CN114195009B - 基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法及系统 - Google Patents

基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于塔式吊车防摆技术领域，公开了一种基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法及系统，构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型，基于所述动力学模型利用新型非线性函数改进自抗扰控制器；构建改进型扩张观测器，根据改进的自抗扰控制器与改进型的扩张观测器进行双摆塔式吊车的防摆控制。本发明能够抑制塔式吊车的二级摆动，在具有二级摆效应的塔式吊车的防摆与快速定位控制上具有可行性、有效性，并使塔吊系统具有较强的鲁棒性能。本发明的控制器的对模型参数不敏感，具有一定的抗干扰能力，在合理的参数设定下适用于各类塔式吊车防摆吊运场景，可以有效提高生产效率与安全性能。

Description

基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法及系统
技术领域
本发明属于塔式吊车防摆技术领域，尤其涉及一种基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法及系统。
背景技术
目前，我国开始迈着坚定不移的步伐从制造业大国向着制造业强国的目标挺进。塔式吊车作为制造业中广泛应用的运输设备也在向智能化、高效化、安全化转变着。塔式吊车作为一种典型的欠驱动系统，由电机驱动台车及塔臂进行往复、回转运动，具有占地面积小、能够显著提高生产效率等特点因而广泛应用于各类工程场所。
在实际生产中所用的起重机械，根据其机械结构及应用场景的不同，可分为两大类：(1)以梁式吊车、龙门吊车为代表的桥式类型起重机；(2)以塔式吊车、悬臂吊车为代表的臂架式类型起重机。因吊车独立控制变量个数小于系统自由度个数均被归纳为欠驱动系统。相较于全驱系统，欠驱动系统具有更强的灵活性、机电硬件系统集成度高且成本低廉，但随着系统自由度的增加，其控制难度也相应提升。工业生产中，塔式吊车最为常见。塔式吊车在完成提升动作后的吊运过程中由回转机构、及台车驱动机构中的伺服电机进行运输控制。操作人员通过电机驱动塔臂及台车进行变加速运动将负载运输到目标位置时，负载及吊钩会在下列场景中发生不可避免且难以消除的二级摆效应：(1)吊钩与负载质量相近而不能忽略吊钩质量时；(2)负载质量不均匀、尺寸较大不能看成质点时，此时系统的非线性动力学特性更为明显。二级摆塔式吊车系统具有两个控制输入(台车驱动力及塔臂回转力)，但负载及吊钩在塔臂与塔身平面内外的摆角不能被直接控制，即系统输出端具有六个自由度(台车变幅位移、塔臂回转角度、吊钩在旋臂与塔身平面内摆角、吊钩在旋臂与塔身平面摆角、负载在旋臂与塔身平面内摆角、负载在旋臂与塔身平面外摆角)。仅靠人工经验通过静置或反向驱动消除二级摆角非但降低生产效率还会增加安全隐患。有数据表明，2000年到2012年间我国因起重机械相关的安全事故致死人数达1175人。
因此设计出一种可以快速定位塔臂及台车且能够有效消除二级摆动的控制器，对于学术界及工程界具有着显著的科研意义和实际价值。为降低各式吊车工作过程中的安全隐患，学者们提出了各类的解决方案，从改进机械结构及材料方面出发的被动控制方法根据机械系统结构特性来改变塔式吊车的某些部位的质量、钢度和阻尼从而达到消耗振动能量进而抑制塔吊系统摆角的目的。
主动控制主要有以下三类控制方式：(1)依赖于传感器的闭环控制策略,常见的方法有：PID控制、SMC控制、模糊控制。(2)以最优轨迹为代表的开环控制方法，但是此类方法数学推导过程较为复杂，难以在工业生产中实现。(3)光滑整形技术利用具有平滑特性的函数来引导系统的快速响应和缓慢制动满足抑制塔吊吊物振动的需求。现有大量研究将塔吊吊物均视为一级摆动，亦或将桥式吊车的吊运过程视为二维运动。而具有二级摆效应的塔式吊车的耦合性、欠驱动性更高，极大地增加了其模态分析与控制器设计的难度，因此针对塔吊双摆定位与防摆控制方法很少。同时，人工操作塔吊吊运负载时，需驱使台车至目标位置后进行塔臂回转，这一操作将会增加吊运时间，降低生产效率。此外，已有的研究对塔式吊车二级摆动进行消除后忽略了系统中仍然存在的“抖震”现象，若未消除的“抖震”的频率与外界频率一致，塔身将会出现谐振，增加了负载摆动的不可控性，诱发钢丝绳打扭、负载脱落等安全事故甚至造成塔身倾覆事故。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有技术没有针对塔吊双摆定位与防摆控制。
