CN113110027A - 一种轨道式斗轮取料机位置切换抗干扰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道式斗轮取料机位置切换抗干扰控制方法。该方法针对轨道式斗轮取料机切换取料点位置任务中，对斗轮取料机的取料斗轮位置精度和响应速度的控制问题，设计线性扩张状态观测器以估计高粉尘多渣土带来的不确定摩擦、以及取料机所带物料质量不同导致的参数不确定性等干扰。所获得的总干扰估计值在主控制回路中补偿后，由PID控制器输出的控制量决定轨道式斗轮取料机的步进、俯仰和回转速度。通过设计观测器和合理选取反馈控制器增益，该方法在控制精度和响应速度方面取得良好的控制效果，同时有效提升了系统的抗干扰性能。

Description

一种轨道式斗轮取料机位置切换抗干扰控制方法

技术领域

本发明涉及一种轨道式斗轮取料机位置切换抗干扰控制方法，属于斗轮取料机位置控制技术领域。

背景技术

料场作为大型储存转运基地，一般存在于港口、钢厂、矿场等场所，用于存放煤矿石、金属矿石等工业原料。工业物料一般以长条型料堆的形式堆放在料场中，轨道式斗轮取料机工作时，轨道式取料机需要沿平行于料条的轨道前进，并同时回转、旋转吊臂使得吊臂末端的斗轮到达给定取料点。取料开始后，斗轮所取出的物料会沿吊臂上的皮带运输到轨道边的固定皮带上，抵达下游生产线。

由于同一料条会被分为不同的料段，用以存放不同产地、不同批次、不同成分的物料。当轨道式斗轮取料机需要调整斗轮到新的取料点时，由于轨道式斗轮取料机运动学方程中存在非线性项；且前一次取料工作未运送到下游皮带上的物料会累积在料机皮带上，导致料机模型参数发生变化；此外由于料机的工作环境高粉尘、多砂土，料机运动期间易受到不确定性摩擦的干扰；故传统的PID控制无法有效克服非线性环节，很难达到所需的位置精度和响应速度。

为了解决该问题，本发明设计线性扩张状态观测器以获得系统内外的总干扰估计值，并在主控制回路中补偿后，由PID控制器输出的控制量决定轨道式斗轮取料机的步进、俯仰和回转速度。通过选取合适的观测器和反馈控制器增益，该方法在控制精度和响应速度方面取得良好的控制效果，同时有效提升了系统的抗干扰性能。

发明内容

为了克服所带物料质量导致的参数不确定性、存在的不确定摩擦等未建模动态和非线性因素带来的干扰，本发明提出一种轨道式斗轮取料机位置切换抗干扰控制方法。在给定斗轮取料机取料位置点三维坐标后，该方法在控制精度和响应速度方面取得良好的控制效果，同时有效提升了系统的抗干扰性能。

为了达到以上目的，本发明采用以下的技术方案：

一种轨道式斗轮取料机位置切换抗干扰控制方法，包括以下步骤：

步骤1：计算出目标点三维直角坐标(x，y，z)对应到斗轮取料机三自由度上的位置量θ₀＝(d_{1_0}；θ_{2_0}；θ_{3_0})：

步骤2：在三个自由度上的位移d₁、回转角度θ₂和俯仰角度θ₃可由传感器测得θ＝(d₁；θ₂；θ₃)，将斗轮取料机目标取料位置坐标θ₀＝(d_{1_0}；θ_{2_0}；θ_{3_0})与采集到的斗轮中心实时坐标位置θ＝(d₁；θ₂；θ₃)作比较，差值作为PID控制器的输入信号；

