一种三机协调吊装控制系统的设计方法、设备及其存储介质技术方案

本发明专利技术提供了一种三机协调吊装控制系统的设计方法，包括S1：根据具有空间约束的达朗贝尔原理，构建基于奇异系统的三机吊装重物的动力学模型；S2：设计基于奇异系统的观测器及参数，用于三机协调吊装控制系统的状态监测；S3：通过前馈神经网络估计动力学模型中未知的耦合力，并设计基于前馈神经网络的学习算法，使得前馈神经网络的输出能够准确的逼近未知的耦合力；S4：设计基于奇异观测器的状态反馈控制器，根据观测器输出进行系统控制使系统保持稳定；本发明专利技术提供的三机协调吊装控制系统设计方法能够使三机协调吊装更加稳定，避免吊装过程发生吊装件轨迹偏离、倾斜等情况，使三机协调吊装过程更加安全可靠，适宜进一步推广应用。用。用。

【技术实现步骤摘要】
一种三机协调吊装控制系统的设计方法、设备及其存储介质


[0001]本专利技术涉及建筑吊装
，尤其涉及一种三机协调吊装控制系统的设计方法。

技术介绍

[0002]随着装配式建筑施工工艺的快速发展，预制件的吊装安全直接影响到装配式建筑施工工程的成败。针对大型预制件的装配任务，单体已经无法满足，通常需要多机配合才能实现大型预制件的吊装。在多机吊装过程中，需要各机间的协调控制才能实现预制件的稳定吊装，若各机间协调不当则会出现吊装物发生倾斜、轨迹偏离等情况。
[0003]为此，本专利技术针对三机配合吊装，提出一种三机协调吊装控制系统的设计方法。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种三机协调吊装控制系统的设计方法设备及其存储介质，能够使三机协调吊装过程更加安全可靠。
[0005]为解决上述问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种三机协调吊装控制系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0007]S1：根据具有空间约束的达朗贝尔原理，构建基于奇异系统的三机吊装重物的动力学模型；
[0008]S2：设计基于奇异系统的观测器及参数，用于三机协调吊装控制系统的状态监测；
[0009]S3：通过前馈神经网络估计动力学模型中未知的耦合力，并设计基于前馈神经网络的学习算法，使得前馈神经网络的输出能够准确的逼近未知的耦合力；
[0010]S4：设计基于奇异观测器的状态反馈控制器，根据观测器输出进行系统控制使系统保持稳定。r/>[0011]进一步的，S1包括：
[0012]根据具有空间约束的达朗贝尔原理，求出吊装重物的动力学方程，并将其形式化为奇异系统的状态空间表达式。
[0013]进一步的，S1具体包括如下步骤：
[0014]根据达朗贝尔原理，得到以下三机吊装重物的动力学方程：
[0015][0016]其中，M是吊装重物在空间三轴坐标相应分解的质量，I是单位矩阵，是v的导数，x，y，z表示重物在空间三轴坐标所对应的位置；k是吊装物的速度与角
位移之间的变换矩阵，是θ的导数，a，b，c表示吊装物在空间三轴坐标所对应的角速度；角速度；表示在z轴方向的位移，m是吊装重物的总质量；
[0017]符号w1，w2，w3表示三机所拉重物对应钢丝绳的张紧力作用在重物上的作用力，表达如下：
[0018][0019]其中，l
i
表示第i个吊机所拉绳索的长度；O是全局参考坐标系的中心点，A
i
表示吊机顶点悬挂钢绳起点的位置，B
i
表示重物悬挂钢绳终点的位置，表示重物悬挂钢绳终点的位置，是他们之间的空间距离，T
i
，i＝1，2，3，分别作为三个吊机对应三根钢丝绳的张紧力；
[0020]考虑到吊机起吊过程中吊装重物在空间三轴坐标的位置x，y，z是可以被检测，而吊装重物在空间三轴坐标的角速度a，b，c难以被获取，因此
[0021]将上述三机吊装重物的动力学方程改写为：
[0022][0023]进一步定义：
[0024][0025]Y＝ω，C＝[0 I]，I是单位矩阵；
ꢀꢀ
(4)
[0026]将改写后的三机吊装重物的动力学方程形式化为奇异系统的状态空间表达式：
[0027][0028]其中，E是奇异矩阵，X是状态变量，A，B，C是系统矩阵，U是控制输入，a是仿射项，Y是系统输出；
[0029]进一步得到如下三机吊装重物的动力学方程：
[0030][0031]其中，N为多机的协作中存在的未知的耦合力。
[0032]进一步的，S2具体包括如下步骤：
[0033]引入以下基于奇异系统的观测器：
[0034][0035]其中，L是待求的观测器矩阵，是X的估计，是Y的估计，是N的估计；
[0036]定义将动力学方程和奇异系统的观测器相减并组合后得到：
[0037][0038]进一步构造滑膜面为：
[0039][0040]其中，F是一个选定的矩阵，满足FC＝GE。
[0041]根据公式(9)的滑膜面，求导后得到：
[0042][0043]选取L＝
‑
A(TC)
‑1T，得到：
[0044][0045]其中，T是给定的矩阵，使得TC可以求逆。
