CN116605784B - 一种塔式起重机自适应容错控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种塔式起重机自适应容错控制方法及系统，包括：基于拉格朗日方法及实际塔式起重机工作状态，构建塔式起重机动态模型；对平衡位置的塔式起重机动态模型进行线性化处理，并根据塔式起重机的状态信息，构造新的被控变量；基于故障信号将新的被控变量重构成级联形式并设计优化塔式起重机控制器；基于变化率负定原则，设计控制器故障参数的自适应更新律，根据自适应更新律控制塔式起重机达到控制效果。本发明将系统状态信息重构成级联形式，通过自适应更新故障参数，有效解决了执行器突发故障的情况，提高了起重机工作的安全性，进一步对传统方法进行优化，避免了微分爆炸的情况，提高了控制器的效率和性能，保障了起重机的平稳运行。
Description
技术领域
本发明涉及塔式吊车防摇运动控制的技术领域，尤其涉及一种塔式起重机自适应容错控制方法及系统。
背景技术
在日常生活中，起重机发挥着越来越重要的作用，同时也被用于越来越多的场合，由于起重机的工作场所比较复杂，大多处于工作条件恶劣的现场，安全问题会受到突发执行器故障的影响。如何有效的解决系统的执行器故障，是提高起重机安全性首要考虑问题之一。因此通过利用塔式起重机动态模型，根据设计的自适应更新率和优化的反步法控制器达到对塔式起重机良好的控制效果。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了一种塔式起重机自适应容错控制方法及系统解决现有的起重机控制没有考虑执行器故障，安全性差以及无法及时收敛的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种塔式起重机自适应容错控制方法，包括：
基于拉格朗日方法及实际塔式起重机工作状态，构建塔式起重机动态模型；
对平衡位置的塔式起重机动态模型进行线性化处理，并根据塔式起重机的状态信息，构造新的被控变量；
基于故障信号将所述新的被控变量重构成级联形式并设计优化塔式起重机控制器；
基于变化率负定原则，设计所述控制器故障参数的自适应更新律，根据自适应更新律控制塔式起重机达到控制效果。
作为本发明所述的塔式起重机自适应容错控制方法的一种优选方案，其中：所述塔式起重机动态模型表示为：
其中，M为小车的质量，m为负载的质量，l为小车与吊钩之间的绳长，x为小车定位，α为悬臂旋转角度，θ1和θ2分别为投射到与吊臂平行的垂直平面上的角度和投射到垂直于悬臂的垂直平面上的角度，J0为旋转方向转动惯量，F为x方向的驱动力，FF为x方向的故障，T为α方向的驱动力，TF为悬臂方向的故障。
作为本发明所述的塔式起重机自适应容错控制方法的一种优选方案，其中：还包括：对平衡位置的塔式起重机动态模型进行线性化处理，表示为：
其中，M为小车的质量，m为负载的质量，l为小车与吊钩之间的绳长，x为小车定位，α为悬臂旋转角度，θ1和θ2分别为投射到与吊臂平行的垂直平面上的角度和投射到垂直于悬臂的垂直平面上的角度，J0为旋转方向转动惯量，F为x方向的驱动力，FF为x方向的故障，T为α方向的驱动力，TF为悬臂方向的故障。
作为本发明所述的塔式起重机自适应容错控制方法的一种优选方案，其中：根据塔式起重机的状态信息，构造新的被控变量，包括：对塔式起重机的悬臂角度、小车位移及负载的两个摆角的变量进行新的构造，表示为：
其中，xd为小车期望位置。
作为本发明所述的塔式起重机自适应容错控制方法的一种优选方案，其中：基于故障信号将所述新的被控变量重构成级联形式，表示为：
其中，kF为执行机构的第一有效性且kF∈[0,1]，kT为执行机构的第二有效性且kT∈[0,1]，ΛF为执行机构第一偏执故障，ΛT为执行机构第二偏执故障。