步骤3：根据取料机动力学模型：

其中d为外部干扰，M(θ)为质量矩阵，

为科罗拉多力矩阵，G(θ)为重力向量，

为总干扰；

步骤4：将传感器测得位移信号、角度信号以及由此得出的速度信号、角速度信号用于扩张状态观测器采用线性扩张状态观测器：

计算总干扰估计值

时，

代表观测出的三个误差分量与真实总扰动的误差，可以得到：

在

条件下，误差均为有界值，其中β₁、β₂、β₃为设计的线性扩张状态观测器增益，

为选取的线性扩张状态观测器状态量，

为对总干扰量的观测值，获得对

的控制量；

步骤5：设计PID控制器，控制器输出为

设定K_p＝ω_c ²，K_d＝2ω_c，其中ω_c为选取的控制回路带宽；选取斗轮取料机模型的输入量为：

当总扰动的估计值收敛于系统真实总扰动时，

由上述理论推导提供一种用于回转取料机位置控制的抗干扰控制系统的示意图，该系统主要包括：

给定运动学方程模块，PID控制器模块，斗轮取料机力矩模型模块，线性扩张状态观测器模块，状态反馈模块。运动学方程模块用于将给定待取料点的三维直角坐标转化为取料机三个自由度上位置变量；PID控制器模块用于接受给定三维直角坐标与反馈直角坐标的差值，输出控制量；线性扩张状态观测器模块用于估计系统总扰动，并在主回路中补偿掉观测扰动；状态反馈模块用于反馈角度信号以及角速度信号。

相对于现有技术，本发明的优点如下：1)该技术方案将系统内部与标准形式不相关的不确定性、非线性以及外部扰动视为总扰动，利用扩张状态观测器对规定的总扰动进行估计并反馈到系统控制回路中进行实时补偿，从而保证参考输入与反馈量的差值作为标准型系统模型的输入量；2)该技术方案使用扩张状态观测器对取料机所带物料质量导致的参数不确定性干扰等、存在的不确定性摩擦干扰等未建模动态和非线性因素进行有效估计，通过选取合适的观测器和反馈控制器增益，该方法在控制精度和响应速度方面取得良好的控制效果，同时有效提升了系统的抗干扰性能。

附图说明

图1为本发明的所述斗轮取料机运动关节的三个自由度；

图2为本发明的所述斗轮机等效模型示意图；

图3为本发明的系统结构框图；

图4为该型控制算法的流程框图；

图5为传统PID控制器与输出反馈作用下的控制效果仿真；

图6为本发明所应用的自抗扰控制的控制效果仿真。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例：参见图1-图6，一种轨道式斗轮取料机位置切换抗干扰控制方法，包括以下步骤：

步骤1：将轨道式斗轮取料机等效为具有三自由度的机器臂模型，获得目标点三维直角坐标对应到三自由度上的位置量θ₀＝(d_{1_0}；θ_{2_0}；θ_{3_0})；

步骤2：根据实时测量的θ＝(d₁；θ₂；θ₃)，计算出θ坐标与θ₀坐标的差值，作为PID控制器的输入x；

步骤3：根据取料机动力学模型：

以及实时测量的θ＝(d₁；θ₂；θ₃)，计算出建模后的质量系数矩阵M(θ)；

改写模型为

其中d为外部干扰，

为总干扰；

步骤4：设计线性扩张状态观测器：

在主回路中补偿总干扰估计值

获得对

的控制量；

步骤5：设计PID控制器。

其中，步骤1中，该模型的运动学方程为：

其中(x，y，z)为目标点三维直角坐标，d₁为大车平移位移量，θ₂、θ₃为两个关节的旋转角度，L₁为行走关节到回转关节的直线长度，L₂为回转机构到连接件的直线长度，L₃为连接件到俯仰机构的直线长度，L₄为俯仰机构到斗轮中心的距离。

步骤1所述机器臂模型具有的三自由度分别为：沿轨道平动、大臂的水平回转运动和大臂俯仰旋转运动。

其中，步骤2中，在三个自由度上的实时位移d₁、回转角度θ₂和俯仰角度θ₃可由传感器测得θ＝(d₁；θ₂；θ₃)，将斗轮取料机目标取料位置坐标θ₀＝(d_{1_0}；θ_{2_0}；θ_{3_0})与采集到的斗轮中心实时坐标位置θ＝(d₁；θ₂；θ₃)作比较，差值作为PID控制器的输入信号。

