【技术实现步骤摘要】
本公开涉及吊车控制，具体涉及基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法及系统。
技术介绍
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
2、吊车具有作业效率高、工作空间广、拆装便捷等优势，广泛应用于现代工业、基础建设等领域。目前，绝大部分吊车仍旧依赖于人工操作，不仅需要有经验的操作人员，还无法保证定位精度与工作效率。更为重要的是，人工操作具有明显的安全隐患，一个轻微的失误就可能导致严重的安全事故与不可挽回的经济损失。因此，为实现精准定位与摆动消除，为塔式吊车系统设计安全有效的自动防摇控制方法具有重要的实际价值。
3、塔式吊车的主要结构可以分为旋转机构、平移机构和起升机构三部分。起升机构通过钢丝绳实现负载的起吊，同时通过旋臂的旋转与台车的平移完成负载的定位运输。塔式吊车的基本控制目标为使旋臂与台车快速准确的到达目标位置，从而保证塔吊的工作效率和负载的精准定位；同时，为避免安全事故，还要求运送过程尽量平稳，即负载摆动足够小。然而，由于旋臂的回转运动会产生复杂的离心力和方向时变的惯性力，再加上台车的平移运动，很容易激发负载摆动。此外，塔式吊车固有的复杂非线性耦合特性和与欠驱动特性(控制输入数目小于系统自由度数目)为其控制研究造成挑战。
4、近年来，塔式吊车的防摇控制受到了学者的关注，提出了包括轨迹规划、输入整形等开环控制方法，与包括滑模控制、自适应控制、最优控制、模型预测控制、智能控制等闭环控制方法。例如，为避免摩擦影响，omar等人为塔式吊车系统添加了摩擦补偿项，提出了一
5、尽管上述控制方法在一定程度上可以实现旋臂/台车定位及负载消摆等基本控制目标，但还存在一些实际问题：
6、1)首先，在实际作业任务中，控制目标是将负载运输到指定位置，但由于塔式吊车系统固有的欠驱动特性，现存大多数方法都仅仅直接将控制目标指向旋臂和台车，缺乏它们之间的耦合关系分析，无法直接控制负载的运动特性。
7、2)此外，现存的很多非线性控制方法都存在结构复杂，参数调节困难等问题，为实际应用造成诸多不变。
技术实现思路
1、本公开为了解决上述问题，提出了基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法及系统，通过平坦输出构建，分析吊车状态变量与负载位置之间的耦合关系，实现在平坦输出空间中对不可驱动的负载位置的直接控制，从而实现平滑准确的负载运动；同时，控制结构简单，参数易调，便于应用，从而提高塔式吊车的作业安全和工作效率。
2、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
3、基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法，包括：
4、基于塔式吊车系统动力学方程，设计系统的微分平坦输出信号以及控制目标，构建平坦输出空间，获取塔式吊车系统的所有状态变量；
5、在平坦输出空间中将负载位置与台车位移的导数作为新的等效控制输入，为负载位置设计理想的线性控制器；
6、获取塔式吊车系统状态变量与负载位置的非线性关系，根据非线性关系得到系统最终的非线性控制器，实现塔式吊车系统准确定位与有效消摆的控制目标。
7、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
8、基于平坦输出的吊车系统非线性控制系统，包括：
9、初始化模块，用于基于塔式吊车系统动力学方程，设计系统的微分平坦输出信号以及控制目标，构建平坦输出空间，获取塔式吊车系统的所有状态变量；
10、非线性控制模块，用于在平坦输出空间中将负载位置与台车位移的导数作为新的等效控制输入，为负载位置设计理想的线性控制器；
11、获取塔式吊车系统状态变量与负载位置的非线性关系，根据非线性关系得到系统最终的非线性控制器，实现塔式吊车系统准确定位与有效消摆的控制目标。
12、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
13、一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现所述的基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法。
14、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
15、一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现所述的基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法。
16、与现有技术相比，本公开的有益效果为：
