CN113213358A - 四自由度塔式吊车系统的饱和pd型滑模控制方法及系统 - Google Patents

四自由度塔式吊车系统的饱和pd型滑模控制方法及系统 Download PDF

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CN113213358A CN202110368274.6A CN202110368274A CN113213358A CN 113213358 A CN113213358 A CN 113213358A CN 202110368274 A CN202110368274 A CN 202110368274A CN 113213358 A CN113213358 A CN 113213358A
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Abstract

本公开提供了一种四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法及系统，获取四自由度塔式吊车系统的参量数据；根据获取的参量数据，得到定位误差向量；利用获取的定位误差向量以及负载摆动角度，根据由PD线性控制部分、滑膜控制部分和消摆控制部分的加和构建的PD型滑模控制模型，得到悬臂控制力拒和台车平移力；根据获取的悬臂控制力拒和台车平移力，进行四自由度塔式吊车系统的控制；只需要定位误差、定位误差的时间导数和负载摆角，与模型参数无关，极大的提高了塔式吊车系统的鲁棒性。

Description

四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法及系统
技术领域
本公开涉及塔式吊车控制技术领域，特别涉及一种四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
PD/PID控制方法具有结构简单，易于工程实现的优点，因此在吊车系统、水面船舶、倒立摆系统、移动机械臂系统等欠驱动机电系统中得到了广泛的应用。作为一类无模型的线性控制方法，PD/PID控制方法的控制增益易于单独调整，在许多情况下可以实现适当的暂态控制性能。然而，模型的不确定性和外部扰动的存在可能会严重影响PD/PID控制方法控制的欠驱动机电系统的控制性能。作为一类典型的欠驱动机电系统，塔式吊车系统工作在复杂的环境中，不可避免地会受到内、外部扰动的影响。因此，在设计控制器时应充分考虑鲁棒性的要求。
为了提高塔式吊车系统的鲁棒性，有研究人员提出了自适应控制方法、模型预测控制方法、基于模糊逻辑的控制方法、基于无源性/能量的控制方法以及基于神经网络的控制方法等几种鲁棒控制方法。需要指出的是，有研究人员为了解决负载质量和摩擦力/力矩相关参数不确定/未知的问题，构造了一种在线估计系统参数的自适应机制。并通过对塔式吊车系统动力学模型做近似化分析，设计了模型预测路径跟踪控制方法以驱动负载跟踪其期望轨迹，从而实现控制目标。除了这些鲁棒控制方法外，滑模控制(SMC)方法也受到塔式吊车领域的广泛关注。
SMC方法以其对不确定动力学、外部扰动和未建模动态等具有很强的鲁棒性而著称。考虑到SMC方法的优点，有研究人员设计了很多不同类型的SMC方法。更准确地说，通过将终端滑模与分数阶导数和积分相结合，并通过构造自适应机制来估计系统参数，设计了终端滑模控制方法，该方法鲁棒性强、瞬态响应快、并且可实现有限时间的收敛。研究人员提出了几种积分SMC方法，在保证精确定位的条件下有效抑制并消除负载摆动。有研究人员引入了一个鲁棒项来处理观测误差，并构造了一种切换逻辑整定方法来更新不确定系统参数。通过构造合适的滑模面，提出了几种非线性SMC方法，实现了满意的跟踪控制性能以及有效的负载摆动抑制与消除。通过引入积分项，在存在未知摩擦力/力矩的情况下，提高了定位精度。
发明人发现，与上述SMC方法相关的一个问题是，其等效控制部分计算困难，需要准确的塔式吊车系统模型知识；另一个问题是，仅能证明滑模面收敛于零，而可驱动状态和不可驱动状态合并到同一个滑模面上，滑模面收敛于零不能保证滑模面上所有状态的收敛性；再一个问题是为了简化控制器的设计和稳定性分析现有控制方法需忽略塔式吊车模型中的一些非线性项；此外，上述SMC方法关注的是控制性能的提高，而非实际的约束问题：控制输入受约束的研究还不够深入，因此很难在实际中得到应用。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法及系统，只需要定位误差、定位误差的时间导数和负载摆角，与模型参数无关，极大的提高了塔式吊车系统的鲁棒性。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法。
一种四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法，包括以下过程：
获取四自由度塔式吊车系统的参量数据；
根据获取的参量数据，得到定位误差向量；
利用获取的定位误差向量以及负载摆动角度，根据由PD线性控制部分、滑膜控制部分和消摆控制部分的加和构建的PD型滑模控制模型，得到悬臂控制力拒和台车平移力；