其中，步骤4中，将传感器测得位移信号、角度信号以及由此得出的速度信号、角速度信号

用于扩张状态观测器采用线性扩张状态观测器：

计算干扰估计值

时，

代表观测出的三个误差分量与真实总扰动的误差，可以得到：

在

条件下，误差均为有界值；其中β₁、β₂、β₃为设计的线性扩张状态观测器增益，

为选取的线性扩张状态观测器状态量，

为对总干扰量的观测值。

其中，步骤5中，设计PID控制器，控制器输出为

其中K_p、K_d分别为比例系数和微分系数，θ₀、

是斗轮机自由度上的目标位置点、目标位置的变化率，θ、

分别为实时位置的变化速率；设定K_p＝ω_c ²，K_d＝2ω_c，其中ω_c为选取的控制回路带宽；选取补偿后的斗轮取料机模型为：

当总扰动的估计值收敛于系统真实总扰动时，

其中u为PID控制器输出，

为观测器估计总扰动，τ₀为补偿扰动后的模型。

设定扩张状态观测器的带宽为ω_o＝(3～5)ω_c，β₁＝3ω_o，β₂＝3ω_o ²，β₃＝ω_o ³，K_p＝ω_c ²，K_d＝2ω_c，其中ω_c为选取的控制回路带宽。该技术方案将系统内部与标准形式不相关的不确定性、非线性以及外部扰动视为总扰动，利用扩张状态观测器对规定的总扰动进行估计并反馈到系统控制回路中进行实时补偿，从而保证参考输入与反馈量的差值作为标准型系统模型的输入量。

具体实施例：参照图1，本实施例中提出的用于回转取料机位置控制的抗干扰控制方法，反馈实时检测回转取料机三个运动维度上的位移以及角度，并运行抗干扰控制方法得到控制量，控制取料机步进和回转的速度来完成取料机回转位置控制的自动化控制。

所述控制方法采用线性扩张状态观测器和传统PID构成的反馈控制器相结合，根据线性扩张状态观测器的输出和PID控制器的输出共同决定下一时刻取料机的步进和回转的速度，具体计算公式如下：

取料机动力学方程为：

式中d为外部干扰，

视作总干扰，θ＝(d₁；θ₂；θ₃)为取料机三个运动维度上的位置量。

控制器输出为

可以设置控制器参数为K_p＝ω_c ²，K_d＝2ω_c。ω_c为系统的控制回路带宽。

线性扩张状态观测器，形式为：

合理设置扩张状态观测器中的参数，扩张状态观测器的带宽为ω_o，则一般取ω_o＝(3～5)ω_c。扩张状态观测器中的参数分别设置为β₁＝3ω_o，β₂＝3ω_o ²，β₃＝ω_o ³。

采用本发明方法的系统如图3所示，在该系统中，传感器可以获得实时的取料机位置信息。

PID控制器的实现，通过坐标变换后的实时三维直角坐标与设定的取料点做差得到差值，并结合整定出的比例系数和微分时间常数计算得出PID控制器的输出量。

线性扩张状态观测器的实现通过采集三个自由度上的位置变量信号获得位置量的一阶导数，根据实际被控对象的模型，经过计算后得到总扰动的估计值。

对于一个L₁＝6m，L₂＝6m，L₃＝5m，L₄＝50m的轨道式斗轮取料机，其质量矩阵：

其中：

m(2，2)＝625m₃；

m(2，3)＝m(3，2)＝-25m₃sinθ₃cosθ₂；

m(3，3)＝m₁+m₂+m₃。

取m₁＝2500kg，m₂＝3000kg，m₃＝3000kg时，对主动抗干扰控制器，设定观测器带宽ω_o＝6，PID控制器K_p＝1.44，K_d＝2.4，K_I＝0；对传统PID控制器设定K_p＝300000，K_d＝0，K_I＝0；并同时对两被控对象角加速度提供幅值为±5×10^-3的正弦干扰时，传统PID控制器对三维直角坐标为(0，1，2)的位置目标点控制效果仿真如图5所示；线性自抗扰控制器对三维直角坐标为(1，2，3)的位置目标点控制效果仿真如图6所示。由图可知，传统PID控制无法使得斗轮机模型位置收敛，难以克服其非线性性质；而自抗扰位置控制算法可以克服其非线性质并有效抵抗二阶干扰，在10秒内到达指定的位置，较好的兼顾了动态调整时间和静态误差。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种轨道式斗轮取料机位置切换抗干扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将轨道式斗轮取料机等效为具有三自由度的机器臂模型，获得目标点三维直角坐标对应到三自由度上的位置量θ₀＝(d_{1_0}；θ_{2_0}；θ_{3_0})；