(2)现有依靠人工控制塔吊吊运负载的方法，吊运时间长，效率不高，且不能实现台车及塔臂的精准定位与控制。
(3)现有的塔式吊车二级摆动消除方法其消除效果不佳，不能抑制二级摆效应，且抗干扰性能不佳，安全系数低。
解决以上问题及缺陷的难度为：
具有二级摆效应的塔式吊车是具有很强非线性性的欠驱动系统。因此难以对其进行模态分析进而设计控制器，目前相关研究文献很少。
解决以上问题及缺陷的意义为：
本发明可以实现塔式吊车台车及塔臂同时快速定位时对二级摆的抑制。可有效缩短调吊运时间，提高生产效率；抑制二级摆角及抖震，降低吊物因摆幅过大从而泼洒、跌落的安全风险。
现有根据塔吊双摆动力学模型的建立的防摆控制方法的SCI论文。但本发明的方法经数值仿真对比拥有更好的防摆性能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法。
本发明是这样实现的，一种基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法，包括：
步骤一，构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型，基于所述动力学模型利用新型非线性函数改进自抗扰控制器；
步骤二，构建改进型扩张观测器，根据改进的自抗扰控制器与改进型的扩张观测器进行双摆塔式吊车的防摆控制。
进一步，所述步骤一构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型包括：
根据拉格朗日方程建立二级摆塔式吊车系统的动力学模型如下：
Figure SMS_1
Figure SMS_2
Figure SMS_3
Figure SMS_4
Figure SMS_5
Figure SMS_6
其中，J0表示塔吊旋臂转动惯量；M表示台车质量；m1表示吊钩质量；m2表示负载质量；x表示台车沿塔臂方向上的位移；α表示旋臂回转角度；l1表示台车与吊钩间的绳长；l2表示吊钩与负载间的绳长；Fx表示台车变幅驱动力；θ1表示吊钩在旋臂与塔身平面内摆角；θ2表示吊钩在旋臂与塔身平面外摆角；θ3表示负载在旋臂与塔身平面内摆角；θ4表示负载在旋臂与塔身平面内摆角；g表示重力加速度。
进一步，所述步骤一基于所述动力学模型利用新型非线性函数改进自抗扰控制器包括：
利用新型非线性kas(e,γ,δ)函数改进自抗扰控制器，得到基于比例微分控制形式的线性积分串联型控制器。
进一步，所述kas(e,γ,δ)函数如下：
Figure SMS_7
其中，e表示误差信号，γ表示非线性因子，δ表示线性段的区间跨度。
进一步，所述步骤一利用新型非线性函数改进自抗扰控制器还包括：
(1)构建微分跟踪器：
Figure SMS_8
其中，v(k)为输入信号微分后离散量，x(k)为函数x(t)在kh时刻的值，fsg(j,d)＝(sign(j+d)-sign(j-d))/2；fhan(x1,x2,r1,h0)表示最速综合函数，用于快速跟踪目标值输入，其公式可表示为：
Figure SMS_9
其中，h表示采样间隔时间；r用于决定控制器的响应速度；h0＝n*h，n取1～20整数；
(2)构建基于新型光滑函数即非线性kas(e,γ,δ)函数的非线性状态误差反馈控制律：
Figure SMS_10
其中，0＜a1＜1＜a2；k1、k3、k5表示比例调节因子；k2、k4、k6表示微分调节因子；kas(e,γ,δ)函数表示改进后的幂次函数；u1表示3组级联的非线性PD控制率的叠加输出；z1、z2为扩张观测器的输出值；v表示微分跟踪器输出值。
进一步，所述步骤二改进型扩张观测器如下：
Figure SMS_11