根据获取的悬臂控制力拒和台车平移力，进行四自由度塔式吊车系统的控制。
进一步的，定位误差向量为悬臂旋转角度与台车位移构成的第一向量同悬臂旋转角度期望值与台车位置期望值构成的第二向量的差值。
进一步的，PD线性控制部分，包括：
Figure BDA0003008285180000031
其中，e为定位误差向量，
Figure BDA0003008285180000032
为定位误差向量的一阶导数，kp和kd为正定的对角增益矩阵。
进一步的，滑膜控制部分，包括：-kssgn(s)，其中ks为正定的对角增益矩阵，s为滑膜面。
进一步的，消摆控制部分，包括：-ke(tanh(θ1)+tanh(θ2))sgn(s)，其中，θ1和θ2为负载摆动角度，ke为正定的对角增益矩阵，s为滑膜面。
更进一步的，滑膜面为
Figure BDA0003008285180000033
其中，e为定位误差向量，
Figure BDA0003008285180000034
为定位误差向量的一阶导数，α正定的对角矩阵。
进一步的，利用饱和函数arctan(·)、tanh(·)和sgn(·)，实现悬臂控制力拒和台车平移力的计算，将输出信号反馈输入到饱和函数arctan(·)、tanh(·)和sgn(·)中，使得悬臂控制力拒和台车平移力的输入控制信号在预设范围内。
本公开第二方面提供了一种四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制系统。
一种四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取四自由度塔式吊车系统的参量数据；
误差向量获取模块，被配置为：根据获取的参量数据，得到定位误差向量；
控制量计算模块，被配置为：利用获取的定位误差向量以及负载摆动角度，根据由PD线性控制部分、滑膜控制部分和消摆控制部分的加和构建的控制模型，得到悬臂控制力拒和台车平移力；
控制模块，被配置为：根据获取的悬臂控制力拒和台车平移力，进行四自由度塔式吊车系统的控制。
本公开第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法中的步骤。
本公开第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，解决了执行器饱和的问题，将输出反馈信号合并到饱和函数(arctan(·)，tanh(·)和sgn(·))中，从而保证了控制输入始终在允许的范围内，提高了控制精度。
2、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，在不进行任何线性化或近似化处理的情况下，对饱和PD-SMC方法控制的四自由度塔式吊车系统的稳定性及收敛性进行了严格的理论分析，即使在状态变量不够接近平衡点的情况下，也能获得令人满意的性能。
3、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，只包含定位误差、定位误差的时间导数和负载摆角，即与模型无关，极大的提高了塔式吊车系统的鲁棒性。
4、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，结构比现有的大多数闭环控制方法的结构简单，更容易在实际应用中实现。
本公开附加方面的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，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1提供的四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法的流程示意图。
图2为本公开实施例1提供的现有自适应控制方法的结果示意图。
图3为本公开实施例1提供的控制方法的结果示意图。
图4为本公开实施例1提供的现有自适应控制方法针对情况1的结果示意图。
图5为本公开实施例1提供的控制方法针对情况1的结果示意图。
图6为本公开实施例1提供的现有自适应控制方法针对情况2的结果示意图。
图7为本公开实施例1提供的控制方法针对情况2的结果示意图。
图8为本公开实施例1提供的现有自适应控制方法针对情况3的结果示意图。
图9为本公开实施例1提供的控制方法针对情况3的结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1所示，本公开实施例1提供了一种四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法，包括以下过程：
获取四自由度塔式吊车系统的参量数据；
根据获取的参量数据，得到定位误差向量；
利用获取的定位误差向量以及负载摆动角度，根据由PD线性控制部分、滑膜控制部分和消摆控制部分的加和构建的PD型滑模控制模型，得到悬臂控制力拒和台车平移力；
根据获取的悬臂控制力拒和台车平移力，进行四自由度塔式吊车系统的控制。
具体的，包括以下内容：
S1：四自由度塔式吊车系统的动力学模型
四自由度塔式吊车系统的动力学模型可描述如下：
