CN108545610B - 一种基于自抗扰技术的欠驱动桥式吊车双摆防摆控制方法 - Google Patents
一种基于自抗扰技术的欠驱动桥式吊车双摆防摆控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于自抗扰技术的欠驱动桥式吊车双摆防摆控制方法，属于桥式吊车防摆控制技术领域。该基于自抗扰技术的欠驱动桥式吊车双摆防摆控制方法包括如下步骤：S1：建立动力学模型；S2：建立微分跟踪器并根据微分跟踪器得到小车位移微分；S3：设计扩张观测器；S4：得到控制律。本发明中协调摆角和位移之间的矛盾，在系统模型不精确、存在外在扰动及非线性时，仍能保证双摆桥式吊车的控制性能，尽快减小摆角并完成运输任务，提高了系统的可靠性和效率。
Description
技术领域
本发明属于桥式吊车防摆控制技术领域，涉及一种基于自抗扰技术的欠驱动桥式吊车双摆防摆控制方法。
背景技术
桥式吊车作为常见的货物搬运工具之一，桥式吊车被广泛应用于各个领域，如海港、核电站、钢厂、车间、道路建设等，发挥着极为重要的作用。对于桥式吊车系统而言，其主要控制目标为对负载的快速、准确“点对点”搬运。然而，由于吊车的欠驱动特性，加之系统易受到各种外界干扰的影响，在搬运过程中负载极易发生大幅摆动，严重影响了负载的定位精度，在降低系统工作效率的同时，带来了诸多的不安全因素。在一些特殊场合，对防摆控制有着非常高的要求，如在钢包吊运的过程中，大幅摆动会引起高温钢水的侧漏，造成安全事故。因此，如何保证台车的快速、准确定位，并充分抑制货物的摆动，是吊车控制所面临的首要问题。对于欠驱动吊车而言, 已有方法大都将负载摆动视为单摆进行处理. 然而当吊钩质量相比负载质量不可忽略或负载体积较大时, 负载会绕吊钩产生第二级摆动, 出现双摆效应, 使系统的摆动特性更为复杂, 欠驱动度更高,其控制更具挑战性。
随着“中国制造2025”的提出与实施，数字化工厂已经成为发展趋势。这对工厂运输的安全及效率提出了更高的要求，那么作为工厂最基础的运输工具，欠驱动桥式吊车的控制也需向高精度、高可靠性迈进。
就目前而言，由于缺乏高性能吊车自动控制方法，绝大多数吊车仍依靠人工操作，系统的工作效率完全依赖于工人师傅的操作经验。这种常规的操作方式体现出以下不足之处：1)对操作工人要求高，需要进行长时间的培训和长期的经验积累；2)操作效率低，消摆效果差，当台车到达目标位置后，须待负载摆动在空气阻力的作用下缓慢地衰减到一定程度后，方可进行下一步操作；3)定位精度差，在台车即将到达目标位置时，须反复调整其运动；4)长期连续工作易引发疲劳，导致误操作；5)安全系数低，伤亡事故频发。因此，亟待设计高效自动消摆定位控制方法来部分代替人工操作，减少人力劳动，提高系统的工作效率与安全性能，获得可观的经济效益。
桥式吊车由于其系统结构的高度非线性，以及摩擦力和空气阻力的影响，对其负载物位置的精确控制很难实现；而且负载物在台车运动过程中会出现摆动的现象，这大大增加了吊车系统的不安全因素。目前讨论较多的控制策略大都需要精确的控制模型，进而使用输入整形、最优控制理论等控制策略，虽然也取得了很好的效果；但考虑到工业控制过程中，精确模型大都很难得到，并且由于干扰的存在，这些控制策略有时难以实现甚至会使系统震荡。控制策略若能应对模型的不确定性和外在扰动，则方法可行性与实用性将进一步提高；而且研究在复杂的工业环境中使吊车能按照设计的性能指标安全可靠的运行，不但能可缓解工人的作业负担、提高吊车工作效率和安全系数，也为数字工厂的实现提供基础。
发明内容