作为本发明所述的塔式起重机自适应容错控制方法的一种优选方案，其中：设计优化塔式起重机控制器，包括：将塔式起重机控制器的每一步虚拟控制律通过低通滤波器进行滤波处理得到新的虚拟控制律；
设计的塔式起重机控制器，表示为：
其中，λ4＞0，γ4＞0，τ31∈(0,2)，e4＝δ4-δ4d，e3＝δ3-δ3d，ρ4＝Y41-Y41d，ρ3＝Y31-Y31d。
作为本发明所述的塔式起重机自适应容错控制方法的一种优选方案，其中：根据自适应更新律控制塔式起重机达到控制效果，包括：基于变化率负定原则，设计故障参数的自适应更新律，表示为：
其中，F为x方向的驱动力，T为α方向的驱动力；
根据所述自适应更新律利用塔式起重机进行分析，当定位距离和悬臂定位距离一定时，通过坐标系的坐标变换投射得到与吊臂平行的垂直平面上的角度θ1和投射到垂直于悬臂的垂直平面上的角度θ2的振幅判断摆角抑制效果。
第二方面，本发明实施例提供了一种塔式起重机自适应容错控制系统，包括：
模型搭建模块，用于基于拉格朗日方法及实际塔式起重机工作状态，构建塔式起重机动态模型；
预处理模块，用于对平衡位置的塔式起重机动态模型进行线性化处理，并根据塔式起重机的状态信息，构造新的被控变量；
第一设计模块，用于基于故障信号将所述新的被控变量重构成级联形式并设计优化塔式起重机控制器；
第二设计模块，用于基于变化率负定原则，设计所述控制器故障参数的自适应更新律，根据自适应更新律控制塔式起重机达到控制效果。
第三方面，本发明实施例提供了一种计算设备，包括：
存储器和处理器；
所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如本发明任一实施例所述的塔式起重机自适应容错控制方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现所述塔式起重机自适应容错控制方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明将系统状态信息重构成级联形式，通过自适应更新故障参数，有效解决了执行器突发故障的情况，提高了起重机工作的安全性；进一步对传统方法进行优化，避免了微分爆炸的情况，系统状态有限时间收敛到目标值，提高了控制器的效率和性能，保障了起重机的平稳运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例所述的一种塔式起重机自适应容错控制方法及系统的塔式起重机结构原理图；
图2为本发明一个实施例所述的一种塔式起重机自适应容错控制方法及系统的流程示意图；
图3为本发明一个实施例所述的一种塔式起重机自适应容错控制方法及系统的模拟平台编码器逻辑图；
图4为本发明一个实施例所述的一种塔式起重机自适应容错控制方法及系统的仿真效果对比图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1～2，为本发明的一个实施例，该实施例提供了一种塔式起重机自适应容错控制方法，包括：
S1:基于拉格朗日方法及实际塔式起重机工作状态，构建塔式起重机动态模型；
更进一步的，塔式起重机动态模型表示为：
其中，M为小车的质量，m为负载的质量，l为小车与吊钩之间的绳长，x为小车定位，α为悬臂旋转角度，θ1和θ2分别为投射到与吊臂平行的垂直平面上的角度和投射到垂直于悬臂的垂直平面上的角度，J0为旋转方向转动惯量，F为x方向的驱动力，FF为x方向的故障，T为α方向的驱动力，TF为悬臂方向的故障。
应说明的是，塔式起重机动态模型的构建考虑了实际应用中负载的转动惯量等特性，并且其非线性特性充分贴切实际起重机。
S2:对平衡位置的塔式起重机动态模型进行线性化处理，并根据塔式起重机的状态信息，构造新的被控变量；
更进一步的，还包括：对平衡位置的塔式起重机动态模型进行线性化处理，表示为：
