[发明专利]基于负载广义运动的桥式吊车非线性耦合控制方法

摘要

基于负载广义运动的桥式吊车非线性耦合控制方法。针对欠驱动吊车系统，提出了一种基于负载广义运动的非线性耦合控制方法，该方法具有良好的台车定位与负载摆动消除性能。相比较已有的吊车控制方法，该方法既适用于镇定控制又适用于轨迹跟踪控制。该方法包括：设计了一个类似于负载水平位移的信号，并在此基础之上构造了一种新的误差信号，增强了台车与负载之间的耦合关系；提出了一种新颖的非线性耦合控制方法，将吊车系统转化为一个由负载摆动子系统与误差信号子系统组成的互联系统。借助输入—状态稳定性理论与拉塞尔不变性原理证明了闭环系统的控制性能。实验结果表明，本发明所提出的控制方法能取得良好的控制效果，具有很好的实际应用价值。

主权项

1.一种基于负载广义运动的桥式吊车非线性耦合控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤1、参考轨迹选取首先，确定一条台车参考轨迹x_d(t)，以便引导台车到达目标位置p_d，其中，t表示时间；满足如下条件的轨迹均能够用作参考轨迹x_d(t)：a)x_d(t)有界，即x_d(t)∈L_∞，且在有限的时间t_f内，x_d(t)趋于台车目标的位置p_d，其中，起始时间为0时刻，起始位置为0；b)x_d(t)的一阶导数与二阶导数均有界，即且经过t_f后，x·d(t)=0,]]>x··d(t)=0;]]>步骤2、误差信号构造定义如下误差信号ξ(t)及其前二阶导数信号ξ(t)=ηd(t)-η(t)+kΘ∫0tθ(τ)dτ=xd(t)-η(t)+kΘ∫0tθ(τ)dτ---(10)]]>ξ.(t)=η.d(t)-η.(t)+kΘθ(t)=x.d(t)-η.(t)+kΘθ(t)---(11)]]>ξ..(t)=η..d(t)-η..(t)+kΘθ.(t)=x..d(t)-η..(t)+kΘθ.(t)---(12)]]>其中，η(t)＝x(t)+λsinθ(t)为负载的广义水平位移信号，x(t)为台车位置，θ(t)为负载摆角，分别表示η(t)关于时间的一阶、二阶导数；η_d(t)＝x_d(t)+λsin(0)＝x_d(t)表示负载广义期望轨迹，分别为η_d(t)关于时间的一阶、二阶导数，0<λ<l为广义绳长，在0～l之间调节，l为吊绳长度；k_Θ为正的控制增益；为θ(t)关于时间的一阶导数，即角速度，为θ(t)关于时间的积分；步骤3、控制律的确定确定一种既能用于跟踪、又能用于镇定的非线性状态反馈控制律F_a(t)如下：Fa(t)=m(λ,θ)[2kξξ.(t)+2kξ2(t)+kθθ.(t)+(x..d(t)+kΘθ.(t))]+f(λ,θ,θ.)+fr(t)---(15)]]>其中，k_ξ，k_θ为正的控制增益，根据系统响应进行调节，其中k_Θ，k_θ满足k_Θ/k_θ>1；f_γ(t)为轨道摩擦力前馈补偿项；fr(t)=fr0tanh(x.(t)/γ)-kr|(x.(t))|x.(t),]]>f_γ0，k_γ，γ为摩擦参数，通过离线实验事先标定获得，tanh(·)表示双曲正切函数；表示台车速度，辅助函数m(λ，θ)与分别表示：m(λ,θ)=M+msin2θ(t)l-λcos2θ(t)l,]]>(9)f(λ,θ,θ.)=[(M+m)λ-ml]sinθ(t)gcosθ(t)+lθ.2(t)l-λcos2θ(t)]]>式中，M，m分别表示台车与负载质量，g为重力加速度；步骤4、控制方法的实现通过借助传感器在线获取的台车位置x(t)、速度负载摆角θ(t)、及角速度结合选取参考轨迹x_d(t)，根据式(15)实时计算得到相应的控制信号，控制吊车系统的驱动器与电机输出控制力，实现控制目标。