本发明针对现有的技术存在的上述问题，提供一种基于自抗扰技术的欠驱动桥式吊车双摆防摆控制方法，本发明所要解决的技术问题是：如何对双摆桥式吊车实现防摆控制。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种基于自抗扰技术的欠驱动桥式吊车双摆防摆控制方法，包括如下步骤：
S1：建立双摆桥式吊车系统的动力学模型；
S2：建立双摆桥式吊车系统的微分跟踪器并根据所述微分跟踪器得到小车位移微分；
S3：根据动力学模型中的摆角设计用以获取系统总扰动、摆角和摆角的微分的估计值的扩张观测器；
S4：根据微分跟踪器和扩张观测器得到用于控制所述双摆桥式吊车系统的控制律；
步骤S1中的动力学模型为，步骤S2中的微分跟踪器为（为用以调节微分跟踪器的性能的可调参数），步骤S3中的扩张观测器为（为输出估计值，为输出的导数，为总扰动），步骤S4中的控制律为；
步骤S1中具体包括：
S11：获取小车及负载的位移为；
S12：对小车及负载的位移求导获取小车及负载的速度为；
S13：根据小车及负载的速度获取系统的动能为；
S14：以地面为零势能面获取系统的势能为，其中为小车所在水平面距离地面的高度；
S15：根据系统的动能和势能，计算出拉格朗日算子，以小车的位移、负载的摆角作为广义坐标，得到系统的拉格朗日方程组为
；
S16：将拉格朗日方程组化简得到。
优选的，步骤S4之后还包括步骤S5：整定（为控制律的增益系数，为控制律的增益参数，为扩张观测器的带宽参数，为控制律的带宽参数）的最优值。
优选的，步骤 S5具体包括：
S51：根据微分跟踪器的性能要求单独调节；
S52：将和置0，调节和；
S53：根据系统性能及执行机构的上限选取初始；
S54：令进行调试；
S55：同步等量增加和直至控制信号或输出信号中的噪声或震幅度超出系统的误差容限；
S56：单独增加或减少和；
S57：调节和。
优选的，步骤S16中在，时，将朗格朗日方程组化简为，在和时，化简为。
优选的，摆角的大小范围为-10度~+10度。
本发明中根据微分跟踪器得到小车位移微分，根据扩展观测器得到系统总扰动、摆角和摆角的微分的估计值，根据控制律控制双摆桥式吊车，协调摆角和位移之间的矛盾，在系统模型不精确、存在外在扰动及非线性时，仍能保证双摆桥式吊车的控制性能，尽快减小摆角并完成运输任务，提高了系统的可靠性和效率。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
请参阅图1，本实施例中的基于自抗扰技术的欠驱动桥式吊车双摆防摆控制方法，包括如下步骤：
S1：建立双摆桥式吊车系统的动力学模型；
S2：建立双摆桥式吊车系统的微分跟踪器并根据微分跟踪器得到小车位移微分；
S3：根据动力学模型中的摆角设计用以获取系统总扰动、摆角和摆角的微分的估计值的扩张观测器；
S4：根据微分跟踪器和扩张观测器得到用于控制双摆桥式吊车系统的控制律；
步骤S1中的动力学模型为，步骤S2中的微分跟踪器为（为用以调节微分跟踪器的性能的可调参数），步骤S3中的扩张观测器为（为输出估计值，为输出的导数，为总扰动），步骤S4中的控制律为；
步骤S1中具体包括：
S11：获取小车及负载的位移为；
S12：对小车及负载的位移求导获取小车及负载的速度为；
S13：根据小车及负载的速度获取系统的动能为；
S14：以地面为零势能面获取系统的势能为，其中为小车所在水平面距离地面的高度；
S15：根据系统的动能和势能，计算出拉格朗日算子，以小车的位移、负载的摆角作为广义坐标，得到系统的拉格朗日方程组为
；
S16：将拉格朗日方程组化简得到。
