[发明专利]桥式吊车局部饱和自适应控制器、控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明属于自动控制领域，尤其涉及一种桥式吊车局部饱和自适应控制器、控制系统及控制方法。

背景技术

欠驱动机电系统包括吊车、惯性摆系统、柔性系统、欠驱动机器人、欠驱动车辆等，具有结构简单、能耗小、造价低、重量轻、以及系统灵活性大等优势。但是，由于系统的高度非线性和控制量少等原因，给其控制带来了极大的挑战。作为一类典型的欠驱动机电系统，桥式吊车已广泛地应用于建筑工地、海港、码头、生产线等场合，完成货物的运输，其主要目标是快速精确的负载定位。一般来说，一次完整的吊车操作流程主要包括如下三个步骤：负载升吊过程、负载的水平运送过程、负载落吊过程。由于第一阶段不涉及桥式吊车运动，因此在第一阶段中不会出现明显的负载摆动。但为保证第三阶段中负载的精确放置操作，要求负载摆动在第二阶段中应尽可能的小，并且当桥式吊车停止运行后，负载无残余摆动。然而，由于惯性以及外部扰动的存在会不可避免的引起负载摆动。

考虑到以上问题，国内外研究人员针对第二阶段提出了多种控制策略。但是这些控制策略均是针对定绳长桥式吊车系统提出的。在一些特殊情况下，为提高工作效率，需要将负载的升/落吊运动与水平运动步骤同时进行。负载的升/落吊运动对负载的摆动有着非常大的影响，此时，吊绳长度从常数转变为状态变量，导致已有定绳长吊车控制方法无法应用。并且，绳长的变化极易引起负载的大幅度摆动，研究人员针对变绳长吊车系统设计了一系列高性能控制方法。

目前，大多数针对伴随负载升降运动的控制方法无法保证桥式吊车的平滑启动。由于桥式吊车系统工作环境较为复杂，桥式吊车系统通常会受到负载质量、桥式吊车质量、吊绳长度、摩擦力等系统参数不确定因素以及空气阻力等外部扰动的影响，负载质量、桥式吊车质量、吊绳长度、摩擦力等这些系统参数以及外部扰动是很难测量的。

发明内容

为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种桥式吊车局部饱和自适应控制器、控制系统及控制方法。本发明通过在控制器中引入双曲正切函数，大大减少了初始驱动力，可保证桥式吊车的平滑启动。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种桥式吊车局部饱和自适应控制器，根据对桥式吊车系统的动力学模型求取关于时间导数，得到桥式吊车系统的内部结构模型；根据桥式吊车系统的内部结构模型，引入φ_x、φ_l、w_x和w_l这四个辅助向量以及双曲正切函数，得到桥式吊车局部饱和自适应控制器；所述局部饱和自适应控制器的表达式为：

其中，F_x与F_l分别表示水平x与竖直l方向上的驱动力；k_px,k_dx,k_pl以及k_dl∈R⁺表示正的控制增益；e_x与e_l分别代表桥式吊车跟踪误差和吊绳长度误差；ξ为粘性摩擦力相关系数；g为重力加速度；

其中，与分别代表w_x与w_l的在线估计，w_x＝[d_x f_r0x k_rx]^T,w_l＝[m_p d_l]^T，f_r0x和k_rx表示静摩擦力相关的系数；m_p表示负载质量；d_l代表空气阻力系数。

其中，与的更新率为：

其中，与表示正定对角矩阵，α₁,α₂,α₃，β₁,β₂∈R⁺为正的常数。

w_x与w_l的在线估计误差分别为和和的表达式分别为：

分别对和求关于时间的导数后，

所述桥式吊车系统的内部结构模型的表达式为：