CN112506049A - 基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法 - Google Patents

基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法 Download PDF

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CN112506049A CN202011202252.4A CN202011202252A CN112506049A CN 112506049 A CN112506049 A CN 112506049A CN 202011202252 A CN202011202252 A CN 202011202252A CN 112506049 A CN112506049 A CN 112506049A
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董毅超
孙长银
陈夕松
许翠红
陈善龙
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Abstract

本发明公开了基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法，属于工业级行车技术领域，该控制方法将干扰观测器构成的前馈补偿器和广义负载位置追踪的反馈控制器相结合，根据补偿器和反馈控制器的输出共同计算下一时刻行车的加速度。本发明提供的广义负载位置追踪控制器方法对行车进行防摇定位，同时使用干扰观测器对行车轨道的局部磨损和绳长测量误差等外界干扰以及模型参数不匹配等内部干扰进行有效估计，方法简单易行，且对参数未知或不确定的情形具有良好的鲁棒性，从而更好地提升防摇效果，提高工业生产中吊车调运物品的安全性、可靠性及工作效率。

Description

基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法
技术领域
本发明属于工业级行车技术领域，具体涉及基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法。
背景技术
随着全球工业的发展和生产规模的扩大，行车在工业生产中的作用日趋增大，行车是一种重要的重物装卸搬运设备，在各个工业现场具有广泛应用。然而，行车在吊运过程中不可避免地会产生摇摆。因此，研究控制并消除行车吊运时的摇摆并实现精确定位，对提高工业现场的作业效率、搬运精度和工业控制自动化具有重要的意义。
行车在吊运过程中总是不可避免地造成吊物的摇摆，通常需要非常熟练的行车操作工手动操作控制吊物的摇摆，这也是目前最为常用的做法。吊物的摇摆会加速机械磨损，增长吊物的转运时间，甚至造成安全事故。机械防摇摆都需要增加机械设备自重且造价较高，在一些尺寸要求较高的场合受到限制，不利于起重设备轻量化发展，目前新制造设备很少采用。
因此，通过各类算法来控制吊车运行轨迹进行防摇摆控制得到了更多的重视，防摇定位控制可以自动消除吊物在运行过程中产生的摇摆，更快地完成吊物的转运，特别是带有定位功能的自动化工业级行车，防摇摆系统可以使行车的操作变得更高效、更安全。
目前，行车防摇的控制算法很多都是基于系统的精确模型而设计的，它们对不确定的外部干扰敏感，而实际系统中，系统不可避免的会受到这些不确定的干扰的影响，这些模型很难在实践中达到期望的效果。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提出基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法，且对参数未知或不确定的情形具有良好的鲁棒性，同时引入干扰观测器来估计和补偿不确定扰动的影响，两者结合起来决定最终的输出，从而更好的提升防摇效果。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法，该控制方法采用干扰观测器构成的前馈补偿器和广义负载位置追踪的反馈控制器相结合，根据补偿器和反馈控制器的输出共同计算下一时刻行车的加速度，具有以下步骤：
步骤1：对行车动力学建模得到传递函数Gp(s)；
步骤2：由激光测距仪和角度测量仪分别测得行车实时位置x和负载角度θ，得出广义负载位置信号gp：
gp＝x+δ(θ)
其中，δ(θ)为一标量函数；
步骤3：计算广义负载误差εp(t)：
εp(t)＝gp-xp
其中，xp为行车目标位置；
步骤4：计算广义负载位置追踪控制器的输出a：
Figure BDA0002755672510000021
其中，kp、kd为控制增益，
Figure BDA0002755672510000022
为广义负载误差εp对时间的微分，
Figure BDA0002755672510000023
为行车实时位置x对时间的微分，
Figure BDA0002755672510000024
为δ(θ)对时间的微分；
步骤5：使用干扰观测器计算得到干扰估计
Figure BDA0002755672510000025
