CN112061979B - 桥式吊车控制方法、运行控制装置及计算机可读存储介质 - Google Patents

桥式吊车控制方法、运行控制装置及计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桥式吊车控制方法、运行控制装置及计算机可读存储介质，方法包括构建吊车动力学模型；获取偏差值，对偏差值进行计算，得到偏差速率；对偏差速率以及偏差速率对应的按设定误差性能指标函数进行收敛，得到偏差信号，对偏差信号进行一阶求导、二阶求导，得到一阶偏差信号、二阶偏差信号；构建吊车位置全程滑模面和负载提升全程滑模面；根据吊车位置全程滑模面和负载提升全程滑模面，分别构造对应的李雅普诺夫候选函数；根据一阶求导后的李雅普诺夫候选函数和吊车动力学方程，构建全程滑模控制器；利用全程滑模控制器对吊车动力学模型进行控制。本发明实现对吊车的全程鲁棒控制，从而提高抗扰能力。

Description

桥式吊车控制方法、运行控制装置及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及吊车控制技术领域，特别涉及一种桥式吊车控制方法、运行控制装置及计算机可读存储介质。
背景技术
桥式吊车作为最为常见的重型货物搬运工具之一被广泛运用于国民经济建设的各个领域，如港口、钢厂、核电站、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”运输。然而，桥式吊车系统作为一种典型的欠驱动系统，由于其欠驱动特性与各种外界干扰影响，在搬运过程中负载极易发生大幅摆动，严重影响了负载运输的定位精度，在降低系统工作效率的同时也带来了诸多不安全的因素。因此，如何在保证台车快速准确定位的同时，充分抑制负载摆动，是桥式吊车系统控制所面临的首要问题。
现有的桥式吊车控制方法，基本针对二维桥式吊车系统，且通常只能利用滑模控制器来解决局部鲁棒性，结构上也较为复杂，不利于实现。而实际工程中所采用的桥式吊车为三维的，三维桥式吊车系统是高度耦合的欠驱动非线性系统，这使得这些基于二维桥式吊车系统的控制方法无法在三维桥式吊车系统上发挥较好的控制性能。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种桥式吊车控制方法、运行控制装置及计算机可读存储介质，能够在基于准确的吊车动力学模型的基础上，实现对吊车的全程鲁棒控制，从而提高抗扰能力，以发挥较好的控制性能。
本发明实施例的第一方面，提供了一种桥式吊车控制方法，包括以下步骤：
构建吊车动力学模型，其中，所述吊车动力学模型基于吊车动力学方程得到，所述吊车动力学模型包括摩擦力模型和空气阻力模型；
获取偏差值，对所述偏差值进行计算，得到偏差速率；
对所述偏差速率以及所述偏差速率对应的按设定误差性能指标函数进行收敛，得到偏差信号，对所述偏差信号分别进行一阶求导、二阶求导，得到一阶偏差信号、二阶偏差信号；
根据所述偏差信号、所述一阶偏差信号和所述二阶偏差信号，分别构建吊车位置全程滑模面和负载提升全程滑模面；
根据所述吊车位置全程滑模面和所述负载提升全程滑模面，分别构造对应的李雅普诺夫候选函数；
根据一阶求导后的李雅普诺夫候选函数和所述吊车动力学方程，构建全程滑模控制器；
利用所述全程滑模控制器对所述吊车动力学模型进行控制。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下有益效果：本发明实施例的吊车动力学模型基于吊车动力学方程得到，吊车动力学模型中设有吊车，吊车的端部通过吊绳连接负载；通过获取偏差值，对偏差值进行计算，得到偏差速率；对偏差速率以及偏差速率对应的按设定误差性能指标函数进行收敛，得到偏差信号，对偏差信号分别进行一阶求导、二阶求导，得到一阶偏差信号、二阶偏差信号；根据偏差信号、一阶偏差信号和二阶偏差信号，分别构建吊车位置全程滑模面和负载提升全程滑模面；根据吊车位置全程滑模面和负载提升全程滑模面，分别构造对应的李雅普诺夫候选函数；再根据一阶求导后的李雅普诺夫候选函数和吊车动力学方程，构建全程滑模控制器；利用全程滑模控制器对吊车动力学模型进行控制。相对于现有技术，本发明实施例的技术方案，能够在基于准确的吊车动力学模型的基础上，通过利用全程滑模控制器实现对吊车的全程鲁棒控制，从而提高抗扰能力，以发挥较好的控制性能。
