帶有狀態(tài)約束的三維橋式吊車增強耦合非線性控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于欠驅動三維橋式吊車系統(tǒng)控制的帶有狀態(tài)約束的增強耦合 非線性的控制方法，屬于三維橋式吊車系統(tǒng)非線性控制技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著社會的進步，橋式吊車系統(tǒng)作為大型的運輸工具已廣泛的應用在石油、化工、 港口、鐵路、建筑工地等場合。到目前為止，由于吊車系統(tǒng)高性能控制方法的缺失，大多數(shù)吊 車仍由有經驗的工作人員操作。但是，訓練這些操作人員需要耗費大量的時間并且人工操 作具有效率低下、定位精度差、易發(fā)生誤操作等缺點?？紤]到人工操作的弊端，國內外眾多 學者致力于高性能控制方法的研宄。吊車系統(tǒng)的控制目標為快速精確的將臺車運送至目標 位置同時有效抑制并消除負載的擺動（參見文獻1)。然而，橋式吊車系統(tǒng)是一類典型的欠 驅動系統(tǒng)，操作人員僅能操作臺車的運動而無法直接對負載的擺動施加控制，因此同時得 到臺車的精確定位和抑制負載擺動的目標是非常困難的（參見文獻2)。
[0003] 近年來，研宄人員針對欠驅動吊車系統(tǒng)的消擺定位控制問題提出了一系列有意義 的控制方法。其中，最常用的控制方法為無反饋信號的開環(huán)控制方法。典型的開環(huán)控制方 法有：最優(yōu)控制（參見文獻3、4和5)、輸入整形（參見文獻6-11)、軌跡規(guī)劃方法（參見文 獻12-16)。CN102795544B公開的《基于軌跡在線規(guī)劃的橋式吊車高效消擺控制方法》。這 些開環(huán)控制方法具有算法簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。然而，開環(huán)控制方法的性能嚴重的依賴 于吊車模型的精確程度，當模型參數(shù)（如繩長）不確定時此方法很難消除由吊車系統(tǒng)內部 或者外部擾動引起的誤差，其控制性能會大打折扣。與開環(huán)控制方法相比，閉環(huán)控制方法 引入了反饋信號。因此，閉環(huán)控制方法對內部或外部擾動不敏感。文獻17以及文獻18利 用吊車系統(tǒng)自身的無源特性提出了比例微分（PD)控制器、能量平方（E 2)耦合控制器、動 能耦合（KEC)控制器，得到了非線性控制器耦合性越強吊車系統(tǒng)的暫態(tài)響應性能越好的結 論。其中控制器結構簡單，易于工程實現(xiàn)，但其消擺性能較差；E 2親合控制器和KEC耦合 控制器可以改善消擺控制性能，但是結構較復雜且嚴重依賴吊車系統(tǒng)模型參數(shù)，不易于工 程實現(xiàn)。為增強耦合，文獻19-21針對二維橋式吊車系統(tǒng)提出了一系列增強耦合非線性的 控制方法，通過在控制率中添加一些與模型參數(shù)相關的項，改善了系統(tǒng)暫態(tài)控制性能，但相 應的增加了其設計方法的復雜性，并且這些方法極易受到系統(tǒng)模型參數(shù)不確定性的影響。 CN104129712A公開的《一種增強抗擺的橋式吊車調節(jié)控制方法》、CN102765665A公開的《基 于負載廣義運動的橋式吊車非線性耦合控制方法》。文獻22和23提出了在系統(tǒng)參數(shù)（如 負載質量、繩長）不確定的情況時，利用目標軌跡自適應跟蹤的方法，可以同時保證臺車精 確定位與有效消除負載擺動的自適應控制方法，根據(jù)系統(tǒng)響應對吊繩長度等參數(shù)進行在線 估計，并實時的調整控制輸出，提高了整個系統(tǒng)對外界環(huán)境的適應性，且該方法額外考慮了 復雜摩擦力以及空氣阻力的影響。文獻24和25研宄出了一種可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的自適 應滑模控制方法，在一定程度上緩解了常規(guī)滑?？刂品椒ǖ亩墩駟栴}，但在證明系統(tǒng)穩(wěn)定 性時，需忽略閉環(huán)系統(tǒng)中的部分非線性耦合項，若系統(tǒng)的狀態(tài)偏離平衡點，這些方法的控制 性能將大打折扣。除了上述的基于模型的控制方法外，智能控制方法如模糊控制（參見文 獻26和27)已成功的應用于吊車系統(tǒng)中。
[0004] 以上增強耦合非線性的控制方法都是針對二維橋式吊車系統(tǒng)提出的，僅能保證誤 差信號（包括臺車位移與目標位置之差和擺角）漸進收斂于0,而無法保證運輸過程中誤 差信號的范圍。吊車在軌道上運動，而這個軌道的長度是受實際物理約束的。當設定的目 標點接近軌道的邊緣或者控制增益沒有調節(jié)好時，臺車可能會超出允許的范圍，造成碰撞 事故（參見文獻29);從安全性的角度來說，負載的擺角應控制在一定的范圍內，因此臺車 運輸過程中，保證誤差信號的范圍在設定范圍內是非常重要的。在實際應用中，二維橋式吊 車一次只能沿著一個方向移動，工作效率較低。為提高系統(tǒng)的工作效率，需要將負載的X軸 方向（水平方向）運送與Y軸方向（豎直方向）運送同時進行，因此研宄三維橋式吊車系 統(tǒng)具有很重要的意義。三維橋式吊車系統(tǒng)有兩個控制輸入（施加于臺車上的力F x、Fy，見圖 1)，4個系統(tǒng)待控自由度（臺車位移x、y，負載擺角0x、0 y，見圖1)。相較二維吊車系統(tǒng)而 言三維吊車系統(tǒng)具有更多的狀態(tài)變量，并且每個狀態(tài)變量的耦合性、非線性更強，使得其控 制器的設計更加的困難。
[0005] 針對二維橋式吊車系統(tǒng)已有的控制方法應用于三維橋式吊車系統(tǒng)中存在的無法 保證誤差信號范圍、工作效率低的問題，提出一種帶有狀態(tài)約束的三維橋式吊車系統(tǒng)增強 耦合非線性的控制方法，該方法穩(wěn)定性高、魯棒性和暫態(tài)控制性能好，并且可保證整個運輸 過程中誤差信號始終在允許的范圍內。
[0006] 其中：
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