[发明专利]考虑桥式起重机双摆效应的增强阻尼型非线性控制方法

说明书

本发明公开了一种考虑桥式起重机双摆效应的增强阻尼型非线性控制方法，在桥式起重机的电机尾部加装增量式编码器，由增量式编码器测出台车的位移的大小，然后由所述桥式起重机的非线性控制方法计算出所需控制的台车位移以及吊钩和负载摆动的信号大小，进而通过桥式起重机的电机控制台车移动到目标位置，从而间接控制吊钩和负载摆动。本发明考虑了桥式起重机不可忽视的双摆效应，增强了所设计控制方法的实用性，从而使得设计的控制方法适用性更加广泛。

技术领域

本发明属于欠驱动起重机系统的控制技术，具体是一种考虑桥式起重机双摆效应的增强阻尼型非线性控制方法。

背景技术

欠驱动机械系统是一种控制输入个数少于被控自由度个数的系统，近年来在许多工业现场得到了广泛的应用。桥式起重机作为一种常见的欠驱动机械系统，以其效率高、承载能力大、能耗低等优点被广泛应用于钢铁化工、铁路交通、港口码头等工业场所，主要进行的工作是物料运输。但因其典型的欠驱动特性，使得负载的控制不能由控制输入直接控制，这便加大了对于桥式起重机控制方法研究的困难。

总之，对于桥式起重机控制的难点在于如何利用作用在台车上的力来有效地使小车到达目标位置，并抑制负载的摆动。近几十年来，许多学者对此进行了深入的研究。一些学者利用输入整形技术改变指令输入信号，从而抑制和消除负载的摆动。然而，作为一种开环控制方法，其控制性能极易受到外界干扰和系统参数不确定性的影响。闭环控制则是通过对系统状态的测量和估计来抑制和消除负载的摆动。与开环控制相比，其反馈控制对系统的不确定参数和外部干扰具有良好的鲁棒性。基于闭环控制方法，一些学者将基于无源性的控制方法、自适应控制方法、滑模控制方法以及一些智能控制方法等应用于桥式起重机的控制中。

然而，上述的大多数控制方法都理想地将负载作为一个质点，而忽略了吊钩的质量。但在实际工作环境中，不能简单的把吊钩以及负载简单地看成一个质点。考虑到上述情况，桥式起重机将表现出明显的双摆特性，使原有控制器的稳定性下降甚至失效。

因此，需要一种能够改进上述缺陷考虑双摆特性的桥式起重机的控制方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种考虑桥式起重机双摆效应的增强阻尼型非线性控制方法，用以结合桥式起重机实际工作环境中存在的双摆效应和欠驱动系统的特性，将吊钩以及负载的摆幅信号引入到控制器中来达到更好的控制效果，从而构建一种对具有双摆效应起重机负载摆动抑制具有优越性能的控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种考虑桥式起重机双摆效应的增强阻尼型非线性控制方法，包括通过引入吊钩以及负载的摆幅信号，基于起重机负载摆幅的能量函数引入了起重机的台车运动的改进阻尼抗摆信号，构建了桥式起重机的非线性控制方法；在桥式起重机的电机尾部加装增量式编码器，由增量式编码器测出台车的位移的大小，然后由所述桥式起重机的非线性控制方法计算出所需控制的台车位移以及吊钩和负载摆动的信号大小，进而通过桥式起重机的电机控制台车移动到目标位置，从而间接控制吊钩和负载摆动。

作为本发明的的一种考虑桥式起重机双摆效应的增强阻尼型非线性控制方法的改进：

所述桥式起重机的非线性控制方法的建立过程如下；

步骤1、确立动力学模型：

其中，台车的位移表示为x，吊钩以及负载的摆动角度分别由θ₁，θ₂表示，分别为台车的速度以及加速度，吊钩摆动的速度以及加速度分别由表示，负载摆动的速度与加速度分别由表示，l₁为台车与吊钩之间的绳长，l₂为吊钩与负载之间的距离，台车的驱动力由F表示，重力加速度为g，m₁、m₂、m₃、m₄分别为如下表达式：