[发明专利]一种双摆桥式起重机非线性滑模面的滑模控制方法

说明书

一种双摆桥式起重机非线性滑模面的滑模控制方法，用于消除起重机系统的负载摆动的双摆效应。实现高精度的小车跟踪控制和负载摆动抑制对于起重机系统是一个很重要的问题，本发明为此提出了一种新型带有非线性滑动面的滑模控制方法，与传统的线性滑动面不同，非线性滑模面可以将闭环系统的阻尼比从最初的低值变为最终的高值，低值可以提供一个快速的响应，而高值可以消除超调，使小车更精确地跟踪给定的轨迹。李雅普诺夫技术证实了整个系统的稳定性。

技术领域

本发明属于起重机控制技术领域，为一种双摆桥式起重机非线性滑模面的滑模控制方法。

背景技术

在过去的几十年中，桥式起重机系统在许多情况下已被用于运输负载，如工厂，矿山，港口，建筑工地等。使用起重机的优点不仅大大降低了工人的劳动强度，而且提高了工作效率。然而，加速或减速运动的手推车在转移过程中和所需的位置通常会产生负载振动。因为这种振动是欠阻尼，例如一旦负载振动发生时，响应不能在短时间内迅速停止。同时，也会降低了工作效率，导致事故和人员伤害。因此，提出了一个控制器将负载精确地移动到任何所需的位置以及快速抑制负载振动是至关重要的。

到现在为止，就起重机系统已经提出了各种控制方法。包括输入整形方法，轨迹生成方法，二自由度控制方法，增益调度控制，滑模控制，自适应控制，模型预测控制方法等。

在大部分文献中，忽略了吊钩的质量，把负载看作质点。然而，当吊钩质量大于负载质量或负载质量分布不均匀，起重机系统的负载摆动就会产生双摆影响，例如吊钩沿着小车中心摆动且负载沿着吊钩的中心摆动。在这种情况下，起重机系统有两个不同的固有频率，使摆动特性变得更加复杂，大大增加了动态性能分析和控制器设计的难度。输入整形技术或其改进的技术或其他开环控制方法，如轨迹生成方法，被广泛用于很多研究来处理2-D桥式起重机系统的双摆效应。然而，这些方法的设计是在确切地知道起重机的线性动力学模型的基础上。此外，参数变化或外部干扰发生时，控制性能可能会变差。另一方面，对于起重机而言，虽然大部分闭环方法可以提供鲁棒控制或自适应控制，然而，高精度的小车跟踪控制和负载摆动抑制还是难以实现的，因为大多现有系统的阻尼比总是设置为一个常数。因此，本发明提出了一种具有可变阻尼比的控制系统。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有起重机控制方法针对双摆桥式起重机的双摆效应的控制效果不能满足使用需求，现有控制方法对阻尼比的设置无法实现高精度的跟踪控制。

本发明的技术方案为：一种双摆桥式起重机非线性滑模面的滑模控制方法，滑膜控制器与起重机系统构成闭环系统，以非线性滑模控制实现双摆桥式起重机的负载摆动抑制和高精度小车跟踪控制，首先建立起重机动力学模型，构建非线性滑模面：

S表示非线性滑模面，I是单位矩阵，x和x_d分别表示小车运动的位置，以及期望的位置。和分别表示小车的速度和期望的速度。θ₁,θ₂分别表示吊钩摆动和负荷摆动的角度，P是由下面的李雅普诺夫函数确定的正定矩阵：

(A₁₁-A₁₂Γ)^TP+(A₁₁-A₁₂Γ)P＝-W

W是任意正定矩阵，Γ则以使得矩阵A₁₁-A₁₂Γ满足赫尔维茨稳定性判据为原则进行选择，从而提供小的阻尼比使得系统响应变快；

非线性系统函数Φ根据起重机系统的输出量x,θ₁,θ₂来设计，用来调整闭环系统的阻尼比：

λ_i,i＝1,2,3是正常数，e^(·)代表指数函数；