控制量v：
[0019][0020]将式(5)代入式(4),重新进行变换得到：
[0021][0022]1.5定义如下状态变量：
[0023][0024]其中，分别为台车运动的参考轨迹和速度；sec(
·
)表示余弦函数的倒数；
[0025]1.6结合式(7)构建下面形式的状态方程：
[0026][0027]其中，分别表示式(7)中的一阶导数；λ
i
,i＝1,2,3表示定义的辅助变量；表示状态变量的构造函数；它们的具体表达式如下：
[0028][0029]1.7为了后续方便未知输入观测器的设计，将式(8)变换为如下形式：
[0030][0031]其中，d
m
＝λ2d
x
‑
λ3d
θ
；
[0032]1.8对于吊车的实际应用场景，负载摆动的角度满足因此式(9)定义的辅助变量λ1,λ22,λ3是有界的，同理构造函数也是有界的；
[0033]步骤2，设计未知输入观测器，估计吊车系统中的匹配与非匹配扰动，过程如下：
[0034]2.1假设匹配扰动与非匹配扰动，以及它们的一阶导数都是有界的，定义如下：
[0035][0036]其中，分别表示匹配扰动与非匹配扰动的上界，分别表示匹配扰动与非匹配扰动一阶导数的上界；
[0037]2.2对变换后的吊车系统模型式(10),进行一阶低通滤波变换，设计未知输入观测器如下：
[0038][0039]其中,k＞0表示滤波系数；定义式(12)中[
·
]/(ks+1)＝(
·
)
f
；式(12)转变为：
[0040][0041]其中，表示原始状态变量经过低通滤波变换得到的的一阶导数，d
mmf
,v
f
,d
mf
表示d
mm
,v,d
m
经过低通滤波后的结果；
[0042]2.3式(13)中的各状态变量具有如下性质：
[0043][0044]由式(13)
‑
(14)得到d
mmf
,d
mf
的表达式：
[0045][0046]结合式(15)设计扰动观测器，如下：
[0047][0048]其中，表示扰动项d
mm
,d
m
的估计值；
[0049]2.4从式(16)中发现，扰动观测器只有一个滤波系数k可以进行调节，从而避免系统求导带来的噪声放大问题；
[0050]步骤3，双层双曲趋近律的设计，过程如下：
[0051]设计双层双曲趋近律，如下所示：
[0052][0053]其中，表示待设计滑模面的一阶导数；γ1＞0,γ2＞0,k1＞0,k2＞0，p表示一个正奇数；tanh(k1s)表示双曲正切函数，表达式如下：
[0054][0055]a sinh(k2s
p
)表示反双曲正弦函数，表达式如下：
[0056][0057]步骤4，基于未知输入观测器技术的滑模控制律设计，过程如下：
[0058]4.1结合式(7)，定义滑模面如下：
[0059][0060]其中，a＞0,b＞0,c＞0；
[0061]4.2结合式(10)对式(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于未知输入观测器技术的桥式吊车滑模控制方法，其特征在于:所述方法包括下面步骤：步骤1，建立桥式吊车系统的动力学模型，初始化系统的状态与控制参数，过程如下：1.1桥式吊车的动力学表示为：1.1桥式吊车的动力学表示为：其中M,m分别表示台车的质量和负载的质量；表示台车运动时的加速度；l表示吊绳的长度；θ,分别表示负载摆动的角度，角速度和角加速度；F表示控制输入；d
x
表示匹配扰动集总项，包括摩擦力，未建模动力学等；d
θ
表示非匹配扰动集总项，包括空气阻力，摩擦力等；g表示重力加速度；1.2结合式(1)
‑
(2)得到台车运动时的加速度表达式为：1.3将式(3)代入式(2)中，经过数学变换，得到控制输入F为：其中，1.4定义一个辅助控制量v：将式(5)代入式(4),重新进行变换得到：1.5定义如下状态变量：其中，x
d
,分别为台车运动的参考轨迹和速度；sec(
·
)表示余弦函数的倒数；1.6结合式(7)构建下面形式的状态方程：其中，分别表示式(7)中的一阶导数；λ
i
,i＝1,2,3表示定义的辅
助变量；表示状态变量的构造函数；它们的具体表达式如下：1.7将式(8)变换为如下形式：其中，d
m
＝λ2d
x
‑
λ3d
θ
；1.8对于吊车的实际应用场景，负载摆动的角度满足因此式(9)定义的辅助变量λ1,λ2,λ3是有界的，同理构造函数也是有界的；步骤2，设计未知输入估计器，估计吊车系统中的匹配与非匹配扰动，过程如下：2.1假设匹配扰动与非匹配扰动，以及它们的一阶导数都是有界的，定义如下：其中，分别表示匹配扰动与非匹配扰动的上界，分别表示匹配扰动与非匹配扰动一阶导数的上界；2.2对变换后的吊车系统模型式(10),进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈强，李昊然，朱铮旸，何熊熊，欧县华，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：