CN105293284A - 一种起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测方法及观测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测方法及观测器，属于起重机吊装偏角监测领域，它包括以下步骤：（1）在电动葫芦上设置速度传感器、加速度传感器和控制器，在滑轮组上设置角度传感器、角速度传感器和吊重传感器；（2）由控制器将速度传感器、加速度传感器、角度传感器、角速度传感器和吊重传感器所测得的数据汇总并进行矩阵计算，渐进估出系统状态变量，得出起重机吊装偏角数值；本发明具有抗干扰性强、性能可靠、效果好的优点。
Description
技术领域
本发明属于起重机吊装偏角监测领域，具体涉及一种起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测方法及观测器。
背景技术
目前，起重机的吊重物体和电动葫芦之间一般是采用钢丝绳柔性连接，如何在电动葫芦运行中控制吊重物体的摇摆一直是专家研究的热点问题，有专家设计了Luenberger观测器，利用测量的电动葫芦位置信息对电动葫芦速度、吊重摆角及角速度进行近似观测，其采用对观测器极点配置的方法研究了观测器对各变量观测速度与观测器极点在复平面中的位置之间的关系，理论研究和实际应用均表明所设计的Luenberger观测器对变化的吊重质量和起升绳长均具有一定的鲁棒性，并降低了测量成本，由于起重机多是在室外工作，受到外界阵风等因素的影响较大，导致对状态变量信息的观测结果和由系统建模得到的状态变量动态响应之间存在较大的误差，如何设计对这些外界干扰具有更强鲁棒性的状态观测器，是一个具有广泛的工程实际意义的课题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种抗干扰性强、性能可靠、效果好的起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测方法及观测器。
本发明的目的是这样实现的：一种起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测方法，它包括以下步骤：
（1）在电动葫芦上设置速度传感器、加速度传感器和控制器，在滑轮组上设置角度传感器、角速度传感器和吊重传感器；
（2）由控制器将速度传感器、加速度传感器、角度传感器、角速度传感器和吊重传感器所测得的数据汇总并进行矩阵计算，渐进估出系统状态变量，得出起重机吊装偏角数值。
作为对上述技术方案的优化，所述的步骤（2）进一步包括：
（21）起重机吊重不确定非线性动力系统为：
其中，状态变量，为电动葫芦位置(m)，为电动葫芦速度(m/s)，为吊重摆角(rad)，为吊重摆角角速度(rad/s)，为输出变量，为系统输入，为系统的动力学矩阵，为系统的输入矩阵，为系统的输出矩阵，是由于系统建模误差、噪声干扰等不确定状态产生的函数，相关的表达式如下：
以此快速、准确地估计出系统的状态变量；
（22）为保证所设计的观测器对具有鲁棒性，特设计如下的鲁棒滑模观测器：
其中，为观测器对的估计状态向量，为观测器增益矩阵，为观测器的控制输入；
（23）定义状态观测偏差为：
偏差系统微分方程为：
其中为观测器的动力学矩阵；
（24）为使偏差系统的状态变量渐进地收敛到原点，设计线性滑膜函数：。
本发明还提供一种起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测器，它包括电动葫芦，所述的电动葫芦的底部通过钢丝绳连接有滑轮组，所述的电动葫芦的顶部分别设置有护罩A和护罩B，所述的滑轮组的外侧设置有护罩C，所述的护罩A内分别设置有速度传感器和加速度传感器，所述的护罩B内设置有控制器，所述的护罩C内分别设置有角度传感器、角速度传感器和吊重传感器，所述的控制器连接有速度传感器、加速度传感器、角度传感器、角速度传感器和吊重传感器，所述的控制器还连接有电动葫芦的电动机。
本发明针对起重机吊重四阶系统设计了鲁棒滑模状态观测器，通过合理设计滑模面和滑模控制策略，使观测器对由于外界干扰引起的非线性不确定部分具有鲁棒性，从而渐进估计出系统状态变量，得出起重机吊装偏角数值，具有工程实际意义。
本发明的有益效果：本发明采用控制器对速度传感器、加速度传感器、角度传感器、角速度传感器和吊重传感器所测量的数据进行分析运算，通过搭建系统的动力学矩阵、输入矩阵、输出矩阵和线性滑模函数得出起重机电动葫芦及吊重所有的状态变量信息，降低了系统误差，增强了其鲁棒性；本发明具有抗干扰性强、性能可靠、效果好的优点。
附图说明
图1是本发明一种起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测器的结构示意图。
图中：1、电动葫芦2、钢丝绳3、滑轮组4、护罩A5、护罩B6、护罩C41、速度传感器42、加速度传感器51、控制器61、角度传感器62、角速度传感器63、吊重传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例
如图1所示，一种起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测方法，它包括以下步骤：
（1）在电动葫芦1上设置速度传感器41、加速度传感器42和控制器51，在滑轮组3上设置角度传感器61、角速度传感器62和吊重传感器63；
（2）由控制器51将速度传感器41、加速度传感器42、角度传感器61、角速度传感器62和吊重传感器63所测得的数据汇总并进行矩阵计算，渐进估出系统状态变量，得出起重机吊装偏角数值。