根据本发明的一些实施例，所述摩擦力模型的计算公式为：
Figure BDA0002658204070000031
其中，所述frx、fry、εx、εy、krx、kry∈R1且均为摩擦因子系数；所述fx表示吊车在x方向上所受摩擦力；所述fy表示所述吊车在y方向上所受摩擦力；所述x表示所述吊车在x方向上的运动位移；所述y表示所述吊车在y方向上的运动位移；
所述空气阻力模型的计算公式为:
Figure BDA0002658204070000041
Figure BDA0002658204070000042
Figure BDA0002658204070000043
Figure BDA0002658204070000044
其中，所述θx表示负载在x方向上运动的摆角；所述θy表示所述负载在y方向上运动的摆角；所述Fx表示所述吊车在x方向上所受空气阻力；所述Fy表示所述吊车在y方向上所受空气阻力；所述Fθx表示负载在x方向上所受空气阻力；所述Fθy表示所述负载在y方向上所受空气阻力；所述l表示所述吊车的吊绳长度；所述Sx1、所述Sx2分别表示所述吊车和所述负载在x方向上的迎风面积；所述Sy1、所述Sy2分别表示所述吊车和所述负载在y方向上的迎风面积；所述k表示空气阻力系数。
根据本发明的一些实施例，所述获取偏差值，对所述偏差值进行计算，得到偏差速率，还包括以下步骤：
获取输入至所述吊车动力学模型的输入值及对应的期望值，其中，所述输入值包括吊车在x方向上的运动位移、所述吊车在y方向上的运动位移、负载在x方向上运动的摆角、所述负载在y方向上运动的摆角和吊绳长度；
计算所述输入值及对应的所述期望值之间的差值，得到偏差值；
对所述偏差值进行求导，得到偏差速率。
根据本发明的一些实施例，所述偏差信号的计算公式为：
Figure BDA0002658204070000051
其中，所述ζx表示吊车在x方向上的偏差信号；所述ζy表示所述吊车在y方向上的偏差信号；所述ζl表示负载提升的偏差信号；所述θx表示负载在x方向上运动的摆角；所述θy表示所述负载在y方向上运动的摆角；所述λx(t)、λy(t)、λl(t)分别表示偏差速率ex(t)、ey(t)及el(t)对应的按设定误差性能指标函数。
根据本发明的一些实施例，所述θx的范围为
Figure BDA0002658204070000052
所述θy的范围为
Figure BDA0002658204070000053
根据本发明的一些实施例，所述吊车动力学方程为：
Figure BDA0002658204070000054
其中，所述q∈R5表示吊车系统状态，q＝[x y l θx θy]T；所述M(q)∈R5x5表示惯量矩阵；所述C(q)∈R5x5表示向心－柯氏力矩阵；所述G(q)∈R5表示重力因子，所述U表示所述全程滑模控制器的控制量；所述Fd∈R5表示阻尼力。
根据本发明的一些实施例，所述根据一阶求导后的李雅普诺夫候选函数和所述吊车动力学方程，构建全程滑模控制器之前，还包括以下步骤：
根据所述吊车位置全程滑模面、求导后的吊车位置全程滑模面或所述负载提升全程滑模面、求导后的负载提升全程滑模面，分别计算对应的一阶求导后的李雅普诺夫候选函数。
根据本发明的一些实施例，所述根据一阶求导后的李雅普诺夫候选函数和所述吊车动力学方程，构建全程滑模控制器，还包括以下步骤：
根据一阶求导后的李雅普诺夫候选函数和所述吊车动力学方程，获取全程滑模控制器的控制量的计算公式；
获取连续光滑的切换函数，将所述连续光滑的切换函数输入所述全程滑模控制器的控制量的计算公式中，以构建全程滑模控制器。
本发明实施例的第二方面，提供了一种运行控制装置，包括至少一个控制处理器和用于与所述至少一个控制处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个控制处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个控制处理器执行，以使所述至少一个控制处理器能够执行如上述第一方面所述的桥式吊车控制方法。