步骤2：根据实时测量的θ＝(d₁；θ₂；θ₃)，计算出θ坐标与θ₀坐标的差值，作为PID控制器的输入x；

步骤3：根据取料机动力学模型：

以及实时测量的θ＝(d_P；θ₂；θ₃)，计算出建模后的质量系数矩阵M(θ)；

改写模型为

其中d为外部干扰，

为总干扰；

步骤4：设计线性扩张状态观测器：

在主回路中补偿总干扰估计值

获得对

的控制量；

步骤5：设计PID控制器。

2.根据权利要求1所述的一种轨道式斗轮取料机位置切换抗干扰控制方法，其特征在于，步骤1中，该模型的运动学方程为：

其中(x,y,z)为目标点三维直角坐标，d₁为大车平移位移量，θ₂、θ₃为两个关节的旋转角度，L₁为行走关节到回转关节的直线长度，L₂为回转机构到连接件的直线长度，L₃为连接件到俯仰机构的直线长度，L₄为俯仰机构到斗轮中心的距离。

3.根据权利要求2所述的一种轨道式斗轮取料机位置切换抗干扰控制方法，其特征在于，步骤1所述机器臂模型具有的三自由度分别为：沿轨道平动、大臂俯仰旋转运动和大臂的水平回转运动。

4.根据权利要求3所述的一种轨道式斗轮取料机位置切换抗干扰控制方法，其特征在于，步骤2中，在三个自由度上的位移d₁、回转角度θ₂和俯仰角度θ₃可由传感器测得θ＝(d₁；θ₂；θ₃)，将斗轮取料机目标取料位置坐标θ₀＝(d_{1_0}；θ_{2_0}；θ_{3_0})与采集到的斗轮中心实时坐标位置θ＝(d₁；θ₂；θ₃)作比较，差值作为PID控制器的输入信号。

5.根据权利要求4所述的一种轨道式斗轮取料机位置切换抗干扰控制方法，其特征在于，步骤4中，

将传感器测得位移信号、角度信号以及由此得出的速度信号、角速度信号用于扩张状态观测器采用线性扩张状态观测器：

计算干扰估计值

时，

代表观测出的三个误差分量与真实总扰动的误差，可以得到：

在

条件下，误差均为有界值；其中β₁、β₂、β₃为设计的线性扩张状态观测器增益，

为选取的线性扩张状态观测器状态量，

为对总干扰量的观测值。

6.根据权利要求1所述的一种轨道式斗轮取料机位置切换抗干扰控制方法，其特征在于，步骤5中，设计PID控制器，控制器输出为

其中K_p、K_d分别为比例系数和微分系数，θ₀、

是斗轮机自由度上的目标位置点、目标位置的变化率，θ、

分别为实时位置的变化速率；设定K_p＝ω_c ²，K_d＝2ω_c，其中ω_c为选取的控制回路带宽；选取补偿后的斗轮取料机模型为：

当总扰动的估计值收敛于系统真实总扰动时，

其中u为PID控制器输出，

为观测器估计总扰动,τ₀为补偿扰动后的模型。

7.根据权利要求1所述的一种轨道式斗轮取料机位置切换抗干扰控制方法，其特征在于，设定扩张状态观测器的带宽为ω_o＝(3～5)ω_c，β₁＝3ω_o，β₂＝3ω_o ²，β₃＝ω_o ³，K_p＝ω_c ²，K_d＝2ω_c，其中ω_c为选取的控制回路带宽。

Images