17、本公开的基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法，基于塔式吊车系统动力学分析，设计系统的平坦输出信号，构建平坦输出空间；在此基础上，在平坦输出空间中将负载位置与台车位移的导数作为新的等效控制输入，为负载位置设计理想的线性控制器；本公开通过平坦输出构建，分析吊车状态变量与负载位置之间的耦合关系，实现在平坦输出空间中对不可驱动的负载位置的直接控制，从而实现平滑准确的负载运动；本公开控制结构简单，参数易调，易于应用，可以实现对于负载位置的等效直接控制，可以提高塔式吊车工作效率与消摆性能，适用于自动控制/半自动控制情况下的塔式吊车防摇控制，具有应用方便、使用范围广等特点。
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1.基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法，其特征在于，构建四自由度欠驱动塔式吊车系统模型，然后构建所述塔式吊车系统动力学方程，以实现旋臂和台车定位，并同时有效抑制负载摆动为目标，使系统各状态量收敛于目标值来构建塔式吊车系统控制的目标函数表达式。
3.如权利要求1所述的基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法，其特征在于，基于塔式吊车系统动力学方程，设计系统的微分平坦输出信号，建立坐标系，将负载在坐标系X和Y坐标轴方向上的位置坐标由辅助信号进行表示，并求解辅助信号的二阶导数，由辅助信号和其导数来表示塔式吊车系统的所有状态变量。
4.如权利要求3所述的基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法，其特征在于，将为辅助信号在线性平坦输出空间内设计虚拟控制器，以保证辅助信号收敛到目标位置，然后，由辅助信号与系统控制输入的非线性关系得到系统最终的非线性控制器，首先，获取系统控制输入表达式，系统控制输入也由辅助信号及其导数表示完成。
5.如权利要求1所述的基于平坦输出的吊车系统
6.如权利要求5所述的基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法，其特征在于，为平坦输出空间选择新的控制输入，并定义误差变量，并将误差系统化。
7.如权利要求6所述的基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法，其特征在于，进行非线性控制器转化，平坦输出空间的控制输入分别代表虚拟信号量，所以分别对其关于时间进行相应次数积分，得到虚拟信号量，利用虚拟信号量得到系统实际控制输入，系统状态变量与控制输入也将以指数形式收敛至零，实现塔式吊车系统准确定位与有效消摆的控制目标。
8.基于平坦输出的吊车系统非线性控制系统，其特征在于，包括：
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如权利要求1-7任一项所述的基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如权利要求1-7任一项所述的基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法。
...【技术特征摘要】
1.基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法，其特征在于，构建四自由度欠驱动塔式吊车系统模型，然后构建所述塔式吊车系统动力学方程，以实现旋臂和台车定位，并同时有效抑制负载摆动为目标，使系统各状态量收敛于目标值来构建塔式吊车系统控制的目标函数表达式。
3.如权利要求1所述的基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法，其特征在于，基于塔式吊车系统动力学方程，设计系统的微分平坦输出信号，建立坐标系，将负载在坐标系x和y坐标轴方向上的位置坐标由辅助信号进行表示，并求解辅助信号的二阶导数，由辅助信号和其导数来表示塔式吊车系统的所有状态变量。
4.如权利要求3所述的基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法，其特征在于，将为辅助信号在线性平坦输出空间内设计虚拟控制器，以保证辅助信号收敛到目标位置，然后，由辅助信号与系统控制输入的非线性关系得到系统最终的非线性控制器，首先，获取系统控制输入表达式，系统控制输入也由辅助信号及其导数表示完成。
5.如权利要求1所述的基于平坦输出的吊车系统非线性控制方法，其特征在于，塔式吊车系统为微分平坦系统，构建平坦输出函数，状态空间和平坦输出空间存在映射关系，则对平坦输出空间进行...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙宁，刘卓清，庞瑞平，马溢坚，周子骏，吴冠军，程亚龙，武毅男，杨桐，吴庆祥，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：
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