本发明实施例的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如上述第一方面所述的桥式吊车控制方法。
本发明的附加方面和/或优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例所提供的桥式吊车控制方法的流程示意图；
图2是本发明一个实施例所提供的吊车动力学模型的结构示意图；
图3是本发明一个实施例所提供的获取偏差速率的流程示意图；
图4是本发明另一个实施例所提供的桥式吊车控制方法的流程示意图；
图5是本发明一个实施例所提供的构建全程滑模控制器的流程示意图；
图6是本发明一个实施例所提供的运行控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
参照图1，本发明实施例的第一方面，提供了一种桥式吊车控制方法，包括以下步骤：
步骤S100，构建吊车动力学模型，其中，吊车动力学模型基于吊车动力学方程得到，吊车动力学模型包括摩擦力模型和空气阻力模型；
步骤S200，获取偏差值，对偏差值进行计算，得到偏差速率；
步骤S300，对偏差速率以及偏差速率对应的按设定误差性能指标函数进行收敛，得到偏差信号，对偏差信号分别进行一阶求导、二阶求导，得到一阶偏差信号、二阶偏差信号；
步骤S400，根据偏差信号、一阶偏差信号和二阶偏差信号，分别构建吊车位置全程滑模面和负载提升全程滑模面；
步骤S500，根据吊车位置全程滑模面和负载提升全程滑模面，分别构造对应的李雅普诺夫候选函数；
步骤S600，根据一阶求导后的李雅普诺夫候选函数和吊车动力学方程，构建全程滑模控制器，利用全程滑模控制器对吊车动力学模型进行控制。
具体地，在步骤S100中，构建吊车动力学模型，吊车动力学模型中设有吊车，本实施例采用的是三维桥式吊车(以下称“吊车”)。参照图2，具体地，吊车的端部通过吊绳连接负载。图2中，mx表示负载在x方向上运动的等效质量，my表示负载在y方向上运动的等效质量；ux表示吊车在x方向上驱动力；uy表示吊车在y方向上驱动力；ul表示负载提升力。本实施例的吊车动力学模型包括摩擦力模型和空气阻力模型，可以使得在对吊车进行控制时，通过设置的摩擦力模型和空气阻力模型，来获取吊车运动过程中吊车与轨道的摩擦力、吊车移动速度、吊车运动过程中的迎风面积、以及结合空气密度、空气阻力等，使吊车动力学模型更加准确。
在步骤S200中，偏差值可以为吊车在x方向上的运动位移的偏差值、吊车在y方向上的运动位移的偏差值、负载在x方向上运动的摆角的偏差值、负载在y方向上运动的摆角的偏差值和吊绳长度的偏差值等，通过对上述偏差值分别进行计算，得到对应的偏差速率。
在步骤S300中，为了保证偏差速率(跟踪误差信号)能够快速地收敛到设定的精度，本实施例采用了一种可按设定误差性能指标函数收敛的改进型的偏差信号。本实施例通过将传统误差信号转换为可按设定误差性能指标函数收敛的改进型的偏差信号，该偏差信号将在构建全程滑模控制器过程中替代传统误差信号，提高控制准确率。
在步骤S400中，为了实现全程滑模控制器的全局鲁棒性，本实施例构建了具有全程鲁棒性的全程滑模面。由于三维桥式吊车系统是一种典型的欠驱动非线性系统，吊车的摆角为系统中的欠驱动量，故本实施例根据偏差信号、一阶偏差信号和二阶偏差信号，分别构建吊车位置全程滑模面和负载提升全程滑模面。
之后，根据吊车位置全程滑模面和负载提升全程滑模面，分别构造对应的李雅普诺夫候选函数；根据一阶求导后的李雅普诺夫候选函数和吊车动力学方程，构建全程滑模控制器，利用全程滑模控制器对吊车动力学模型进行控制。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下有益效果：相对于现有技术中只能针对二维桥式吊车系统进行控制，本发明实施例的技术方案能够在基于准确的吊车动力学模型的基础上，通过利用全程滑模控制器实现对吊车的全程鲁棒控制，从而提高抗扰能力，以发挥较好的控制性能。
根据本发明的一些实施例，摩擦力模型的计算公式为：
Figure BDA0002658204070000101
