一种双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法技术

本发明专利技术公开了一种双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法包括：基于拉格朗日动力学方程建立双摆旋转式起重机数学模型并分析特性；根据所述特性建立旋转式起重机数学模型的能量函数，基于反步法和系统控制目标，建立李亚普诺夫函数，并基于所述能量函数和李雅普诺夫函数建立自适应控制器；基于所述李雅普诺夫函数获得自适应控制率，将所述自适应控制率加入所述自适应控制器。本发明专利技术中自适应控制率的设计对不同的旋转式起重机的系统参数具有良好的鲁棒性；自适应控制器中类PD的控制方法可实现精准定位，通过摆角信息反馈和对误差项的设计抑制外部扰动；将两者相结合实现对不同起重机系统的高效轨迹跟踪与摆动抑制从而达到控制效果。抑制从而达到控制效果。抑制从而达到控制效果。

【技术实现步骤摘要】
一种双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法


[0001]本专利技术涉及欠驱动起重机系统运动控制的
，尤其涉及双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法。

技术介绍

[0002]欠驱动系统，即系统输入少于系统自由度的系统。其中，起重机系统作为一种典型的欠驱动系统，负载和吊钩的角度为其不可直接控制力。且其拥有结构简单，功耗低，执行机构少，应用场合广泛等诸多优点。一般来说，起重机的传统摆动消除方式大多是以人为主导的操作，但这导致了很多问题，因为人的操作有别于机器操作，不能实现准确定位和消除摆动。其不精确的操作不仅会造成误差，甚至还会产生危险。

