基于消擺信號的橋式起重機(jī)非線性控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種非線性欠驅(qū)動領(lǐng)域的自動控制方法，具體是一種基于消擺信號的 欠驅(qū)動橋式起重機(jī)非線性控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 橋式起重機(jī)是一種典型的非線性、強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動系統(tǒng)，它具有負(fù)載能力強(qiáng)、操作 靈活、節(jié)能顯著等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)場所，比如工廠、車間、碼頭等，完成 貨物的運(yùn)送與集成加工等任務(wù)。橋式起重機(jī)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)貨物的快速、準(zhǔn)確、無大幅擺動點(diǎn) 對點(diǎn)運(yùn)送。然而，對于橋式起重機(jī)而言，臺車的運(yùn)動無疑會引起負(fù)載的擺動，這不僅會降低 整體的效率，影響負(fù)載在落吊過程中的精確放置，還可能引發(fā)碰撞而造成安全事故。
[0003] 就目前而言，絕大多數(shù)的起重機(jī)還依靠人工操作，系統(tǒng)的操作效率完全依賴于工 人的熟練程度及工作經(jīng)驗(yàn)。在操作起重機(jī)時(shí)，一方面需要實(shí)現(xiàn)臺車的快速準(zhǔn)確定位，以滿足 運(yùn)送負(fù)載的要求；另一方面，則需要有效地抑制負(fù)載的擺動，實(shí)現(xiàn)"無擺"或"微擺"操作。然 而，對于人工操作這種常規(guī)的操作方式存在諸多不足，比如：生產(chǎn)效率低、消擺效果差、定位 精度差、對操作人員的技術(shù)要求高、長期工作可能引發(fā)疲勞等等。因此，亟需提出安全高效 自動消擺定位的自動控制方法，以提高系統(tǒng)的工作效率。
[0004] 許多學(xué)者對橋式起重機(jī)的自動控制展開了研宄[1-7]，對于已有橋式起重機(jī)系統(tǒng) 的控制方法大多只考慮臺車的精確定位，而忽略了運(yùn)輸過程中負(fù)載擺動的抑制以及殘余擺 動的消除。特別地，當(dāng)臺車到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，現(xiàn)有方法無法保證負(fù)載無殘余擺動，從而降低 了系統(tǒng)的運(yùn)輸效率。如文獻(xiàn)[3]所提出的數(shù)種基于能量的控制方法，在負(fù)載消擺方面效果 均不理想。不僅如此，現(xiàn)有方法大多用途單一，只能用于調(diào)節(jié)控制或只能用于軌跡跟蹤控制 [1] [3] [5-7]。鑒于此原因，本發(fā)明針對有效消除負(fù)載擺動的問題提出了一種抗擺定位控制 方法，該方法既可用于橋式起重機(jī)的調(diào)節(jié)控制也可用于橋式起重機(jī)的軌跡跟蹤控制，以提 高橋式起重機(jī)的工作效率及安全性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是解決已有控制方法存在消擺性能差、運(yùn)輸效率低、用途單一的不 足，為欠驅(qū)動橋式起重機(jī)系統(tǒng)提供一種具有增強(qiáng)消擺性能的控制方法，本方法不僅適用于 調(diào)節(jié)控制，而且適用于軌跡跟蹤控制，克服了上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，具有定位精度高、消擺 效果好、運(yùn)輸效率高、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明通過分析臺車運(yùn)動與負(fù)載擺動之間的耦合關(guān)系，提出了一種具有抑制擺動 功能的消擺信號，根據(jù)該消擺信號構(gòu)造出一種新穎的定位誤差信號，在此基礎(chǔ)上提出了一 種既可用于調(diào)節(jié)控制，又能用于軌跡跟蹤控制的橋式起重機(jī)控制方法，旨在提高控制系統(tǒng) 的暫態(tài)性能，同時(shí)增強(qiáng)抑制負(fù)載擺動的能力。
[0007] 本發(fā)明提供的基于消擺信號的橋式起重機(jī)非線性控制方法，為解決上述技術(shù)問題 包括以下步驟：
[0008] 步驟1、消擺信號的選取
[0009] 為了提高橋式起重機(jī)系統(tǒng)抑制運(yùn)輸過程中負(fù)載擺動的性能，利用臺車與負(fù)載之間 的耦合關(guān)系提出如下具有消擺功能的消擺信號