其中，frx、fry、εx、εy、krx、kry∈R1且均为摩擦因子系数；fx表示吊车在x方向上所受摩擦力；fy表示吊车在y方向上所受摩擦力；x表示吊车在x方向上的运动位移；y表示吊车在y方向上的运动位移；
空气阻力模型的计算公式为:
Figure BDA0002658204070000102
Figure BDA0002658204070000103
Figure BDA0002658204070000104
Figure BDA0002658204070000111
其中，θx表示负载在x方向上运动的摆角；θy表示负载在y方向上运动的摆角；Fx表示吊车在x方向上所受空气阻力；Fy表示吊车在y方向上所受空气阻力；Fθx表示负载在x方向上所受空气阻力；Fθy表示负载在y方向上所受空气阻力；l表示吊车的吊绳长度；Sx1、Sx2分别表示吊车和负载在x方向上的迎风面积；Sy1、Sy2分别表示吊车和负载在y方向上的迎风面积；k表示空气阻力系数。
在本实施例中，吊车动力学模型中的吊车与负载均为质量分布均匀的物体，且均为已知的质点；且负载在x方向上运动的摆角：θx的范围为
Figure BDA0002658204070000112
负载在y方向上运动的摆角：θy的范围为
Figure BDA0002658204070000113
根据图2的吊车动力学模型，吊车动力学方程可表示为：
Figure BDA0002658204070000114
其中，q∈R5表示吊车系统状态，q＝[x y l θx θy]T；M(q)∈R5x5表示惯量矩阵；C(q)∈R5x5表示向心－柯氏力矩阵；G(q)∈R5表示重力因子，U表示全程滑模控制器的控制量；Fd∈R5表示阻尼力；
具体地，惯量矩阵的计算公式为：
Figure BDA0002658204070000115
向心－柯氏力矩阵的计算公式为：
Figure BDA0002658204070000121
重力因子的计算公式为：
G＝[0 0 -mgcosθxcosθy mglsinθxcosθy mglcosθxsinθy]T；
全程滑模控制器的控制量的计算公式为：
U＝[ux uy ul 0 0]T；
阻尼力的计算公式为：
Fd＝[-fx-Fx -fy-Fy 0 -Fθx -Fθy]T；
由于吊车运动过程中，吊车与轨道的摩擦力客观存在，且吊车的大小又与吊车移动速度等因素有关。故本实施例采用如下摩擦力模型，其计算公式为：
Figure BDA0002658204070000122
又由于，吊车常被运用于诸如海港等具有强风干扰的恶劣环境中进行货物装卸作业，且在吊车系统实际应用中，吊车与负载位置的改变均以其低速运动的形式来实现。本实施例为提高吊车动力学模型的准确性，采用了一种在低速运动状态下吊车的空气阻力模型，其计算公式如下：
Figure BDA0002658204070000123
Figure BDA0002658204070000131
Figure BDA0002658204070000132
Figure BDA0002658204070000133
参照图3，根据本发明的一些实施例，获取偏差值，对偏差值进行计算，得到偏差速率，还包括以下步骤：
步骤S210，获取输入至吊车动力学模型的输入值及对应的期望值，其中，输入值包括吊车在x方向上的运动位移、吊车在y方向上的运动位移、负载在x方向上运动的摆角、负载在y方向上运动的摆角和吊绳长度；
步骤S220，计算输入值及对应的期望值之间的差值，得到偏差值；
步骤S230，对偏差值进行求导，得到偏差速率。
通过获取输入至吊车动力学模型的输入值及对应的期望值，例如，输入值包括吊车在x方向上的运动位移，表示为x(t)，其对应的期望值为xd；吊车在y方向上的运动位移，表示为y(t)，其对应的期望值为yd；吊绳长度，表示为l(t)，其对应的期望值为ld；以及负载在x方向上运动的摆角，表示为θx；负载在y方向上运动的摆角，表示为θy；其中，x(t)、y(t)、l(t)均为状态量。
则吊车在x方向上的运动位移的偏差值ex为：ex＝x-xd；
吊车在y方向上的运动位移的偏差值ey为：ey＝y-yd；
吊绳长度的偏差值el为：el＝l-ld；
以及，
Figure BDA0002658204070000141
Figure BDA0002658204070000142