其中，β01、β02、β03、β04表示增益参数；z1(k),z2(k)表示塔吊系统的状态；z3(k)表示被改进后的扩张状态；；b0表示补偿因子；x1(k)在此系统中表示变幅位移的离散量；γ01、γ02表示非线性因子，取值范围在0～1之间。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法的基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制系统，所述基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制系统包括：
动力学模型构建模块，用于构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型；
控制优化模块，用于将控制器转化为基于比例微分控制形式的非线性积分串联型控制器进行吊车的控制；
状态估计模块，用于利用改进型扩张观测器进行状态估计。
本发明的另一目的在于提供一种基于所述基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法的台车定位及塔臂回转控制方法，所述台车定位及塔臂回转控制方法包括：
步骤一，构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型，基于所述动力学模型利用新型非线性函数改进自抗扰控制器；
步骤二，构建改进型扩张观测器，控制目标对关键参数进行整定，进行台车定位及塔臂回转控制。
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法，包括下列步骤：
步骤一，构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型，基于所述动力学模型利用新型非线性函数改进自抗扰控制器；
步骤二，构建改进型扩张观测器，根据改进的自抗扰控制器与改进型的扩张观测器进行双摆塔式吊车的防摆控制。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供了一种基于改进型自抗扰控制器，能够抑制塔式吊车的二级摆动，在具有二级摆效应的塔式吊车的防摆与快速定位控制上具有可行性、有效性，并使塔吊系统具有较强的鲁棒性能。
本发明可以保证台车及塔臂精准定位的同时，且能够有效抑制二级摆效应：
(1)本发明使用了光滑非线性函数来改善系统摆角在零点上下的高频震颤，避免了消除摆角后的“抖震”现象。
(2)本发明构造了新型扩张状态观测器，能够提高塔臂及台车同时定位的收敛响应速度，同时提升定位精度。
本发明的控制器的对模型参数不敏感，具有一定的抗干扰能力，在合理的参数设定下适用于各类塔式吊车防摆吊运场景，可以有效提高生产效率与安全性能。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法流程图。
图2是本发明实施例提供的自抗扰控制器示意图。
图3是本发明实施例提供的基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制系统结构示意图；
图中：1、动力学模型构建模块；2、控制优化模块；3、状态估计模块。
图4是本发明实施例提供的进行台车定位及塔臂回转控制方法流程图。
图5是本发明实施例二提供的改进型粒子群算法寻优的流程图。
图6是本发明实施例位移响应曲线对比图。
图7是本发明实施例塔臂回转响应曲线对比图。
图8是本发明实施例吊钩在平面内摆角对比图。
图9是本发明实施例吊钩在平面外摆角对比图。
图10是本发明实施例负载在平面内摆角对比图。
图11是本发明实施例负载在平面外摆角对比图。
图12是本发明实施例两函数在给定δ＝0.1；γ＝0.25时的响应对比曲线图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法包括：
S101，构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型，基于所述动力学模型利用新型非线性函数改进自抗扰控制器；