其中，M为小车的质量，m为负载的质量，l为小车与吊钩之间的绳长，x为小车定位，α为悬臂旋转角度，θ1和θ2分别为投射到与吊臂平行的垂直平面上的角度和投射到垂直于悬臂的垂直平面上的角度，J0为旋转方向转动惯量，F为x方向的驱动力，FF为x方向的故障，T为α方向的驱动力，TF为悬臂方向的故障。
更进一步的，根据塔式起重机的状态信息，构造新的被控变量，包括：对塔式起重机的悬臂角度、小车位移及负载的两个摆角的变量进行新的构造，表示为：
其中，xd为小车期望位置。
S3:基于故障信号将新的被控变量重构成级联形式并设计优化塔式起重机控制器；
更进一步的，基于故障信号将新的被控变量重构成级联形式，表示为：
其中，kF为执行机构的第一有效性且kF∈[0,1]，kT为执行机构的第二有效性且kT∈[0,1]，ΛF为执行机构第一偏执故障，ΛT为执行机构第二偏执故障。
具体的，选取的故障信号，表示为：
FF＝kFF+ΛF
TF＝kTT+ΛT
其中，kF为执行机构的第一有效性且kF∈[0,1]，kT为执行机构的第二有效性且kT∈[0,1]，ΛF为执行机构第一偏执故障，ΛT为执行机构第二偏执故障。
更进一步的，设计优化塔式起重机控制器，包括：将塔式起重机控制器的每一步虚拟控制律通过低通滤波器进行滤波处理得到新的虚拟控制律；
具体的，虚拟控制律优化过程表示为：
其中，τ31∈(0,2),e3＝δ3-δ3d,/>ρ3＝Y31-Y31d，/>
更进一步的，设计的塔式起重机控制器，表示为：
其中，λ4＞0，γ4＞0，τ31∈(0,2)，e4＝δ4-δ4d，e3＝δ3-δ3d，ρ4＝Y41-Y41d，ρ3＝Y31-Y31d。
S4:基于变化率负定原则，设计控制器故障参数的自适应更新律，根据自适应更新律控制塔式起重机达到控制效果；
更进一步的，根据自适应更新律控制塔式起重机达到控制效果，包括：基于变化率负定原则，设计故障参数的自适应更新律，表示为：
其中，F为x方向的驱动力，T为α方向的驱动力；
较佳的，根据自适应更新律利用塔式起重机进行分析，当定位距离和悬臂定位距离一定时，通过坐标系的坐标变换投射得到与吊臂平行的垂直平面上的角度θ1和投射到垂直于悬臂的垂直平面上的角度θ2的振幅判断摆角抑制效果。
应说明的是，结合自适应更新律和优化的反步法控制器，避免了常规反步法中的微分爆炸问题，减弱了执行器故障对系统的影响，加快了系统的收敛速度。
上述为本实施例的一种塔式起重机自适应容错控制方法的示意性方案。需要说明的是，该一种塔式起重机自适应容错控制系统的技术方案与上述的塔式起重机自适应容错控制方法的技术方案属于同一构思，本实施例中塔式起重机自适应容错控制系统的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见上述塔式起重机自适应容错控制方法的技术方案的描述。
本实施例中一种塔式起重机自适应容错控制系统，包括：
模型搭建模块，用于基于拉格朗日方法及实际塔式起重机工作状态，构建塔式起重机动态模型；
预处理模块，用于对平衡位置的塔式起重机动态模型进行线性化处理，并根据塔式起重机的状态信息，构造新的被控变量；
第一设计模块，用于基于故障信号将新的被控变量重构成级联形式并设计优化塔式起重机控制器；
第二设计模块，用于基于变化率负定原则，设计控制器故障参数的自适应更新律，根据自适应更新律控制塔式起重机达到控制效果。
本实施例还提供一种计算设备，适用于塔式起重机自适应容错控制方法的情况，包括：
存储器和处理器；存储器用于存储计算机可执行指令，处理器用于执行计算机可执行指令，实现如上述实施例提出的塔式起重机自适应容错控制方法。
该计算机设备可以是终端，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例提出的实现塔式起重机自适应容错控制方法。