Figure BDA0002658204070000143
其中，γx、γy、γl∈R+为正实数；λx(0)、λy(0)、λl(0)、λx∞、λy∞、λl∞均为偏差速率ex(t)、ey(t)及el(t)的界值，且存在以下关系：
0<|ex(0)|<λx(0),λx∞<ex(t)<λx(0)
0<|ey(0)|<λy(0),λy∞<ey(t)<λy(0)。
0<|el(0)|<λl(0),λl∞<el(t)<λl(0)
本实施例偏差速率为：ex(t)、ey(t)及el(t)，是通过对偏差值ex、ey及el求导得到的。
参照图4，根据本发明的一些实施例，通过将传统误差信号转换为可按设定误差性能指标函数收敛的改进型的偏差信号，该偏差信号将在构建全程滑模控制器过程中替代传统误差信号，提高控制准确率。
为了保证偏差速率能够快速地收敛到设定的精度，本实施例采用了一种可按设定误差性能指标函数收敛的改进型的偏差信号，偏差信号的计算公式为：
Figure BDA0002658204070000151
其中，ζx表示吊车在x方向上的偏差信号；ζy表示吊车在y方向上的偏差信号；ζl表示负载提升的偏差信号；θx表示负载在x方向上运动的摆角；θy表示负载在y方向上运动的摆角；λx(t)、λy(t)、λl(t)分别表示偏差速率ex(t)、ey(t)及el(t)对应的按设定误差性能指标函数。
通过设置的改进型的偏差信号，可使吊车系统的偏差速率按设定误差性能指标函数收敛。
根据偏差信号分别对时间求一阶及二阶导函数，得到一阶偏差信号、二阶偏差信号，其中，
一阶偏差信号的计算公式为：
Figure BDA0002658204070000152
二阶偏差信号的计算公式为：
Figure BDA0002658204070000161
根据偏差信号、一阶偏差信号和二阶偏差信号，分别构建吊车位置全程滑模面和负载提升全程滑模面，其中，吊车位置全程滑模面表示为含有摆角动态的全程滑模面，负载提升全程滑模面表示为吊绳长度变化的全程滑模面。具体地，sx表示吊车在x方向上的吊车位置全程滑模面；sy表示吊车在y方向上的吊车位置全程滑模面；sl表示负载提升全程滑模面，计算公式如下：
Figure BDA0002658204070000162
Figure BDA0002658204070000163
Figure BDA0002658204070000164
其中，αx、αy、αl、βx、βy∈R+为正的控制增益；Ωx(x)、Ωy(y)及Ωl(l)均为辅助信号，具体表示如下：
Figure BDA0002658204070000165
Figure BDA0002658204070000166
Figure BDA0002658204070000167
之后，根据吊车位置全程滑模面和负载提升全程滑模面，分别构造对应的李雅普诺夫候选函数。即根据三个全程滑模面：sx、sy、sl，分别构造对应的李雅普诺夫候选函数Vx(t)、Vy(t)、Vl(t)。
具体地，在本实施例中，Vx(t)表示吊车在x方向上的位置子系统的李雅普诺夫候选函数、Vy(t)表示吊车在y方向上的位置子系统的李雅普诺夫候选函数，及Vl(t)表示负载提升子系统的李雅普诺夫候选函数。各李雅普诺夫候选函数的计算公式如下：
Figure BDA0002658204070000171
Figure BDA0002658204070000172
Figure BDA0002658204070000173
根据吊车位置全程滑模面、求导后的吊车位置全程滑模面或负载提升全程滑模面、求导后的负载提升全程滑模面，分别计算对应的一阶求导后的李雅普诺夫候选函数。即上述的三个李雅普诺夫候选函数：Vx(t)、Vy(t)、Vl(t)对时间分别求一阶导后，得到：
Figure BDA0002658204070000174
Figure BDA0002658204070000175
Figure BDA0002658204070000176
以及对吊车位置全程滑模面sx和sy、负载提升全程滑模面sl分别对时间求导后，代入上式中可以得到：
Figure BDA0002658204070000181
Figure BDA0002658204070000182