S102，构建改进型扩张观测器，根据改进的自抗扰控制器与改进型的扩张观测器进行双摆塔式吊车的防摆控制。
本发明实施例提供的构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型包括：
根据拉格朗日方程建立二级摆塔式吊车系统的动力学模型如下：
Figure SMS_12
Figure SMS_13
Figure SMS_14
Figure SMS_15
Figure SMS_16
Figure SMS_17
其中，J0表示塔吊旋臂转动惯量；M表示台车质量；m1表示吊钩质量；m2表示负载质量；x表示台车沿塔臂方向上的位移；α表示旋臂回转角度；l1表示台车与吊钩间的绳长；l2表示吊钩与负载间的绳长；Fx表示台车变幅驱动力；θ1表示吊钩在旋臂与塔身平面内摆角；θ2表示吊钩在旋臂与塔身平面外摆角；θ3表示负载在旋臂与塔身平面内摆角；θ4表示负载在旋臂与塔身平面内摆角；g表示重力加速度。
本发明实施例提供的基于所述动力学模型利用新型非线性函数改进自抗扰控制器包括：
利用新型非线性kas(e,γ,δ)函数改进自抗扰控制器，得到基于比例微分控制形式的线性积分串联型控制器。
本发明实施例提供的kas(e,γ,δ)函数如下：
Figure SMS_18
其中，e表示误差信号；γ表示非线性因子；δ表示线性段的区间跨度。
本发明实施例提供的利用新型非线性函数改进自抗扰控制器还包括：
(1)构建微分跟踪器：
Figure SMS_19
其中，v(k)为输入信号微分后离散量；x(k)为函数x(t)在kh时刻的值；fsg(j,d)＝(sign(j+d)-sign(j-d))/2；fhan(x1,x2,r1,h0)表示最速综合函数，用于快速跟踪目标值输入，其公式可表示为：
Figure SMS_20
其中，h表示采样间隔时间；r用于决定控制器的响应速度；h0＝n*h，n取1～20整数；
(2)构建基于新型光滑函数即非线性kas(e,γ,δ)函数的确定非线性反馈控制律：
Figure SMS_21
其中，0＜a1＜1＜a2；k1、k3、k5表示比例调节因子；k2、k4、k6表示微分调节因子；b0表示补偿因子；kas(e,γ,δ)函数表示改进后的幂次函数；u1表示3组级联的非线性PD控制率的叠加输出。z1、z2为扩张观测器的输出值；v表示微分跟踪器输出值。
本发明实施例提供的改进型扩张观测器如下：
Figure SMS_22
其中，β01、β02、β03、β04表示参数；z1(k),z2(k)表示塔吊系统的状态；z3(k)表示被改进后的扩张状态；x1(k)在此系统中变幅位移的离散量；γ01、γ02表示非线性因子，取值范围在0～1之间。
如图3所示，本发明实施例提供的基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制系统包括：
动力学模型构建模块1，用于构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型；
控制优化模块2，用于将控制器转化为基于比例微分控制形式的非线性积分串联型控制器进行吊车的控制；
状态估计模块3，用于利用改进型扩张观测器进行状态估计。
如图4所示，本发明实施例提供的进行台车定位及塔臂回转控制方法包括：
S201，构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型，基于所述动力学模型利用新型非线性函数改进自抗扰控制器；
S202，构建改进型扩张观测器，控制目标对关键参数进行整定，进行台车定位及塔臂回转控制。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1：
步骤一：根据拉格朗日方程建立二级摆塔式吊车系统的动力学模型
Figure SMS_23
Figure SMS_24
Figure SMS_25
Figure SMS_26
Figure SMS_27
Figure SMS_28
为方便控制器设计，可将动力学模型改写为状态空间模型：
Figure SMS_29
其中，Ua＝[Tα Fx]T，q1＝[α x θ1 θ2 θ3 θ4]，
Figure SMS_30
f(t)＝[d1 d2 d3 d4 d5 d6]，