本实施例提出的存储介质与上述实施例提出的数据存储方法属于同一发明构思，未在本实施例中详尽描述的技术细节可参见上述实施例，并且本实施例与上述实施例具有相同的有益效果。
实施例2
参照图3～4，为本发明的一个实施例，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用传统反步法与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
基于实际起重机的工作状态，利用运动控制板、工控机、起重机，上位机搭建塔式起重机硬件模拟平台，结合如图3所示的模拟平台编码器内部逻辑，本发明实施例利用了四个绝对编码器，包括吊钩角度编码器100、负载角度编码器101、位移编码器102、悬臂旋转角度编码器103，实时测量吊钩与负载的角度值，小车与导轨的位移以及悬臂旋转的角度，本发明实施例第一驱动单元104和第二驱动单元105，使用反馈小车位移的绝对编码器和反馈悬臂旋转角度的编码器。
塔式起重机硬件模拟平台的数据交互由一块运动控制板卡106与工控机107完成，三个编码器所测得的数据输入运动控制板卡106，通过运动控制板卡106将数据传输到工控机107中，利用工控机107端的MATLAB仿真模块对反馈的数据进行整合处理，采样周期为0.005s，形成实时控制信号，运动控制板卡106将所产生的信号反馈到第一驱动单元104和第二驱动单元105驱动起重机运动。
控制器参数设置为：λ1＝2.5,λ2＝1.2,λ3＝1.2,λ4＝30.7；γ1＝3,γ2＝0.3,γ3＝0.3,γ4＝30.7；
利用传统反步法控制器与本发明方法的控制器进行实验，传统反步法的控制公式为：
需要说明的是，为保证实验验证的公平性，对比控制器所采取的各项参数取值与本发明各项参数取值保持一致。
本发明实施例所用故障函数取值如下：
利用上述构建的实验平台计算使用本发明方法与传统反步法控制器所用方法的振幅，对比结果如表1所示：
表1效果对比
通过表1并结合图4可以看出，在存在执行器故障的情况下，传统反步法在定位方面会受到故障的影响，在目标位置处反复波动，无法稳定在目标位置。采用本发明方法的控制方法，塔式起重机系统状态可以快速到达目标位置，并且不会因为执行器故障而引起小车和悬臂在到达目标位置之后的往复运动，同时可以达到很好的消摆效果。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种塔式起重机自适应容错控制方法，其特征在于，包括：
基于拉格朗日方法及实际塔式起重机工作状态，构建塔式起重机动态模型；所述塔式起重机动态模型表示为：
其中，M为小车的质量，m为负载的质量，l为小车与吊钩之间的绳长，x为小车定位，α为悬臂旋转角度，θ1和θ2分别为投射到与吊臂平行的垂直平面上的角度和投射到垂直于悬臂的垂直平面上的角度，J0为旋转方向转动惯量，F为x方向的驱动力，FF为x方向的故障，T为α方向的驱动力，TF为悬臂方向的故障；
对平衡位置的塔式起重机动态模型进行线性化处理，并根据塔式起重机的状态信息，构造新的被控变量；包括：对塔式起重机的悬臂角度、小车位移及负载的两个摆角的变量进行新的构造，表示为：
其中，xd为小车期望位置；
基于故障信号将所述新的被控变量重构成级联形式并设计优化塔式起重机控制器；基于故障信号将所述新的被控变量重构成级联形式，表示为：
其中，kF为执行机构的第一有效性且kF∈[0,1]，kT为执行机构的第二有效性且kT∈[0,1]，ΛF为执行机构第一偏执故障，ΛT为执行机构第二偏执故障；
将塔式起重机控制器的每一步虚拟控制律通过低通滤波器进行滤波处理得到新的虚拟控制律；
虚拟控制律优化过程表示为：
其中，τ31∈(0,2),e3＝δ3-δ3d,/>ρ3＝Y31-Y31d，
设计的塔式起重机控制器，表示为：