技术实现思路

[0003]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。
[0004]鉴于上述存在的问题，提出了本专利技术。
[0005]因此，本专利技术解决的技术问题是：在双摆旋转式起重机悬臂的起伏和旋转动作对负载的摆动产生影响且负载无法直接控制的情况下，如何同时实现悬臂准确定位以及快速抑制吊钩、负载的摆动。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法，包括：
[0007]基于拉格朗日动力学方程建立双摆旋转式起重机数学模型并分析特性；
[0008]根据所述特性建立旋转式起重机数学模型的能量函数，并基于所述能量函数建立自适应控制器，以解决模型参数未知问题；
[0009]基于反步法和系统控制目标，建立李亚普诺夫函数，并基于李雅普诺夫函数优化所述自适应控制器；通过自适应控制器对双摆旋转式起重机摆动抑制进行控制。
[0010]作为本专利技术所述的双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法的一种优选方案，其中：所述旋转式起重机数学模型表示为：
[0011]令
[0012][0013]G(q)＝[g1g
z
g3g4g5g6]T
[0014]N＝[OOOOn5n6]T
[0015]F
f
＝[f1f2f3f4f5f6]T
[0016][0017]q＝[ζ1ζ2ζ3ζ4ζ5ζ6]T
；
[0018]其中：M(q)为双摆旋转式起重机系统的惯性矩阵，为向心
‑
科里奥利矩阵，G(q)为重力矢量，N为控制输入矢量，F
f
为双摆旋转式起重机系统的机械摩擦力，q为双摆旋转式起重机系统状态变量，为一阶导数，为其二阶导数；m
h
与m
l
分别为吊钩和负载的质量，M0与M1分别为悬臂和压载物的质量，l1与l2分别为悬绳与吊钩到负载的质心的长度，L1与L分别为压载物的长度和悬臂的长度，I
x
、I
y
、I
z
为悬臂分别在x、y、z轴上的转动惯量，I
b
为压载物的转动惯量，g为重力加速度，对于描述旋转式起重机系统的广义状态量，ζ
i
,(i＝1,...,4)为吊钩与负载的摆角，对于驱动力/转矩，ζ5为悬臂起伏方向驱动转矩，ζ6为悬臂旋转方向驱动转矩，f5、f6分别为悬臂起伏和旋转方向的机械摩擦力，d
l
,(l＝1,...,4)为空气摩擦力参数。
[0019]作为本专利技术所述的双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法的一种优选方案，其中：所述旋转式起重机数学模型还包括，
[0020]建立摩擦力前馈补偿模型消除双摆螺旋式起重机的驱动机构产生的摩擦力，所述摩擦力前馈补偿模型表示为如下：
[0021][0022][0023]其中，f
51
、f
52
、f
61
、f
62
、ε1和ε2为摩擦力前馈补偿模型的参数，f
51
和f
61
的值与最大静摩擦力对应，f
52
和f
62
是粘性摩擦系数，ε1和ε2是静态摩擦系数。
[0024]作为本专利技术所述的双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法的一种优选方案，其中：所述分析特性包括，分析其摆动特性,负载(杆平动特性)等。
[0025]作为本专利技术所述的双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法的一种优选方案，其中：所述能量函数表示为：
[0026][0027]其中：分别表示悬臂负载，吊钩，摆动角ζ
i
,i＝1,...,4的速度信号，为双摆旋转式起重机系统动能部分，为其负载和吊钩的势能部分。
[0028]作为本专利技术所述的双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法的一种优选方案，其中：所述建立李亚普诺夫函数包括，
[0029]遵循旋转式起重机模型的动力学规则，基于反步法和系统控制目标建立李雅普诺夫方程V1：
[0030][0031]其中：e1＝[α1α2α3α4α5α6]T
，q
d
＝[ζ
1d
ζ
2d
ζ
3d
ζ
4d
ζ
5d
ζ
6d
]T
，e1＝q
‑
q
d
.e1为摆角误差、悬臂当前位置与目标位置的误差，为摆角速度误差和悬臂转动速度的误差；
[0032]对所述李雅普诺夫方程V1进行求导可得：
[0033][0034]其中：k1为正的参数，e2＝Θ
‑
Θ
d
＝[β1β2β3β4β5β6]T
，为了使李雅普诺夫方程的导数半负定，设计那么有那么有
[0035]基于反步法设计李雅普诺夫方程V2表示为：
[0036][0037]其中，为适应系统矩阵的列向量的误差值，有为适应系统矩阵的列向量的误差值，有为适应系统矩阵的列向量的误差值，有为的自适应系统向量的误差值，有
[0038]作为本专利技术所述的双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法的一种优选方案，其中：所述自适应控制器表示为：
[0039][0040]通过设计的李雅普诺夫方程V2正定，其导数半负定，获得自适应控制率，使系统形成收敛稳定的自适应控制器。
[0041]作为本专利技术所述的双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法的一种优选方案，其中：所述自适应控制率表示为：
[0042][0043]作为本专利技术所述的双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法的一种优选方案，其中：所述自适应控制器还包括，
[0044]通过调整k1、k2以此获得快速适应不同系统的增益，其中，k1和k2为控制器基础参数。
[0045]作为本专利技术所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法，其特征在于：包括，基于拉格朗日动力学方程建立双摆旋转式起重机数学模型并分析特性；根据所述特性建立旋转式起重机数学模型的能量函数，基于反步法和系统控制目标，建立李亚普诺夫函数，并基于所述能量函数和李雅普诺夫函数建立自适应控制器；基于所述李雅普诺夫函数获得自适应控制率，将所述自适应控制率加入所述自适应控制器。2.如权利要求1所述的双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法，其特征在于：所述双摆旋转式起重机数学模型表示为：令令G(q)＝[g
1 g
2 g
3 g
4 g
5 g6]
T
N＝[0 0 0 0 n
5 n6]
T
F
f
＝[f
1 f
2 f
3 f
4 f
5 f6]
T
q＝[ζ
1 ζ
2 ζ
3 ζ
4 ζ
5 ζ6]
T
；其中：M(q)为双摆旋转式起重机系统的惯性矩阵，为向心
‑
科里奥利矩阵，G(q)为重力矢量，N为控制输入矢量，F
f
为双摆旋转式起重机系统的机械摩擦力，q为双摆旋转式起重机系统状态变量，为一阶导数，为其二阶导数；m
h
与m
l
分别为吊钩和负载的质量，M0与M1分别为悬臂和压载物的质量，k1与l2分别为悬绳与吊钩到负载的质心的长度，L1与L分别为压载物的长度和悬臂的长度，I
x
、I
y
、I
z
为悬臂分别在x、y、z轴上的转动惯量，I
b
为压载物的转动惯量，g为重力加速度，对于描述旋转式起重机系统的广义状态量，ζ
i
,(i＝1,...,4)为吊钩与负载的摆角，对于驱动力/转矩，ζ5为悬臂起伏方向驱动转矩，ζ6为悬臂旋转方向驱动转矩，f5、f6分别为悬臂起伏和旋转方向的机械摩擦力，d
l
,(l＝1,...,4)为空气摩擦力参数。3.如权利要求2所述的双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法，其特征在于：所述旋转式起重机数学模型还包括，建立摩擦力前馈补偿模型，所述摩擦力前馈补偿模型表示为如下：建立摩擦力前馈补偿模型，所述摩擦力前馈补偿模型表示为如下：其中，f
51
、f
52
、f
61
、f
62
、ε1和ε2为摩擦力前馈补偿模型的参数，f
51
和f
61
的值与最大静摩擦力对应，f
52
和f
62
是粘性摩擦系数，ε1和ε2是静态摩擦系数。4.如权利要求3所述的双摆旋转式起重机的自适应反步非线性摆动抑制控制方法，其特征在于...

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