Figure BDA0003008285180000071
Figure BDA0003008285180000072
Figure BDA0003008285180000073
Figure BDA0003008285180000074
其中，Mt和mp分别表示台车质量以及负载质量，l和g分别表示吊绳长度以及重力加速度，φ和x分别表示悬臂旋转角度以及台车位移，θ1和θ2为负载摆角，S1，C1，S2，和C2分别表示sin(θ1)，cos(θ1)，sin(θ2)，cos(θ2)的缩写，J为悬臂的惯性力矩，Fφ和Fx分别表示悬臂的控制力矩和台车的平移力，Frφ和Frx分别表示悬臂的摩擦力矩以及台车的摩擦力，其具体表达式如下：
Figure BDA0003008285180000075
Figure BDA0003008285180000076
其中，frφ1，frφ2，ρφ，frx1，frx2，以及ρx分别表示摩擦力矩/力相关的系数。
为简单起见，将式(1)-(4)写为如下矩阵形式：
Figure BDA0003008285180000081
其中，
Figure BDA0003008285180000082
为状态向量，
Figure BDA0003008285180000083
以及
Figure BDA0003008285180000084
分别表示惯性矩阵，向心-柯氏力矩阵，以及重力向量，
Figure BDA0003008285180000085
表示控制输入向量，
Figure BDA0003008285180000086
表示摩擦力向量，这些矩阵和向量的具体表达式如下：
q＝[φ x θ1 θ2]T
＝[q1 q2]T
Figure BDA0003008285180000087
Figure BDA0003008285180000088
G(q)＝[0 0 mpglS1C2 mpglC1S2]T
F＝[Fφ Fx 0 0]T
D＝[Frφ Frx 0 0]T
其中：
Figure BDA0003008285180000089
m12＝-mplS2
m13＝-mpl2C1C2S2
m14＝mpl(C2x+lS1)
m22＝Mt+mp
m23＝mplC1C2
m24＝-mplS1S2
Figure BDA00030082851800000810
m34＝0
m44＝mpl2
Figure BDA0003008285180000091
Figure BDA0003008285180000092
Figure BDA0003008285180000093
Figure BDA0003008285180000094
Figure BDA0003008285180000095
c22＝0
Figure BDA0003008285180000096
Figure BDA0003008285180000097
Figure BDA0003008285180000098
c32＝0
Figure BDA0003008285180000099
Figure BDA00030082851800000910
Figure BDA00030082851800000911
Figure BDA00030082851800000912
Figure BDA00030082851800000913
c44＝0
为促进接下来控制器设计，将四自由度塔式吊车系统的动力学模型(7)分解为：
Figure BDA00030082851800000914
Figure BDA00030082851800000915
式中，
Figure BDA00030082851800000916
以及
Figure BDA00030082851800000917
分别表示可驱动的状态向量以及不可驱动的状态向量，式(8)-(9)中的其它矩阵和向量的表达式如下：
Figure BDA00030082851800000918
Figure BDA00030082851800000919
Figure BDA00030082851800000920
Figure BDA00030082851800000921
Figure BDA00030082851800000922
Figure BDA00030082851800000923
Figure BDA00030082851800000924
G2＝[mpglS1C2 mpglC1S2]T
F1＝[Fφ Fx]T
D1＝[-Frφ -Frx]T
不难看出M22为正定的，因此，(9)式可计算为：
Figure BDA0003008285180000101
将(10)式代入(8)式，可得：
Figure BDA0003008285180000102
其中，
Figure BDA0003008285180000103
Figure BDA0003008285180000104
Figure BDA0003008285180000105
Figure BDA0003008285180000106
随后，定义定位误差向量e＝[eφ ex]T为：
e＝q1-q1d (12)
其中，q1d表示期望的悬臂旋转角度以及期望的台车位置组成的向量，其表达式为：
