[发明专利]考虑状态约束的双摆型回转起重机轨迹规划控制方法及系统

说明书

本公开提供了一种考虑状态约束的双摆型回转起重机轨迹规划控制方法及系统，包括建立起重机动力学模型并进行分析，确定驱动电机的状态量约束条件；基于所述状态量约束条件，利用具有预设持续时间的梯形函数确定定位角加速度轨迹；根据吊臂俯仰运动角、吊钩摆动和负载摆动之间的非线性耦合关系，确定消摆角加速度轨迹；结合定位角加速度轨迹和消摆角加速度轨迹确定吊臂变幅运动角加速度轨迹，实现对所述起重机的精确定位与防摆控制，本公开所述方案对系统状态约束和定位防摆控制表现出了更加优异的暂态性能。

技术领域

本公开属于机电系统控制领域，尤其涉及一种考虑状态约束的双摆型回转起重机轨迹规划控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

回转起重机是一种被广泛应用于建筑工地、港口码头、物流仓储等领域，用来吊运货物的工程机械。由于本身机械结构的特性，回转起重机属于典型的以少控多的“欠驱动”机电系统。在吊运过程中由于惯性作用会出现负载摇摆震荡现象，这不仅严重影响了吊运作业效率和定位精度，损坏吊运货物，甚至可能造成生产安全事故。因此，设计具有精确定位和防摇摆功能的高性能控制方法对回转起重机系统具有极其重大的意义。

近年来，国内外学者针对回转起重机系统提出了多种控制方法。根据是否包含系统运动状态反馈信号，可将上述方法分为开环控制和闭环控制。开环控制方法包括：输入整形、指令平滑等方法。闭环控制方法包括：滑模控制、模糊控制、最优控制、自适应控制等方法。与开环控制方法相比，闭环控制方法主要提高了回转起重机应对摩擦、风载等外部干扰的鲁棒性。

发明人发现，尽管回转起重机控制方法已经取得了长足的进步与发展，但是具有定位与防摆功能的高性能非线性控制方法仍然有一些问题亟待解决。现有技术为了简化欠驱动回转起重机系统的动力学模型，将吊钩和负载等效为同一质点或直接忽略吊钩质量。但是当负载几何尺寸较大或吊钩质量不可忽视时，吊钩绕吊臂顶端摇摆、负载绕吊钩摇摆，即出现二级摆动特性。现有的单摆型防摆控制方法无法直接应用于双摆型回转起重机系统。不仅如此，由于物理条件约束，回转起重机存在执行器饱和问题。即吊臂变幅运动驱动电机的角加速度、角速度等应满足状态量的约束条件，现有技术未考虑吊臂变幅运动驱动电机的状态约束问题。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提供了一种考虑状态约束的双摆型回转起重机轨迹规划控制方法及系统，所述方案充分考虑了双摆型回转起重机状态量的强耦合非线性特性和执行器的饱和问题，设计了一种考虑状态约束的轨迹规划控制方法，有效解决了双摆型回转起重机的精确定位与防摆控制。

根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种考虑状态约束的双摆型回转起重机轨迹规划控制方法，包括：

建立起重机动力学模型并进行分析，确定驱动电机的状态量约束条件；

基于所述状态量约束条件，利用具有预设持续时间的梯形函数确定定位角加速度轨迹；

根据吊臂俯仰运动角、吊钩摆动和负载摆动之间的非线性耦合关系，确定消摆角加速度轨迹；

将定位角加速度轨迹和消摆角加速度轨迹相结合确定吊臂变幅运动角加速度轨迹，实现对双摆型回转起重机的精确定位与防摆控制。

进一步的，所述状态约束条件指吊臂变幅运动驱动电机的运行状态满足物理约束条件，角加速度在最小加速度到最大角速度范围之内，角速度在最小角速度到最大角速度范围之内，具体表达形式为：其中，分别表示吊臂变幅运动最小角加速度、最大角加速度、最小角速度和最大角速度。

进一步的，所述状态约束通过调整角加或减速变化时间t_j、保持时间t_a和匀速时间t_c来保证约束条件，角加或减速变化时间t_j、保持时间t_a和匀速时间t_c具体表达形式为：