上式中的b和d的详细表示如下:
Figure SMS_31
b12＝b21＝0，
Figure SMS_32
b31＝0，
Figure SMS_33
b42＝b51＝b52＝b51＝b62＝0
Figure SMS_34
Figure SMS_35
步骤二：使用新型非线性函数改进自抗扰控制器
在传统二阶自抗扰控制器中的扩展状态观测器(ESO)以及非线性反馈控制率(NLSEF)使用了非线性的分段fal(e,γ,δ)函数，此函数用于消除原点附近的高频震颤。其中，e为误差信号；γ为非线性因子；δ的取值决定了非线性段的区间跨度，fal(e,γ,δ)函数在e位于±δ点处并不能平滑过渡，从而使控制器输出值模型的力矩曲线容易产生振荡现象，毁坏控制系统性能。kas(e,γ,δ)函数作为一种新型的非线性平滑曲线，可以有效提升控制器精度及性能。kas(e,γ,δ)函数由线性段和正弦段拟合而成，kas(e,γ,δ)函数的表达式为：
Figure SMS_36
其中，e表示误差信号；γ表示非线性因子；δ表示线性段的区间跨度。为验证kas(e,γ,δ)函数相较于fal(e,γ,δ)函数的改善程度，图12为两函数在给定δ＝0.1；γ＝0.25时的响应对比曲线。
由图12可知，kas(e,γ,δ)函数能够明显解决原fal(e,γ,δ)函数不能平滑过渡的问题，可有效地提升控制器抑制高频震颤的性能。使用了平滑过渡的kas(e,γ,δ)函数的控制器可以有效提升塔吊二级摆系统的稳态性能及控制精度，实现无静差控制，且能使系统抑制“抖震”具有一定的抗外扰性能。
微分跟踪器(TD)的离散形式可表达为：
Figure SMS_37
式中，fhan(x1,x2,r1,h0)为最速综合函数，用于快速跟踪目标值输入，其公式可表示为:
Figure SMS_38
fsg函数定义如下:
fsg(j,d)＝(sign(j+d)-sign(j-d))/2           (11)
其中，h为采样间隔时间；r决定了控制器的响应速度；h0＝n*h，n取1～20整数，影响控制器消除噪声扰动能力，取值不当将会引发系统相位偏移。
本发明基于新型光滑函数即非线性kas(e,γ,δ)函数的非线性反馈控制率(NLSEF)的离散形式表达如下：
Figure SMS_39
该模块将系统控制系统转化为基于比例微分控制(PD)形式的线性积分串联型，用于抑制内外不确定扰动。
式中，0＜a1＜1＜a2；k1、k3、k5为比例调节因子；k2、k4、k6为微分调节因子；b0为补偿因子；kas(e,γ,δ)函数为改进后的幂次函数。u1为3组级联的非线性PD控制率的叠加输出；z1、z2为扩张观测器的输出值；v表示微分跟踪器输出值。
步骤三：改进型扩张观测器的设计
扩张状态观测器(ESO)的主要作用是根据当前的台车驱动力Fx的输入量与模型反馈的台车位移变量x，估计出系统的总扰动和未知扰动，进而输入到控制器用于补偿误差。因此，控制效果是否精准取决于扩张状态观测器能否无差跟踪系统各阶状态。
在经典扩张状态观测器中z1(k)跟踪系统输入信号，z2(k)跟踪系统输出的信号的微分量，z3(k)为扩张状态观测器估计出的总扰动值。而本系统中的台车变幅位移x的微分信号的离散形式x2(k)在控制器的设计过程中也是具有物理意义的，台车运动的速度曲线与运动轨迹是否线性且平滑也将影响最终控制效果。因此，x2(k)应当作为观测值z2(k)的目标跟随信号，本发明设计的改进后的扩张状态观测器表达式如下：
Figure SMS_40
其中，β01、β02、β03、β04四个参数的选取可以使得ESO能够很好地实时估计塔吊系统的状态z1(k),z2(k)和被改进后的扩张状态z3(k)。x1(k)表示此系统中变幅位移的离散量；γ01、γ02为非线性因子取值范围在0～1之间；δ1与kas函数中的δ功能相同。
本发明的公式字符含义如下：
其中：M表示台车质量(单位：kg)；m1表示吊钩质量(单位：kg)；m2表示负载质量(单位：kg)；x表示台车沿塔臂方向上的位移(单位：m)；α表示旋臂回转角度(单位：rad)；l1表示台车与吊钩间的绳长(单位：m)；l2表示吊钩与负载间的绳长(单位：m)；Fx表示台车变幅驱动力(单位：N)；Tα表示塔臂回转驱动力(单位：N)；J0表示塔吊旋臂转动惯量量(单位：kg·m2)；θ1表示吊钩在旋臂与塔身平面内摆角(单位为：rad)；θ2表示吊钩在旋臂与塔身平面外摆角(单位为：rad)；θ3表示负载在旋臂与塔身平面内摆角(单位为：rad)；θ4表示负载在旋臂与塔身平面内摆角(单位为：rad)；g表示重力加速度(单位为：N/kg)。