Figure BDA0002658204070000183
在本实施例中，引入辅助信号Λ1(t)、Λ2(t)、Λ3(t)，其定义如下：
Figure BDA0002658204070000184
Figure BDA0002658204070000191
Figure BDA0002658204070000192
根据上述辅助信号，可得到：
Figure BDA0002658204070000193
将一阶求导后的李雅普诺夫候选函数和吊车动力学方程结合计算，得到：
Figure BDA0002658204070000194
其中，吊车动力学方程为：
Figure BDA0002658204070000195
q∈R5表示吊车系统状态，q＝[x y l θx θy]T；M(q)∈R5x5表示惯量矩阵；C(q)∈R5x5表示向心－柯氏力矩阵；G(q)∈R5表示重力因子，U表示全程滑模控制器的控制量；Fd∈R5表示阻尼力；
为使本实施例的吊车系统满足李雅普诺夫意义下的渐近稳定，故使得：
Figure BDA0002658204070000201
由此构建全程滑模控制器，其中本实施例的全程滑模控制器能够设定误差性能。具体地，全程滑模控制器的控制量的计算公式可以表示为：
Figure BDA0002658204070000202
根据本发明的一些实施例，θx的范围为
Figure BDA0002658204070000203
θy的范围为
Figure BDA0002658204070000204
参照图5，根据本发明的一些实施例，根据一阶求导后的李雅普诺夫候选函数和吊车动力学方程，构建全程滑模控制器，还包括以下步骤：
步骤S610，根据一阶求导后的李雅普诺夫候选函数和吊车动力学方程，获取全程滑模控制器的控制量的计算公式；
步骤S620，获取连续光滑的切换函数，将连续光滑的切换函数输入全程滑模控制器的控制量的计算公式中，以构建全程滑模控制器。
在本实施例中，为削弱全程滑模控制器在控制过程中存在的抖震现象，本实施例采用一种连续光滑的切换函数sat(*)来替代传统的sgn(*)符号函数。连续光滑的切换函数sat(*)表示为：
Figure BDA0002658204070000211
其中，v为正的切换参数，s表示吊车位置全程滑模面sx和sy、负载提升全程滑模面sl。
在其他一些实施例中，通过两个定理来获得本发明实施例的按设定误差性能及全程鲁棒性：
1.偏差信号可保证偏差速率(跟踪误差信号)ex(t)、ey(t)及el(t)按设定误差性能快速收敛：
由于偏差速率ex(t)、ey(t)及el(t)按相同方法进行偏差信号转换。具体地，以e(t)表示跟踪误差信号，λ(t)表示按设定误差性能指标函数；则e(t)表示为：e(t)＝λ(t)χ(ζ)；
其中，χ(ζ)表示误差性能函数，其具有如下特性：
χ(ζ)为光滑连续的单调递增函数；
-1<χ(ζ)<1；
Figure BDA0002658204070000212
将误差性能函数χ(ζ)以双曲正切函数来表示，具体如下：
Figure BDA0002658204070000213
由于本实施的λ(t)＝(λ(0)-λ∞)e-γt+λ∞，且-λ(t)<λ(t)χ(ζ)<λ(t)，从而可得到：-λ(t)<e(t)<λ(t)。故本实施例的跟踪误差可按指数快速收敛至λ∞。
2.本实施例的非线性全程滑模控制器具有全程鲁棒性。
根据吊车位置全程滑模面、负载提升全程滑模面的计算公式，设定t＝0，则有：
Figure BDA0002658204070000221
Figure BDA0002658204070000222
Figure BDA0002658204070000223
再根据偏差信号的转换方法，得到：
Figure BDA0002658204070000224
Figure BDA0002658204070000225
获取辅助信号ωx(x)、ωy(y)及ωl(l)(即Ωx(x)、Ωy(y)及Ωl(l))，再根据偏差信号的转换方法，得到：
sx(0)＝0
sy(0)＝0；
sl(0)＝0
与现有技术中的滑模控制趋近时间较长，具有局部鲁棒性相比，本实施例的非线性全程滑模控制器可从一开始就处于滑模切换阶段，跳过了鲁棒性较差的滑模趋近阶段，由此实现全程鲁棒控制。