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于消擺信號的橋式起重機(jī)非線性控制方法，包括以下步驟： 步驟1、消擺信號的選取 為了提高橋式起重機(jī)系統(tǒng)抑制運(yùn)輸過程中負(fù)載擺動的性能，利用臺車與負(fù)載之間的耦 合關(guān)系提出如下具有消擺功能的消擺信號χε:
其中，θ (t)為吊繩與豎直方向的夾角
關(guān)于時(shí)間的積分；變量后的 (t)表示該參數(shù)是時(shí)變的，為簡明起見，公式中已略去（t); 步驟2、新穎誤差信號的確定 基于上述消擺信號，定義如下新穎的誤差信號ξ α)，及其前兩階導(dǎo)數(shù)信號⑴：
其中，Xd(t)表示臺車的參考軌跡（xd為常量時(shí)為調(diào)節(jié)控制；xd為變量時(shí)為跟蹤控制）， 夫/(0，之(0分別表示參考軌跡的速度與加速度；40,對4對0分別為臺車的位移、速度及加 速度；火0為負(fù)載擺動的角速度；衣，),#(〇分別為Ut)關(guān)于時(shí)間的一階、二階導(dǎo)數(shù)；1^表 示正的控制增益； 對于臺車的參考軌跡Xd(t)，當(dāng)Xd為常量時(shí)為調(diào)節(jié)控制，即直接選取X d= p d，其中pdS 臺車的目標(biāo)位置；當(dāng)xd(t)為變量時(shí)為跟蹤控制，xd(t)需滿足如下條件： 1. xd(t)及其前兩階導(dǎo)數(shù)信號勾(0，之(0需均有界，即 2) 在有限的時(shí)間tf內(nèi)，xd(t)收斂于目標(biāo)位置pd，其中起始時(shí)間為0時(shí)刻，起始位置為 〇 ； 3) 當(dāng)臺車到達(dá)目標(biāo)位置以后，即當(dāng)t>tf時(shí)，W) = W) = 〇; 步驟3、控制器的確定 確定一種定位精度高、消擺效果好，而且既可用于調(diào)節(jié)控制也可用于軌跡跟蹤控制的 非線性耦合控制器Fx (t)如下：
其中，，ke為正的控制增益；廠,.(〇,"狀Uf, A分別表示如下的函數(shù)： Fx=F-Fr (5) m( Θ ) = M+msin2 Q ⑷
式中，F(xiàn)(t)表示電機(jī)所提供的驅(qū)動力；匕⑴表示臺車與橋架之間的摩擦力；M, m分別 為臺車與負(fù)載質(zhì)量；1為吊繩長度；g為重力加速度； 步驟4、控制方法的實(shí)現(xiàn) 首先，將本發(fā)明應(yīng)用于實(shí)際橋式起重機(jī)之前，需選擇合適的摩擦力補(bǔ)償環(huán)節(jié)用于補(bǔ)償 臺車與橋架之間的摩擦力，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明選擇如下軌道摩擦力補(bǔ)償項(xiàng)以補(bǔ)償臺車 與橋架之間的摩擦力Fr (t):
其中：γ為摩擦參數(shù)，通過離線實(shí)驗(yàn)事先標(biāo)定獲得；tanh( ·)為雙曲正切函數(shù)； 為臺車速度； 接下來借助傳感器獲取所需的狀態(tài)信號，根據(jù)實(shí)際的起重機(jī)系統(tǒng)選取合適的系統(tǒng)參數(shù) 及控制增益，根據(jù)式（15)實(shí)時(shí)計(jì)算得到相應(yīng)的控制信號，即可實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控 制，完成系統(tǒng)的運(yùn)輸任務(wù)。
【專利摘要】基于消擺信號的橋式起重機(jī)非線性控制方法。針對欠驅(qū)動橋式起重機(jī)系統(tǒng)，提出了一種基于消擺信號的非線性控制方法，該方法相比已有方法具有良好的暫態(tài)性能和抑制負(fù)載擺動的性能。該方法包括：設(shè)計(jì)了一個(gè)具有消擺功能的消擺信號，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了一個(gè)新穎的定位誤差信號；提出了一種既可用于調(diào)節(jié)控制也可用于軌跡跟蹤控制的控制方法。相比已有的控制方法，該方法不僅放寬了控制器的使用范圍，而且提高了系統(tǒng)的暫態(tài)性能，大大提高了系統(tǒng)的控制效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了本發(fā)明所提出的控制方法的控制效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【IPC分類】B66C13-18
【公開號】CN104528528
【申請?zhí)枴緾N201410389899
【發(fā)明人】何熊熊, 武憲青, 歐縣華, 史秀蘭
【申請人】浙江工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年8月8日