此处，可以根据小车位移输入指令和输出位移指令设计设计出微分跟踪器，根据微分跟踪器得到小车位移微分，根据扩展观测器得到系统总扰动、摆角和摆角的微分的估计值，根据控制律控制双摆桥式吊车，协调摆角和位移之间的矛盾，在系统模型不精确、存在外在扰动及非线性时，仍能保证双摆桥式吊车的控制性能，尽快减小摆角并完成运输任务，提高了系统的可靠性和效率。线性微分跟踪器用来获取其输入信号的微分估计值，是一种实用微分器。控制律可以为控制器输出的根据。
步骤S4之后还包括步骤S5：整定（ 为控制律的增益系数，为控制律的增益参数， 为扩张观测器的带宽参数，为控制律的带宽参数）的最优值，这样就可以通过整定控制律中的参数从而得到最优的控制律，可以保证控制律的高的可靠性。
步骤S1中的动力学模型为，其中可以为小车的质量，可以为吊钩的质量，可以为负载的质量，可以为小车与吊钩之间的第一绳索的长度，可以为吊钩和负载之间的第二绳索的长度， 可以为驱动小车的驱动力，可以为吊钩与小车之间的第一摆角，可以为负载与吊钩之间的第二摆角，可以为重力加速度。
步骤S2中的微分跟踪器可以为，其中可以为位移指令的设定值，可以微分跟踪器中设定的过渡过程的位移，可以为的近似微分， 可以为用以调节微分跟踪器的性能的可调参数，这样就可以安排过渡过程并提取其微分信号，为控制律的形成做准备。
步骤S3中的扩张观测器可以为，其中可以为第二摆角的估计值，可以为实际输出摆角，是第二摆角和实际输出摆角的误差，可以为扩展观测器的带宽，可以为输入补偿系数，这样就可以估计吊车系统的状态和不确定绕动作用，提高系统的可靠性，在存在外在扰动及非线性时，仍能保证双摆桥式吊车的控制性能，尽快减小摆角，提高了系统的可靠性。
步骤S4中的控制律可以为，其中可以为动力学模型中的带宽，，可以为微分跟踪器的位移微分量，这样就可以提高系统的抗干扰能力、稳定性和鲁棒性，实现良好的控制效果，可以协调摆角和位移之间的矛盾，在系统模型不精确、存在外在扰动及非线性时，仍能保证双摆桥式吊车的控制性能，尽快减小摆角并完成运输任务，提高了系统的可靠性和效率。
步骤S1中具体可以包括：
S11：选取小车的重心为参考点，获取小车及负载的位移可以为；
S12：对小车及负载的位移求导获取小车及负载的速度可以为；
S13：根据小车及负载的速度获取系统的动能可以为；
S14：以地面为零势能面获取系统的势能可以为，其中可以为小车所在水平面距离地面的高度；
S15：根据系统的动能和势能，可以计算出拉格朗日算子，以小车的位移、负载的摆角可以作为广义坐标，拉格朗日方程的一般方程可以为，其中，可以为质点系统动能，可以为质点系统势能，可以为质点系统广义坐标，可以为质点系统的自由度数，可以为对应于坐标的广义力，当广义坐标为，可以得到系统的拉格朗日方程组为
；
S16：将拉格朗日方程组化简可以得到。
步骤 S5具体可以包括：
S51：根据微分跟踪器的性能要求单独调节，可以使得微分跟踪器的性能较好，使得小车微分信号稳定性较高和误差较小；
S52：首先不考虑小车位移的控制问题，只考虑摆角，将和置0，分别调节和；
S53：根据系统性能及执行机构的上限选取初始，保证在不超出系统的允许误差范围提高系统的可靠性；
S54：令进行调试，考虑传感器噪声、执行机构输出饱和等实际影响稳定性的因素，进行调试，提高系统的实际使用性，更加接近实际情况；
S55：同步等量增加和直至控制信号或输出信号中的噪声或震幅度超出系统的误差容限，保证系统的稳定性；
S56：单独增加或减少和以得到最优的和，使得系统满足超调量、干扰衰减速度、幅度和平滑度等不同性能指标；
S57：调节和以获得最优的和。
步骤S16中在，时，将朗格朗日方程组可以化简为，在和时，化简为。
摆角的大小范围可以为-10度~+10度，这样就可以防止摆动过大而拉断绳索，破坏系统。负载可以为一个质点，忽略它的体积，这样就可以更好地建立双摆桥式吊车的动力学模型。绳索可以为钢性绳，在受力的情况下，绳索的长度可以不发生改变，这样减小系统的误差。