Figure BDA0002755672510000026
其中，X(s)为行车实时位置x的拉氏变换，Q(s)为低通滤波器的传递函数，Gn(s)为系统位置名义模型的传递函数，A(s)为广义负载位置追踪控制器的输出a的拉氏变换；
步骤6：计算下一时刻行车的加速度输入ε(s)：
Figure BDA0002755672510000027
进一步地，步骤5中，以行车实时位置x的拉氏变换X(s)为输出，A'(s)作为被控对象的加速度输入，其行车系统位置名义模型的传递函数Gn(s)为
Figure BDA0002755672510000031
进一步地，所述的δ(θ)为一标量函数，其计算如下：
δ(θ)＝lsinθ
δ(θ)表示因负载摆动产生的广义位移，l为绳长，其将两个控制变量化为一个控制变量，把行车欠驱动系统转化为全驱动系统。
进一步地，所述干扰观测器中的滤波器Q(s)设计为一个二阶低通滤波器：
Figure BDA0002755672510000032
其中，τ为滤波器参数。
进一步地，该控制方法基于的控制系统包括：PLC控制器、角度测量仪、激光测距仪、变频器、交流异步电机、行车和上位机；通过上位机组态软件实现广义负载位置追踪以及抗干扰的控制系统，上位机的输出端与PLC控制器的输入端连接，用于将程序下载写入PLC控制器，PLC控制器的输出端与变频器的输入端连接，实现PLC控制器对变频器的控制，由变频器控制交流异步电机的速度，由交流异步电机驱动行车按计算的加速度移动，同时通过角度测量仪、激光测距仪将行车的实时角度和实时位置传入上位机的实时数据库系统。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制算法，采用干扰观测器构成的前馈补偿器和广义负载位置追踪控制器构成的反馈控制器相结合的方法，使用干扰观测器对行车轨道的局部磨损和绳长测量误差等外界干扰以及模型参数不匹配等内部干扰进行有效估计，通过两者的复合控制在大的外部干扰的环境中可以更好的提升防摇效果，提高工业生产中吊车调运物品的安全性、可靠性；同时，本发明简单易行，且对参数位置或不确定的情形具有良好的鲁棒性。
附图说明
图1为实施例的欠驱动行车系统简化示意图；
图2为实施例的干扰观测器的结构框图；
图3为实施例的干扰观测器和广义负载位置追踪控制器相结合的控制方法框图；
图4为一种基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明方法进行详细的阐述。
如图4所示，本发明提出基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法，使用角度测量仪和激光测距仪测得行车实时位置，通过PLC控制器送到上位机中，上位机运行广义负载位置追踪以及抗干扰控制方法得到控制量，并通过PLC控制变频器的输出来控制行车加速度，最终完成行车的精确防摇定位的自动化控制。控制方法采用干扰观测器构成的前馈补偿器和广义负载位置追踪控制器构成的反馈控制器相结合，根据两者的输出来决定下一时刻行车的控制输入，具体步骤如下：
步骤1：对行车动力学建模得到传递函数Gp(s)，其中，Gp(s)输出分为加速度输入A'(s)对负载角度θ(s)和行车实时位置X(s)两个通道的传递函数，分别为：
Figure BDA0002755672510000041
其中，A'(s)为被控对象的加速度输入，其中g为重力加速度，系统位置名义模型的传递函数
Figure BDA0002755672510000042
步骤2：由激光测距仪和角度测量仪分别测得行车实时位置x和负载角度θ，得出广义负载位置信号gp：
gp＝x+δ(θ)
其中：δ(θ)为一标量函数，表示因负载摆动产生的广义位移，l代表绳长，具体表达式为：
δ(θ)＝lsinθ
表示因负载摆动产生的广义位移，其将二个控制变量化为一个控制变量，把行车欠驱动系统转化为全驱动系统；
步骤3：通过目标位置xp，计算广义负载误差εp(t)：
εp(t)＝gp-xp
步骤4：对广义负载误差εp(t)和它的微分进行计算，计算控制器的输出a：
Figure BDA0002755672510000051
其中，kp、kd为控制增益，
Figure BDA0002755672510000052
为广义负载误差εp对时间的微分，
Figure BDA0002755672510000053
为行车实时位置x对时间的微分，
Figure BDA0002755672510000054
为负载角度θ对时间的微分；
步骤5：由行车实时位置x的拉氏变换X(s)，低通滤波器的传递函数Q(s)，系统位置名义模型的传递函数Gn(s)和广义负载位置追踪控制器的输出a的拉氏变换A(s)计算干扰观测器的输出
Figure BDA0002755672510000055
Figure BDA0002755672510000056
干扰观测器中的滤波器Q(s)设计为一个二阶低通滤波器：
Figure BDA0002755672510000057
其中，τ为滤波器参数，合理选择滤波器参数τ，可以很好地抑制外部或者内部扰动；
步骤6：计算下一时刻行车的控制输入ε(s)，具体公式如下：
Figure BDA0002755672510000058