参照图6，本发明实施例的第二方面，提供了一种运行控制装置，该运行控制装置6000可以是任意类型的智能终端，如手机、平板电脑、个人计算机等。
根据本发明的一些实施例，该运行控制装置6000包括：一个或多个控制处理器6001和存储器6002，图6中以一个控制处理器6001为例。
控制处理器6001和存储器6002可以通过总线或其他方式连接，图6以通过总线连接为例。
存储器6002作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态性计算机可执行程序以及单元，如本发明实施例中的运行控制装置6000对应的程序指令/单元。控制处理器6001通过运行存储在存储器6002中的非暂态软件程序、指令以及单元，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的桥式吊车控制方法。
存储器6002可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据程序指令/单元创建的数据等。此外，存储器6002可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器6002可选包括相对于控制处理器6001远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该运行控制装置6000。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
一个或者多个单元存储在存储器6002中，当被一个或者多个控制处理器6001执行时，执行上述任意方法实施例中的桥式吊车控制方法。例如，执行以上描述的图1中的方法步骤S100至S600、图3中的方法步骤S210至S230和图5中的方法步骤S610至S620。
本发明实施例的第三方面，还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器6001执行，例如，被图6中的一个控制处理器6001执行，可使得上述一个或多个控制处理器6001执行上述方法实施例中的桥式吊车控制方法，例如，执行以上描述的图1中的方法步骤S100至S600、图3中的方法步骤S210至S230和图5中的方法步骤S610至S620。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施方式的描述，本领域普通技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory,ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory,RAM)等。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种桥式吊车控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建吊车动力学模型，其中，所述吊车动力学模型基于吊车动力学方程得到，所述吊车动力学模型包括摩擦力模型和空气阻力模型；
获取偏差值，对所述偏差值进行计算，得到偏差速率；
对所述偏差速率以及所述偏差速率对应的按设定误差性能指标函数进行收敛，得到偏差信号，对所述偏差信号分别进行一阶求导、二阶求导，得到一阶偏差信号、二阶偏差信号；
根据所述偏差信号、所述一阶偏差信号和所述二阶偏差信号，分别构建吊车位置全程滑模面和负载提升全程滑模面；
根据所述吊车位置全程滑模面和所述负载提升全程滑模面，分别构造对应的李雅普诺夫候选函数；
根据一阶求导后的李雅普诺夫候选函数和所述吊车动力学方程，构建全程滑模控制器；
利用所述全程滑模控制器对所述吊车动力学模型进行控制。
2.根据权利要求1所述的桥式吊车控制方法，其特征在于，所述摩擦力模型的计算公式为：
Figure FDA0002658204060000011
其中，所述frx、fry、εx、εy、krx、kry∈R1且均为摩擦因子系数；所述fx表示吊车在x方向上所受摩擦力；所述fy表示所述吊车在y方向上所受摩擦力；所述x表示所述吊车在x方向上的运动位移；所述y表示所述吊车在y方向上的运动位移；