q1d＝[φd xd]T (13)
其中，φd为期望的悬臂角度，xd为期望的台车位置。
将(12)式代入(11)式，得：
Figure BDA0003008285180000107
受静态扭矩方法的启示，引入一个正定对角矩阵
Figure BDA0003008285180000108
将(14)式进一步整理为：
Figure BDA0003008285180000109
其中，
Figure BDA00030082851800001010
表示集合的扰动向量。
接下来，引入滑模面s＝[s1 s2]T为：
Figure BDA00030082851800001011
其中，α＝diag(α1α2)表示正定的对角矩阵。
假设1：负载的摆角始终在如下范围内：
Figure BDA0003008285180000111
假设2：集合扰动是有界的，数学描述为：
|Δd1|≤βd1,|Δd2|≤βd2 (18)
其中，βd1以及βd2表示集合扰动已知的界限。
S2：饱和PD-SMC方法设计
针对塔式吊车系统的误差模型(15)，设计饱和PD-SMC方法的表达式为：
Figure BDA0003008285180000112
其中，kp＝diag(kp1 kp2)，kd＝diag(kd1 kd2)，ks＝diag(ks1 ks2)，以及ke＝diag(ke1ke2)为正定的对角增益矩阵，那么，悬臂和台车可被驱动至其目标位置，同时可消除负载摆动，即：
Figure BDA0003008285180000113
与此同时，控制输入始终保持在允许的范围内：
||Fφ||≤Fφmax,||Fx||≤Fxmax (21)
控制增益需满足如下条件：
Figure BDA0003008285180000121
其中，控制参数α1，α2，ωφ，以及ωx将在后面定义，Fφmax和Fxmax分别表示最大允许的悬臂以及台车控制输入。
由式(19)可知，所设计的控制方法由三部分组成：PD部分用于稳定被控的塔式吊车系统；滑模控制部分用以对不确定性动态、外部扰动、未建模动态等进行补偿；消摆部分用以提高负载摆动的抑制和消除性能。
S3：闭环系统稳定性分析
首先构造李雅普诺夫候选函数V为：
Figure BDA0003008285180000122
随后，将证明式(23)的前三项是非负的。为此，首先计算式(23)的第二项，得：
Figure BDA0003008285180000131
其中，在推导过程中使用了
Figure BDA0003008285180000132
的性质，0＜ωφ＜＜kp1为辅助常数。
除此之外，式(23)的第三项可计算为：
Figure BDA0003008285180000133
将(24)和(25)式代入式(23)的前三项，可得：
Figure BDA0003008285180000134
由式(22)的条件可知(23)式的前三项是非负的。同理，(23)式的后三项：
Figure BDA0003008285180000135
依旧是非负的，其中0＜ωx＜＜kp2为辅助常数。总的来说，李雅普诺夫候选函数V是非负的。
对式(26)关于时间求导，并将式(15)，(19)的结论代入可得：
Figure BDA0003008285180000136
随后，将讨论(28)式最后一项的符号，基于式(22)的条件，不难得出：
Figure BDA0003008285180000141
除此之外，(28)式的第三项可推导为：
Figure BDA0003008285180000142
此后，基于
Figure BDA0003008285180000143
的性质，(28)式的第一项可计算为：
Figure BDA0003008285180000144
很明显地，
Figure BDA0003008285180000145
在此基础上，(28)式的第四项可整理为：
Figure BDA0003008285180000146
将式(29)-(32)代入式(28)，可知：
Figure BDA0003008285180000147
由式(33)和(22)可知，若如下不等式成立：
Figure BDA0003008285180000148
可直接得出
Figure BDA0003008285180000149
的结论。
为此，考虑如下两种情形。
情形1：
Figure BDA00030082851800001410
在这种情况下，(34)式始终成立。
情形2：
Figure BDA00030082851800001411
在这种情况下，对式(34)整理可得：
Figure BDA00030082851800001412
可知如下不等式始终成立：
Figure BDA00030082851800001413
为保证式(35)成立，一个充分条件是选择kd1使得：
Figure BDA00030082851800001414
将式(22)代入式(26)，易得：
Figure BDA0003008285180000151
这表明，
Figure BDA0003008285180000152
由(37)和(39)式可得：
Figure BDA0003008285180000153