上述说明均以塔式吊车变幅子系统的改进型自抗扰控制器为例进行阐述，回转自抗扰子系统与前者结构与算法完全一致，只需对关键参数按照控制目标进行整定。
实施例2
塔式吊车控制系统的硬件包括：上位机、PLC控制器、电源模块、倾角传感器、电机驱动模块、塔式吊车样机、模数转换器。
所述的塔式吊车二级摆系统自抗扰控制器的工作流程为：预先设定台车目标位置及塔臂回旋角度；PLC负责控制算法的实现；在定位与防摆过程中，由上位机计算当前闭环反馈的塔臂及台车速度信号；再由电机驱动模块通过脉冲宽度调制速度信号后输入到电机以驱动电机工作，与此同时，倾角传感器实时采集负载及吊钩的倾角状态并上传至PLC处理也作为闭环控制中电机输出力矩的参考。
表1系统设备清单
Figure SMS_41
新的改进方案：由于自抗扰控制器所需整定的参数较多，且人工整定较为困难。本发明使用改进型粒子群算法对自抗扰控制器进行优化，其基本思想是：通过群体中个体之间的协作和信息共享来寻找最优解。改进型粒子群算法寻优的流程图如图5所示。
下面结合具体实验数据对本发明的积极效果作进一步描述。
为验证本发明提出的控制方法的有效性，将本方法与滑模变结构控制(slidingmode control,SMC)、线性二次型调节器(Linear quadratic regulator,LQR)的控制效果进行比较。设定目标位移为0.6m；塔臂目标回转角度为30deg。保持物理量不变且充分调试参数后做出以下仿真实验。如图6位移响应曲线对比图。图7塔臂回转响应曲线对比图；图8吊钩在平面内摆角对比图；图9吊钩在平面外摆角对比图；图10负载在平面内摆角对比图；图11负载在平面外摆角对比图。
将对比结果量化后可以得到表2
表2所提方法与现有方法量化对比结果
Figure SMS_42
对比结果显示，本发明方法不但能够实现快速定位，在抑制摆角方面也具有优越的性能，系统收敛速度快，稳态控制与动态控制都更为出色。运用到工程实际中，可有效提升生产效率，避免因负载吊钩摆角过大导致的安全事故发生。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法，其特征在于，所述基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法包括：
步骤一，构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型，基于所述动力学模型利用新型非线性函数改进自抗扰控制器；
步骤二，构建改进型扩张观测器，根据改进的自抗扰控制器与改进型的扩张观测器进行双摆塔式吊车的防摆控制；
所述步骤一构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型包括：
根据拉格朗日方程建立二级摆塔式吊车系统的动力学模型如下：
Figure QLYQS_1
 ；
Figure QLYQS_2
；
Figure QLYQS_3
Figure QLYQS_4
 ；
Figure QLYQS_5
Figure QLYQS_6
 ；
Figure QLYQS_7
；
Figure QLYQS_8
；
其中，J0表示塔吊旋臂转动惯量；Mt表示台车质量；m1表示吊钩质量；m2表示负载质量； x表示台车沿塔臂方向上的位移；xd表示台车的期望位移；α表示旋臂回转角度；l1表示台车与吊钩间的绳长；l2表示吊钩与负载间的绳长；Fx表示台车变幅驱动力；θ1表示吊钩在旋臂与塔身平面内摆角；θ2表示吊钩在旋臂与塔身平面外摆角；θ3表示负载在旋臂与塔身平面内摆角；θ4表示负载在旋臂与塔身平面内摆角；g表示重力加速度；
所述步骤一基于所述动力学模型利用新型非线性函数改进自抗扰控制器包括：
利用新型非线性kas(e,γ,δ)函数改进自抗扰控制器，得到基于比例微分控制形式的非线性积分串联型控制器；