所述空气阻力模型的计算公式为:
Figure FDA0002658204060000021
Figure FDA0002658204060000022
Figure FDA0002658204060000023
Figure FDA0002658204060000024
其中，所述θx表示负载在x方向上运动的摆角；所述θy表示所述负载在y方向上运动的摆角；所述Fx表示所述吊车在x方向上所受空气阻力；所述Fy表示所述吊车在y方向上所受空气阻力；所述Fθx表示负载在x方向上所受空气阻力；所述Fθy表示所述负载在y方向上所受空气阻力；所述l表示所述吊车的吊绳长度；所述Sx1、所述Sx2分别表示所述吊车和所述负载在x方向上的迎风面积；所述Sy1、所述Sy2分别表示所述吊车和所述负载在y方向上的迎风面积；所述k表示空气阻力系数。
3.根据权利要求1所述的桥式吊车控制方法，其特征在于，所述获取偏差值，对所述偏差值进行计算，得到偏差速率，还包括以下步骤：
获取输入至所述吊车动力学模型的输入值及对应的期望值，其中，所述输入值包括吊车在x方向上的运动位移、所述吊车在y方向上的运动位移、负载在x方向上运动的摆角、所述负载在y方向上运动的摆角和吊绳长度；
计算所述输入值及对应的所述期望值之间的差值，得到偏差值；
对所述偏差值进行求导，得到偏差速率。
4.根据权利要求1所述的桥式吊车控制方法，其特征在于：所述偏差信号的计算公式为：
Figure FDA0002658204060000031
其中，所述ζx表示吊车在x方向上的偏差信号；所述ζy表示所述吊车在y方向上的偏差信号；所述ζl表示负载提升的偏差信号；所述θx表示负载在x方向上运动的摆角；所述θy表示所述负载在y方向上运动的摆角；所述λx(t)、λy(t)、λl(t)分别表示偏差速率ex(t)、ey(t)及el(t)对应的按设定误差性能指标函数。
5.根据权利要求2或4所述的桥式吊车控制方法，其特征在于，所述θx的范围为
Figure FDA0002658204060000032
所述θy的范围为
Figure FDA0002658204060000033
6.根据权利要求1所述的桥式吊车控制方法，其特征在于，所述吊车动力学方程为：
Figure FDA0002658204060000034
其中，所述q∈R5表示吊车系统状态，q＝[x y l θx θy]T；所述M(q)∈R5x5表示惯量矩阵；所述C(q)∈R5x5表示向心－柯氏力矩阵；所述G(q)∈R5表示重力因子，所述U表示所述全程滑模控制器的控制量；所述Fd∈R5表示阻尼力。
7.根据权利要求1或6所述的桥式吊车控制方法，其特征在于，所述根据一阶求导后的李雅普诺夫候选函数和所述吊车动力学方程，构建全程滑模控制器之前，还包括以下步骤：
根据所述吊车位置全程滑模面、求导后的吊车位置全程滑模面或所述负载提升全程滑模面、求导后的负载提升全程滑模面，分别计算对应的一阶求导后的李雅普诺夫候选函数。
8.根据权利要求7所述的桥式吊车控制方法，其特征在于：所述根据一阶求导后的李雅普诺夫候选函数和所述吊车动力学方程，构建全程滑模控制器，还包括以下步骤：
根据一阶求导后的李雅普诺夫候选函数和所述吊车动力学方程，获取全程滑模控制器的控制量的计算公式；
获取连续光滑的切换函数，将所述连续光滑的切换函数输入所述全程滑模控制器的控制量的计算公式中，以构建全程滑模控制器。
9.一种运行控制装置，其特征在于，包括：至少一个控制处理器和用于与所述至少一个控制处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个控制处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个控制处理器执行，以使所述至少一个控制处理器能够执行如权利要求1至8任一项所述的桥式吊车控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至8任一项所述的桥式吊车控制方法。
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