基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法的控制系统包括：角度测量仪、激光测距仪、变频器、交流异步电机、行车、PLC控制器和上位机，PLC控制器采用科远公司自主研发的DCS系统中的模块，角度测量仪采用赛特科公司的产品，激光测距仪采用SICK公司的产品。
通过上位机组态软件实现带干扰观测器的广义负载位置追踪防摇定位控制算法，将程序下载写入PLC控制器，PLC控制器的输出与变频器的输入连接，实现PLC控制器对变频器的控制，由变频器控制交流异步电机的加速度，由交流异步电机驱动行车按计算的加速度移动，同时可以通过角度测量仪、激光测距仪将吊车的实时角度和实时位置传入上位机的实时数据库。
实施例
如图1-2所示，本发明提出的一种基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇控制方法，使用角度测量仪和激光测距仪测得行车实时位置，通过上位机运行广义负载位置追踪以及抗干扰的控制方法得到控制量，并通过PLC控制变频器改变行车加速度的自动化控制。
行车是一种复杂的欠驱动系统，是系统的独立控制变量个数小于系统自由度个数的一类非线性系统，经过简化处理后如图1所示：质量为M的桥式吊车小车在力F作用下沿x轴移动，质量为m的重物块通过钢丝绳挂在桥式吊车小车上做近似单摆运动。
因此为简化计算先对系统进行线性化处理，得到它的传递函数Gp(s)，其中，Gp(s)分为加速度输入A'(s)对负载角度θ(s)和行车实时位置X(s)两个通道的传递函数：
Figure BDA0002755672510000061
A'(s)为被控对象的加速度输入，g为重力加速度，由于行车系统的干扰主要在位置通道上，故对系统位置进行干扰观测，取系统位置名义模型
Figure BDA0002755672510000062
由激光测距仪和角度测量仪分别测得行车实时位置x和负载角度θ，传感器将信号传入PLC控制器中，控制器发送信号给上位机，通过上位机来完成算法的实现，得出广义负载位置信号gp：
gp＝x+δ(θ)
其中：δ(θ)为一待确定的标量函数，具体表达式为：
δ(θ)＝lsinθ
表示因负载摆动产生的广义位移，l代表绳长，实际应用上取l＝3.5m，gp将二个控制变量化为一个控制变量，把行车欠驱动系统转化为全驱动系统；
通过目标位置xp，计算广义负载误差εp(t)：
εp(t)＝gp-xp
对广义负载误差εp(t)和它的微分计算出控制器的输出a：
Figure BDA0002755672510000071
其中，kp、kd为控制增益，
Figure BDA0002755672510000072
为广义负载误差εp对时间的微分，
Figure BDA0002755672510000073
为行车实时位置x对时间的微分，
Figure BDA0002755672510000074
为负载角度θ对时间的微分；
控制方法采用干扰观测器构成的前馈补偿器和广义负载位置追踪控制器构成的反馈控制器相结合，根据干扰观测器的输出和广义负载位置追踪控制器的输出来决定下一时刻行车的控制输入，其具体结构框图如图2所示，具体计算公式如下：
Figure BDA0002755672510000075
其中，A(s)为广义负载位置追踪控制器的加速度输出，ε(s)为行车的控制输入；
Figure BDA0002755672510000076
的表达式如下：
Figure BDA0002755672510000077
其中，X(s)为行车实时位置x的拉氏变换，Q(s)为低通滤波器的传递函数，Gn(s)为系统位置名义模型的传递函数，A(s)为广义负载位置追踪控制器的输出a的拉氏变换；
干扰观测器中的滤波器Q(s)设计为一个二阶低通滤波器：
Figure BDA0002755672510000078
合理选择滤波器参数τ，可以很好地抑制外部或者内部扰动，最终确定τ＝0.01s。
基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法是在通过上位机组态软件实现的，计算出的控制量通过PLC输出对应的频率输入到电机的变频器中，从而控制电机转速，完成精准的防摇定位。
如图3所示，基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法，该装置主要包括：PLC控制器、角度测量仪、激光测距仪、变频器、交流异步电机、行车和上位机，PLC控制器和上位机采用科远公司(SCIYON)自主研发的DCS系统中的模块，角度测量仪采用赛特科公司(SATEC)的产品，激光测距仪采用SICK公司的产品。
通过SCIYON的NT6000DCS系统中的上位机组态软件实现基于自适应速度规划的工业行车防摇摆的控制系统算法，其输出与PLC控制器的输入连接，用于将程序下载写入PLC控制器，PLC控制器的输出与变频器的输入连接，实现PLC控制器对变频器的控制，由变频器控制交流异步电机的输出加速度，由交流异步电机驱动可行车按计算的加速度移动，同时可以通过SATEC公司的STAD-2000角度测量仪、SICK公司的DL-100激光测距仪将吊车的实时角度和实时位置传入上位机的实时数据库系统监测吊车的速度和实时角度。