其中，λ4＞0，γ4＞0，τ31∈(0,2)，e4＝δ4-δ4d，e3＝δ3-δ3d，ρ4＝Y41-Y41d，ρ3＝Y31-Y31d；
基于变化率负定原则，设计所述塔式起重机控制器故障参数的自适应更新律，根据自适应更新律控制塔式起重机达到控制效果；根据自适应更新律控制塔式起重机达到控制效果，包括：基于变化率负定原则，设计故障参数的自适应更新律，表示为：
其中，F为x方向的驱动力，T为α方向的驱动力；
根据所述自适应更新律利用塔式起重机进行分析，当定位距离和悬臂定位距离一定时，通过坐标系的坐标变换投射得到与吊臂平行的垂直平面上的角度θ1和投射到垂直于悬臂的垂直平面上的角度θ2的振幅判断摆角抑制效果。
2.如权利要求1所述的塔式起重机自适应容错控制方法，其特征在于，还包括：对平衡位置的塔式起重机动态模型进行线性化处理，表示为：
其中，M为小车的质量，m为负载的质量，l为小车与吊钩之间的绳长，x为小车定位，α为悬臂旋转角度，θ1和θ2分别为投射到与吊臂平行的垂直平面上的角度和投射到垂直于悬臂的垂直平面上的角度，J0为旋转方向转动惯量，F为x方向的驱动力，FF为x方向的故障，T为α方向的驱动力，TF为悬臂方向的故障。
3.一种塔式起重机自适应容错控制系统，其特征在于，包括：
模型搭建模块，用于基于拉格朗日方法及实际塔式起重机工作状态，构建塔式起重机动态模型；所述塔式起重机动态模型表示为：
其中，M为小车的质量，m为负载的质量，l为小车与吊钩之间的绳长，x为小车定位，α为悬臂旋转角度，θ1和θ2分别为投射到与吊臂平行的垂直平面上的角度和投射到垂直于悬臂的垂直平面上的角度，J0为旋转方向转动惯量，F为x方向的驱动力，FF为x方向的故障，T为α方向的驱动力，TF为悬臂方向的故障；
预处理模块，用于对平衡位置的塔式起重机动态模型进行线性化处理，并根据塔式起重机的状态信息，构造新的被控变量；包括：对塔式起重机的悬臂角度、小车位移及负载的两个摆角的变量进行新的构造，表示为：
其中，xd为小车期望位置；
第一设计模块，用于基于故障信号将所述新的被控变量重构成级联形式并设计优化塔式起重机控制器；基于故障信号将所述新的被控变量重构成级联形式，表示为：
其中，kF为执行机构的第一有效性且kF∈[0,1]，kT为执行机构的第二有效性且kT∈[0,1]，ΛF为执行机构第一偏执故障，ΛT为执行机构第二偏执故障；
将塔式起重机控制器的每一步虚拟控制律通过低通滤波器进行滤波处理得到新的虚拟控制律；
虚拟控制律优化过程表示为：
其中，τ31∈(0,2),e3＝δ3-δ3d,/>ρ3＝Y31-Y31d，
设计的塔式起重机控制器，表示为：
其中，λ4＞0，γ4＞0，τ31∈(0,2)，e4＝δ4-δ4d，e3＝δ3-δ3d，ρ4＝Y41-Y41d，ρ3＝Y31-Y31d；
第二设计模块，用于基于变化率负定原则，设计所述控制器故障参数的自适应更新律，根据自适应更新律控制塔式起重机达到控制效果；根据自适应更新律控制塔式起重机达到控制效果，包括：基于变化率负定原则，设计故障参数的自适应更新律，表示为：
其中，F为x方向的驱动力，T为α方向的驱动力；
根据所述自适应更新律利用塔式起重机进行分析，当定位距离和悬臂定位距离一定时，通过坐标系的坐标变换投射得到与吊臂平行的垂直平面上的角度θ1和投射到垂直于悬臂的垂直平面上的角度θ2的振幅判断摆角抑制效果。
4.一种电子设备，包括：
存储器和处理器；
所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1至2任意一项所述塔式起重机自适应容错控制方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1至2任意一项所述塔式起重机自适应容错控制方法的步骤。
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