如前所述，若(40)成立，V1(t)可重新整理为：
Figure BDA0003008285180000154
其中，λ1和λ2表示两个正的常数。同理，V2(t)可写为：
Figure BDA0003008285180000155
其中，β1和β2表示两个正的常数。
总的来说，李雅普诺夫候选函数V可计算为：
Figure BDA0003008285180000156
这表明闭环系统是李雅普诺夫稳定的，因此可直接得如下结果：
Figure BDA0003008285180000157
以及：
Figure BDA0003008285180000158
将(45)式分别代入式(5)，(6)，(16)，(19)中，得：
Figure BDA0003008285180000159
将式(45)分别代入(3)和(4)式中，可得：
Figure BDA00030082851800001510
Figure BDA00030082851800001511
紧接着，将式(45)和(43)代入到式(2)中，可知：
Figure BDA0003008285180000161
将式(47)和(48)的结论代入式(49)，有：
Figure BDA0003008285180000162
其中，在推导中使用了
Figure BDA0003008285180000163
的性质，如假设1所述，C2>0始终成立，因此，(50)式可整理为：
Figure BDA0003008285180000164
接下来，根据假设1，式(51)中括号部分始终是正的，因此，下式成立：
Figure BDA0003008285180000165
将式(45)，(46)以及(52)代入式(1)，得：
Figure BDA0003008285180000166
对(53)式两端关于时间积分，可得：
Figure BDA0003008285180000167
其中，c1是一个待确定的常数。
随后，对式(54)关于时间积分，可得：
Figure BDA0003008285180000168
其中，c2表示一个待确定的常数。由(55)式可知，若c1≠0，那么当t→∞时，S2→∞，这与S2∈L∞的事实相矛盾，因此，可得：
c1＝0 (56)
将式(56)代入式(55)，得：
Figure BDA0003008285180000169
将式(52)和(57)的结论代入式(48)，得：
Figure BDA0003008285180000172
其中，在推导过程中使用了假设1的结论。
接下来，由式(19)，易得：
||Fφ||≤kp1+kd1+ks1+ke1 (59)
||Fx||≤kp2+kd2+ks2+ke2 (60)
由式(59)，(60)以及(22)的结论可知：
||Fφ||≤Fφmax (61)
||Fx||≤Fxmax (62)
将式(45)，(52)，(57)，(58)，(61)以及(62)的结论集合起来，可知饱和PD-SMC方法的表达式得证。
S4：实验结果与分析
本实施例给出了几个实验结果以验证所设计的控制方法优异的控制性能和强鲁棒性，自建的塔式吊车系统名义物理参数见表1。
表1：塔式吊车系统名义物理参数
Figure BDA0003008285180000171
为了充分测试所设计控制方法的实际控制性能，进行了两组实验。详细地来说，在实验1中，针对精确的系统参数，将所设计的控制方法与自适应控制方法的控制性能进行了对比。随后，在存在模型不确定性以及外部扰动的情况下，进一步验证了所设计控制方法的鲁棒性。
表2：控制增益
Figure BDA0003008285180000181
表3：量化性能指标
Figure BDA0003008285180000182
S4.1：实验1
实验结果如图2-3所示，相应的量化性能指标见表3，由图2-3和表3可知，在定位误差相似(均在0.8°和0.003m范围内)和运输时间相似(均在4s范围内)的情况下，设计的饱和PD-SMC法(θ1max：0.948°；θ2max：0.835°；θ1res：0.948°；θ2res：0.692°)相比自适应控制方法(θ1max：0.868°；θ2max：0.535°；θ1res：0.732°；θ2res：0.535°)来说，可将负载摆角抑制在一个更小的范围内。此外，所设计的控制方法的最大控制输入远小于对比的自适应控制方法的最大控制输入。这些实验结果表明，所设计的饱和PD-SMC方法具有良好的控制性能。
S4.2：实验2
为了进一步验证所设计的饱和PD-SMC方法的鲁棒性，考虑了如下三种情况。
情况1：负载质量改为2.5kg，而控制增益仍然与表二相同。
情形2：将吊绳长度改为0.35m，同样控制增益与表2相同。
情形3：在2s左右故意对负载摆动施加外部扰动，控制增益与表2保持一致。