本发明受国家重点研发计划项目，项目编号：2017YFC0805100；The National KeyR & D Program of China,Grant No.2017YFC0805100资助。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (5)
1.一种基于自抗扰技术的欠驱动桥式吊车双摆防摆控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：建立双摆桥式吊车系统的动力学模型；
S2：建立双摆桥式吊车系统的微分跟踪器并根据所述微分跟踪器得到小车位移微分；
S3：根据动力学模型中的摆角设计用以获取系统总扰动、摆角和摆角的微分的估计值的扩张观测器；
S4：根据微分跟踪器和扩张观测器得到用于控制所述双摆桥式吊车系统的控制律；
步骤S1中的动力学模型为（为小车的加速度，为小车上的吊钩与Y轴之间的夹角即第一摆角，为吊钩上的负载与Y轴之间的夹角即第二摆角，为第一摆角的加速度即第一角加速度, 为第二摆角的加速度即第二角加速度，为小车受到的力，为吊钩质量，为负载质量，为重力加速度，为小车质量，为小车与吊钩之间的绳长，为吊钩和负载之间的绳长），步骤S2中的微分跟踪器为（为用以调节微分跟踪器的性能的可调参数，为位移设定值，为微分跟踪器中设定的过渡过程的位移，为的近似微分，为的转置矩阵，为的转置矩阵，为可调参数），步骤S3中的扩张观测器为（为输出估计值，为输出的导数，为总扰动，为的一阶导数，为的一阶导数，为的一阶导数，为第二摆角和实际输出摆角的误差，为输出摆角，为扩张观测器的带宽，为输入补偿系数，为控制律的实际输入），步骤S4中的控制律为（为控制律的中间量的计算值即为控制律的理想输入，为控制律的增益系数，为控制律的增益参数，为控制律的带宽参数，为阻尼比，为微分跟踪器的位移，为微分跟踪器的位移微分量）；
步骤S1中具体包括：
S11：获取小车及负载的位移为（为小车水平方向位移，为小车竖直方向位移，为吊钩水平方向位移，为吊钩竖直方向位移，为负载水平方向位移，为负载竖直方向位移）；
S12：对小车及负载的位移求导获取小车及负载的速度为；
S13：根据小车及负载的速度获取系统的动能为；
S14：以地面为零势能面获取系统的势能为，其中为小车所在水平面距离地面的高度；
S15：根据系统的动能和势能，计算出拉格朗日算子，以小车的位移、负载的摆角作为广义坐标，得到系统的拉格朗日方程组为
；
S16：将拉格朗日方程组化简得到。
2.如权利要求1所述的一种基于自抗扰技术的欠驱动桥式吊车双摆防摆控制方法，其特征在于，步骤S4之后还包括步骤S5：整定（为控制律的增益系数，为控制律的增益参数，为扩张观测器的带宽参数，为控制律的带宽参数）的最优值。
3.如权利要求2所述的一种基于自抗扰技术的欠驱动桥式吊车双摆防摆控制方法，其特征在于，步骤 S5具体包括：
S51：根据微分跟踪器的性能要求单独调节；
S52：将和置0，调节和；
S53：根据系统性能及执行机构的上限选取初始；
S54：令进行调试；
S55：同步等量增加和直至控制信号或输出信号中的噪声或震幅度超出系统的误差容限；
S56 ：单独增加或减少和；
S57：调节和。
4.如权利要求1或2所述的一种基于自抗扰技术的欠驱动桥式吊车双摆防摆控制方法，其特征在于：步骤S16中在，时，将朗格朗日方程组化简为，在和时，化简为。
5.如权利要求1或2所述的一种基于自抗扰技术的欠驱动桥式吊车双摆防摆控制方法，其特征在于：摆角的大小范围为-10度~+10度。
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