Claims (5)

1.基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法，其特征在于：该控制方法采用干扰观测器构成的前馈补偿器和广义负载位置追踪的反馈控制器相结合，根据补偿器和反馈控制器的输出共同计算下一时刻行车的加速度，具有以下步骤：
步骤1：对行车动力学建模得到传递函数Gp(s)；
步骤2：由激光测距仪和角度测量仪分别测得行车实时位置x和负载角度θ，得出广义负载位置信号gp：
gp＝x+δ(θ)
其中，δ(θ)为一标量函数；
步骤3：计算广义负载误差εp(t)：
εp(t)＝gp-xp
其中，xp为行车目标位置；
步骤4：计算广义负载位置追踪控制器的输出a：
Figure FDA0002755672500000011
其中，kp、kd为控制增益，
Figure FDA0002755672500000012
为广义负载误差εp对时间的微分，
Figure FDA0002755672500000013
为行车实时位置x对时间的微分，
Figure FDA0002755672500000014
为δ(θ)对时间的微分；
步骤5：使用干扰观测器计算得到干扰估计
Figure FDA0002755672500000015
Figure FDA0002755672500000016
其中，X(s)为行车实时位置x的拉氏变换，Q(s)为低通滤波器的传递函数，Gn(s)为系统位置名义模型的传递函数，A(s)为广义负载位置追踪控制器的输出a的拉氏变换；
步骤6：计算下一时刻行车的加速度输入ε(s)：
Figure FDA0002755672500000017
2.根据权利要求1所述的基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法，其特征在于：步骤5中，以行车实时位置x的拉氏变换X(s)为输出，A'(s)作为被控对象的加速度输入，其行车系统位置名义模型的传递函数Gn(s)为
Figure FDA0002755672500000021
3.根据权利要求1所述的基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法，其特征在于：所述的δ(θ)为一标量函数，其计算如下：
δ(θ)＝lsinθ
δ(θ)表示因负载摆动产生的广义位移，l为绳长，其将两个控制变量化为一个控制变量，把行车欠驱动系统转化为全驱动系统。
4.根据权利要求1所述的基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法，其特征在于：所述干扰观测器中的滤波器Q(s)设计为一个二阶低通滤波器：
Figure FDA0002755672500000022
其中，τ为滤波器参数。
5.一种如权利要求1所述的基于干扰观测器和广义负载位置追踪的防摇定位控制方法，其特征在于，该控制方法基于的控制系统包括：PLC控制器、角度测量仪、激光测距仪、变频器、交流异步电机、行车和上位机；通过上位机组态软件实现广义负载位置追踪以及抗干扰的控制系统，上位机的输出端与PLC控制器的输入端连接，用于将程序下载写入PLC控制器，PLC控制器的输出端与变频器的输入端连接，实现PLC控制器对变频器的控制，由变频器控制交流异步电机的速度，由交流异步电机驱动行车按计算的加速度移动，同时通过角度测量仪、激光测距仪将行车的实时角度和实时位置传入上位机的实时数据库系统。
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