仍然选择自适应控制方法作为对比方法。上述三种情况的实验结果如图4-9所示。通过将图5和图7与图3比较，可以看出本实施例设计的饱和PD-SMC控制方法的整体控制性能在不同的系统参数情况下非常的相似，而对比的自适应控制方法显著降低(见图4，图6和图2)，这表明本实施例设计的方法针对模型不确定性具有优越的鲁棒性。另外，通过对比图8和图9可以看出，在存在外部干扰的情况下，所设计的控制方法仍然具有满意的控制性能。从上述分析可以看出，所设计的饱和PD-SMC方法是有效的，且具有较强的鲁棒性。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取四自由度塔式吊车系统的参量数据；
误差向量获取模块，被配置为：根据获取的参量数据，得到定位误差向量；
控制量计算模块，被配置为：利用获取的定位误差向量以及负载摆动角度，根据由PD线性控制部分、滑膜控制部分和消摆控制部分的加和构建的控制模型，得到悬臂控制力拒和台车平移力；
控制模块，被配置为：根据获取的悬臂控制力拒和台车平移力，进行四自由度塔式吊车系统的控制。
所述系统的工作方法与实施例1提供的四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本公开实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法中的步骤。
实施例4：
本公开实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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，所述的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，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法，其特征在于：包括以下过程：
获取四自由度塔式吊车系统的参量数据；
根据获取的参量数据，得到定位误差向量；
利用获取的定位误差向量以及负载摆动角度，根据由PD线性控制部分、滑膜控制部分和消摆控制部分的加和构建的PD型滑模控制模型，得到悬臂控制力拒和台车平移力；
根据获取的悬臂控制力拒和台车平移力，进行四自由度塔式吊车系统的控制。
2.如权利要求1所述的四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法，其特征在于：
定位误差向量为悬臂旋转角度与台车位移构成的第一向量同悬臂旋转角度期望值与台车位置期望值构成的第二向量的差值。
3.如权利要求1所述的四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法，其特征在于：
PD线性控制部分，包括：
Figure FDA0003008285170000011
其中，e为定位误差向量，
Figure FDA0003008285170000012
为定位误差向量的一阶导数，kp和kd为正定的对角增益矩阵。
4.如权利要求1所述的四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法，其特征在于：
滑膜控制部分，包括：-kssgn(s)，其中ks为正定的对角增益矩阵，s为滑膜面。
5.如权利要求1所述的四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法，其特征在于：
消摆控制部分，包括：-ke(tanh(θ1)+tanh(θ2))sgn(s)，其中，θ1和θ2为负载摆动角度，ke为正定的对角增益矩阵，s为滑膜面。
6.如权利要求4或5所述的四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法，其特征在于：
滑膜面为
Figure FDA0003008285170000021
其中，e为定位误差向量，
Figure FDA0003008285170000022
为定位误差向量的一阶导数，α正定的对角矩阵。
7.如权利要求1所述的四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法，其特征在于：
利用饱和函数arctan(·)、tanh(·)和sgn(·)，实现悬臂控制力拒和台车平移力的计算，将输出信号反馈输入到饱和函数arctan(·)、tanh(·)和sgn(·)中，使得悬臂控制力拒和台车平移力的输入控制信号在预设范围内。
8.一种四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制系统，其特征在于：包括：
数据获取模块，被配置为：获取四自由度塔式吊车系统的参量数据；
误差向量获取模块，被配置为：根据获取的参量数据，得到定位误差向量；
控制量计算模块，被配置为：利用获取的定位误差向量以及负载摆动角度，根据由PD线性控制部分、滑膜控制部分和消摆控制部分的加和构建的控制模型，得到悬臂控制力拒和台车平移力；
控制模块，被配置为：根据获取的悬臂控制力拒和台车平移力，进行四自由度塔式吊车系统的控制。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的四自由度塔式吊车系统的饱和PD型滑模控制方法中的步骤。
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