[0046]此步骤完成了观测器矩阵L的设计，L＝
‑
A(TC)
‑1T。
[0047]进一步的，S3具体包括如下步骤：
[0048]引入前馈神经网络去估计未知的耦合力N，定义是N的估计，得到前馈神经网络的输入输出特性关系：
[0049][0050]其中，f是前馈神经网络的函数表达，是学习的权重值，X是神经网络的输入；这里的输入是指三维空间坐标v。
[0051]对前馈神经网络的输入输出特性关系进行求偏导，得到：
[0052][0053]进一步定义并对其求导，且结合求导后前馈神经网络的输入输出特性关系，得到：
[0054][0055]其中，表示∈的值可以对滑膜面s求导获得；
[0056]其中，学习算法的表达式如下：
[0057][0058]其中，K是待求的学习算法参数；
[0059]基于学习算法进一步得到：
[0060][0061]为了求解学习算法参数，建立李雅普诺夫函数如下：
[0062]y(t)＝∈
T
P
∈
，
ꢀꢀ
(17)
[0063]其中P是正定对称的矩阵；
[0064]计算李亚普诺夫函数的导数并代入公式(16)，得到：
[0065][0066]进一步给出如下的性能指标函数：
[0067][0068]将性能指标函数J(t)代入公式(19)后，得到以下的线性矩阵不等式：
[0069][0070]其中，Sym为矩阵和他的装置和，γ为性能参数。
[0071]该不等式成立，得到表示系统稳定，即学习算法使得前馈神经网络输出的可以准确的逼近耦合力N；基于不等式成立的情况下，通过求解以上的矩阵不等式获得学习算法参数K。
[0072]进一步的，S4具体包括如下步骤：
[0073]引入基于奇异观测器的状态反馈控制器，如下：
[0074][0075]其中，H是代求解的控制器增益。
[0076]接着，将状态反馈控制器代入公式(8)后得到：
[0077][0078]进一步，将其写成增广的形式，得到：
[0079][0080]其中，
[0081]为使得以上增广的吊装系统稳定，建立李雅普诺夫函数如下：
[0082][0083]其中，
[0084]进一步计算李亚普诺夫函数的导数，并代入公式(23)，得到：
[0085][0086]引入以下的性能指标，得到：
[0087][0088]将公式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三机协调吊装控制系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：根据具有空间约束的达朗贝尔原理，构建基于奇异系统的三机吊装重物的动力学模型；S2：设计基于奇异系统的观测器及参数，用于三机协调吊装控制系统的状态监测；S3：通过前馈神经网络估计动力学模型中未知的耦合力，并设计基于前馈神经网络的学习算法，使得前馈神经网络的输出能够准确的逼近未知的耦合力；S4：设计基于奇异观测器的状态反馈控制器，根据观测器输出进行系统控制使系统保持稳定。2.根据权利要求1所述的一种三机协调吊装控制系统的设计方法，其特征在于，S1包括：根据具有空间约束的达朗贝尔原理，求出吊装重物的动力学方程，并将其形式化为奇异系统的状态空间表达式。3.根据权利要求2所述的一种三机协调吊装控制系统的设计方法，其特征在于，S1具体包括如下步骤：根据达朗贝尔原理，得到以下三机吊装重物的动力学方程：其中，M是吊装重物在空间三轴坐标相应分解的质量，I是单位矩阵，是v的导数，x,y,z表示重物在空间三轴坐标所对应的位置；k是吊装物的速度与角位移之间的变换矩阵，是θ的导数，a,b,c表示吊装物在空间三轴坐标所对应的角速度；角速度；表示在z轴方向的位移，m是吊装重物的总质量；符号w1，w2，w3表示三机所拉重物对应钢丝绳的张紧力作用在重物上的作用力，表达如下：其中，l
i
表示第i个吊机所拉绳索的长度；O是全局参考坐标系的中心点，A
i
表示吊机顶点悬挂钢绳起点的位置，B
i
表示重物悬挂钢绳终点的位置，表示重物悬挂钢绳终点的位置，是他们之间的空间距离，T
i
,i＝1,2,3，分别作为三个吊机对应三根钢丝绳的张紧力；将上述三机吊装重物的动力学方程改写为：
进一步定义：B＝
‑
[w
1 w
2 w3],Y＝ω,C＝[0 I],I是单位矩阵；
ꢀꢀꢀ
(4)将改写后的三机吊装重物的动力学方程形式化为奇异系统的状态空间表达式：其中，E是奇异矩阵，X是状态变量，A,B,C是系统矩阵，U是控制输入，a是仿射项，Y是系统输出；进一步得到如下三机吊装重物的动力学方程：其中，N为多机的协作中存在的未知的耦合力。4.根据权利要求2所述的一种三机协调吊装控制系统的设计方法，其特征在于，S2具体包括如下步骤：引入以下基于奇异系统的观测器：其中，L是待求的观测器矩阵，是X的估计，是Y的估计，是N的估计；定义将动力学方程和奇异系统的观测器相...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，黄步玉，叶兴盛，
申请(专利权)人：闽晟集团城建发展有限公司，
类型：发明
国别省市：