所述kas(e,γ,δ)函数如下：
Figure QLYQS_9
；
其中，e表示误差信号，γ表示非线性因子，δ表示线性段的区间跨度。
2.如权利要求1所述基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法，其特征在于，所述步骤一利用新型非线性函数改进自抗扰控制器还包括：
（1）构建微分跟踪器：
Figure QLYQS_10
；
其中，v(k)为输入信号微分后离散量，x(k)为函数x(t)在kh时刻的值，
Figure QLYQS_11
；
Figure QLYQS_12
表示最速综合函数，用于快速跟踪目标值输入，其公式可表示为：
Figure QLYQS_13
；
其中，h表示采样间隔时间；r用于决定控制器的响应速度；h0=n*h，n取1~20整数；
（2）构建基于新型光滑函数即非线性kas(e,γ,δ)函数的非线性状态误差反馈控制律：
Figure QLYQS_14
；
其中，
Figure QLYQS_15
；k1、k3、k5表示比例调节因子；k2、k4、k6表示微分调节因子；kas(e,γ,δ)函数表示改进后的幂次函数；u1表示3组级联的非线性PD控制率的叠加输出；z1、z2为扩张观测器的输出值；v表示微分跟踪器输出值。
3.如权利要求1所述基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法，其特征在于，所述步骤二改进型扩张观测器如下：
Figure QLYQS_16
；
其中，β01、β02、β03、β04表示增益参数；z1(k)、z2(k)表示塔吊系统的状态；z3(k)表示被改进后的扩张状态；b0表示补偿因子；x1(k)在此系统中表示变幅位移的离散量；x2(k)表示变幅速度的离散量；δ1、δ2表示kas(·)函数的线性区间；h表示系统的采样周期；Fx表示系统输入的台车变幅驱动力；γ01、γ02表示非线性因子，取值范围在0~1之间。
4.一种实施如权利要求1-3任意一项所述基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法的基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制系统，其特征在于，所述基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制系统包括：
动力学模型构建模块，用于构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型；
控制优化模块，用于将控制器转化为基于比例微分控制形式的非线性积分串联型控制器进行吊车的控制；
状态估计模块，用于利用改进型扩张观测器进行状态估计。
5.一种应用如权利要求1-3任意一项所述基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法的台车定位及塔臂回转控制方法，其特征在于，所述台车定位及塔臂回转控制方法包括：
步骤一，构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型，基于所述动力学模型利用新型非线性函数改进自抗扰控制器；
步骤二，构建改进型扩张观测器，控制目标对关键参数进行整定，进行台车定位及塔臂回转控制。
6.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行如权利要求1-3任意一项所述基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法，包括下列步骤：
步骤一，构建塔式吊车二级摆效应的动力学模型，基于所述动力学模型利用新型非线性函数改进自抗扰控制器；
步骤二，构建改进型扩张观测器，根据改进的自抗扰控制器与改进型的扩张观测器进行双摆塔式吊车的防摆控制。
7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1-3任意一项所述基于自抗扰控制器的双摆塔式吊车的防摆控制方法。
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