本发明还提供一种起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测器，它包括电动葫芦1，所述的电动葫芦1的底部通过钢丝绳2连接有滑轮组3，所述的电动葫芦1的顶部分别设置有护罩A4和护罩B5，所述的滑轮组3的外侧设置有护罩C6，所述的护罩A4内分别设置有速度传感器41和加速度传感器42，所述的护罩B5内设置有控制器51，所述的护罩C6内分别设置有角度传感器61、角速度传感器62和吊重传感器63，所述的控制器51连接有速度传感器41、加速度传感器42、角度传感器61、角速度传感器62和吊重传感器63，所述的控制器51还连接有电动葫芦1的电动机。
本发明在使用时，采用控制器51对速度传感器41、加速度传感器42、角度传感器61、角速度传感器62和吊重传感器63所测量的数据进行分析运算，通过搭建系统的动力学矩阵、输入矩阵、输出矩阵和线性滑模函数得出起重机电动葫芦1及吊重所有的状态变量信息，降低了系统误差，增强了其鲁棒性；本发明具有抗干扰性强、性能可靠、效果好的优点。
实施例2
如图1所示，一种起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测方法，它包括以下步骤：
（1）在电动葫芦1上设置速度传感器41、加速度传感器42和控制器51，在滑轮组3上设置角度传感器61、角速度传感器62和吊重传感器63；
（2）由控制器51将速度传感器41、加速度传感器42、角度传感器61、角速度传感器62和吊重传感器63所测得的数据汇总并进行矩阵计算，渐进估出系统状态变量，得出起重机吊装偏角数值。
作为对上述技术方案的优化，所述的步骤（2）进一步包括：
（21）起重机吊重不确定非线性动力系统为：
其中，状态变量，为电动葫芦位置(m)，为电动葫芦速度(m/s)，为吊重摆角(rad)，为吊重摆角角速度(rad/s)，为输出变量，为系统输入，为系统的动力学矩阵，为系统的输入矩阵，为系统的输出矩阵，是由于系统建模误差、噪声干扰等不确定状态产生的函数，相关的表达式如下：
以此快速、准确地估计出系统的状态变量；
（22）为保证所设计的观测器对具有鲁棒性，特设计如下的鲁棒滑模观测器：
其中，为观测器对的估计状态向量，为观测器增益矩阵，为观测器的控制输入；
（23）定义状态观测偏差为：
偏差系统微分方程为：
其中为观测器的动力学矩阵；
（24）为使偏差系统的状态变量渐进地收敛到原点，设计线性滑膜函数：。
本发明还提供一种起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测器，它包括电动葫芦1，所述的电动葫芦1的底部通过钢丝绳2连接有滑轮组3，所述的电动葫芦1的顶部分别设置有护罩A4和护罩B5，所述的滑轮组3的外侧设置有护罩C6，所述的护罩A4内分别设置有速度传感器41和加速度传感器42，所述的护罩B5内设置有控制器51，所述的护罩C6内分别设置有角度传感器61、角速度传感器62和吊重传感器63，所述的控制器51连接有速度传感器41、加速度传感器42、角度传感器61、角速度传感器62和吊重传感器63，所述的控制器51还连接有电动葫芦1的电动机。
本发明在使用时，采用控制器51对速度传感器41、加速度传感器42、角度传感器61、角速度传感器62和吊重传感器63所测量的数据进行分析运算，通过搭建系统的动力学矩阵、输入矩阵、输出矩阵和线性滑模函数得出起重机电动葫芦1及吊重所有的状态变量信息，降低了系统误差，增强了其鲁棒性；本发明针对起重机吊重四阶系统设计了鲁棒滑模状态观测器，通过合理设计滑模面和滑模控制策略，使观测器对由于外界干扰引起的非线性不确定部分具有鲁棒性，从而渐进估计出系统状态变量，得出起重机吊装偏角数值，具有工程实际意义；本发明具有抗干扰性强、性能可靠、效果好的优点。
Claims (3)
1.一种起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测方法，其特征在于，它包括以下步骤：
（1）在电动葫芦上设置速度传感器、加速度传感器和控制器，在滑轮组上设置角度传感器、角速度传感器和吊重传感器；
（2）由控制器将速度传感器、加速度传感器、角度传感器、角速度传感器和吊重传感器所测得的数据汇总并进行矩阵计算，渐进估出系统状态变量，得出起重机吊装偏角数值。
2.如权利要求1所述的起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测方法，其特征在于：所述的步骤（2）进一步包括：
（21）起重机吊重不确定非线性动力系统为：
其中，状态变量，为小车位置(m)，为小车速度(m/s)，为吊重摆角(rad)，为吊重摆角角速度(rad/s)，为输出变量，为系统输入，为系统的动力学矩阵，为系统的输入矩阵，为系统的输出矩阵，是由于系统建模误差、噪声干扰等不确定状态产生的函数，相关的表达式如下：
以此快速、准确地估计出系统的状态变量；
（22）为保证所设计的观测器对具有鲁棒性，特设计如下的鲁棒滑模观测器：
其中，为观测器对的估计状态向量，为观测器增益矩阵，为观测器的控制输入；
（23）定义状态观测偏差为：
偏差系统微分方程为：
其中为观测器的动力学矩阵；
（24）为使偏差系统的状态变量渐进地收敛到原点，设计线性滑膜函数：。
3.一种如权利要求1所述的一种起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测器，它包括电动葫芦，其特征在于：所述的电动葫芦的底部通过钢丝绳连接有滑轮组，所述的电动葫芦的顶部分别设置有护罩A和护罩B，所述的滑轮组的外侧设置有护罩C，所述的护罩A内分别设置有速度传感器和加速度传感器，所述的护罩B内设置有控制器，所述的护罩C内分别设置有角度传感器、角速度传感器和吊重传感器，所述的控制器连接有速度传感器、加速度传感器、角度传感器、角速度传感器和吊重传感器，所述的控制器还连接有电动葫芦的电动机。
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