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原文传递一种单参数调整的欠驱动吊车作业全过程自抗扰控制方法

专利名称：	一种单参数调整的欠驱动吊车作业全过程自抗扰控制方法
摘要：	本发明公布了一种单参数调整的欠驱动吊车作业全过程自抗扰控制方法，其特征在于：根据台车起始及目标位置，考虑台车速度、加速度及作业环境等安全性约束条件，生成效率优先的台车理想作业轨迹，并和台车实际位置进行对比后，构造台车运动的误差反馈控制律；根据吊车负载摆动状态方程设计扩张状态观测器，并构造抑制负载摆动的误差反馈控制律，进而形成不依赖于系统模型参数、且能有效抑制扰动的台车作业轨迹和负载摆动自抗扰控制器；使用Hurwitz稳定矩阵特征值和控制系统增益产生关联，使繁琐的控制系统参数调整转化为很容易实施的单参数调整，实现了在模型参数不确定及外界干扰下吊车能全过程按照设定的理想轨迹运行，并使摆角尽可能小。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	中南大学
发明人：	肖友刚;卢浩;朱铖臻;余驿;廖彦;韩锟
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-17T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-21T00:00:00+0800
申请号：	CN201910306471.8
公开号：	CN109911773A
分类号：	B66C13/48(2006.01);B;B66;B66C;B66C13
申请人地址：	410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南路932号
主权项：	1.一种单参数调整的欠驱动吊车作业全过程自抗扰控制方法，其特征在于，该方法包括：步骤A、根据欠驱动吊车运动特点，建立欠驱动吊车的动力学方程；步骤B、根据台车起始及目标位置，考虑台车的速度、加速度及作业环境等安全性约束条件，设计台车理想轨迹自动生成器TTAG，生成效率优先的台车理想作业轨迹，并和台车实际位置进行对比后，设计台车作业轨迹的误差反馈控制律；步骤C、考虑绳长、负载、空气阻力、系统参数等不确定性因素影响负载摆动，且负载摆动角度和角速度难以测量的问题，根据负载摆动的状态方程设计实时估计负载摆动状态的扩张状态观测器，并设计抑制负载摆动的误差反馈控制律；步骤D、将台车作业轨迹的误差反馈控制律和抑制负载摆动的误差反馈控制律进行合成，得出台车运动的综合控制律，并形成不依赖于系统模型参数、结构简单且能有效抑制扰动影响的台车作业轨迹和吊车摆动自抗扰控制器；步骤E、使用Hurwitz稳定矩阵的特征值和控制系统增益产生关联，将繁琐的控制系统参数调整转化为很容易实施的单参数调整。 2.根据权利要求1所述的一种单参数调整的欠驱动吊车作业全过程自抗扰控制方法，其特征在于，在所述步骤B中，台车理想作业轨迹及台车作业轨迹误差反馈控制律的具体设计过程为：根据环境风速、周围障碍物情况，选择台车的作业方式，在不同作业方式下，为提高作业效率，设定台车均以该作业方式下的额定速度和额定加速度运行，具体作业指标为：台车额定加速度为ae，额定速度为ve，台车作业起点和终点位置处的速度均为0，台车作业距离为s，根据台车的作业指标确定台车的理想作业轨迹方程，分如下二种情况：当s≤ve2/ae时，台车的理想作业轨迹方程为：当s>ve2/ae时，台车的理想作业轨迹方程为：根据台车的理想作业轨迹方程，确定任意时刻台车的理想位移信号v1和理想速度信号v2，而台车的实际位移信号x1和实际速度信号x2很容易测得，则任意时刻台车实际位置信号与理想位置信号的误差为ε1＝x1-v1，实际速度信号与理想速度信号的误差为ε2＝x2-v2，以台车加速度u1为控制量，设计台车作业轨迹的误差反馈控制律： u1＝k1·ε1+k2·ε2＝k1·(x1-v1)+k2·(x2-v2) (3) 式中，k1和k2为相应的控制量增益系数。 3.根据权利要求1所述的一种单参数调整的欠驱动吊车作业全过程自抗扰控制方法，其特征在于，在所述步骤C中，负载摆动状态的扩张状态观测器及误差反馈控制律的具体设计过程为：根据欠驱动吊车的动力学方程得出负载摆动的状态方程：其中，θ1为吊绳X方向摆角，θ2为吊绳X方向摆动角速度，θ3为系统总和扰动，w1为系统扰动，u为X方向的小车加速度作为控制量，b为控制量增益；根据负载摆动状态方程设计线性扩张状态观测器LESO：其中，z1是负载摆角θ1的状态估计，z2是负载摆动角速度θ2的状态估计，z3是负载摆动状态总和扰动θ3的状态估计，β01，β02，β03是三阶线性扩张状态观测器参数，b0是扩张状态观测器增益，采用实际控制量增益，即b0＝-1/l，并根据实际绳长实时更新；线性扩张状态观测器的参数β01、β02、β03根据数值计算步长h确定，即：吊车作业过程中，要求任意时刻负载摆动的角度和角速度尽可能小，因此其目标值均为0，据此将抑制负载摆动的误差控制律设计为： 4.根据权利要求1所述的一种单参数调整的欠驱动吊车作业全过程自抗扰控制方法，其特征在于，在所述步骤D中，所述的台车运动综合控制律及自抗扰控制器的设计过程为：将台车作业轨迹的误差反馈控制律和抑制负载摆动的误差反馈控制律进行合成，作为台车运动综合控制量： u＝u1+u2＝k1·(v1-x1)+k2·(v2-x2)+k3·z1+k4·z2-z3/b0 (8) 吊车作业全过程自抗扰控制器设计包括台车作业轨迹控制环设计及负载摆动控制环设计，作业轨迹控制环由目标轨迹自动生成器TTAG和线性反馈控制律组成，TTAG的作用是根据台车起点和终点，考虑台车安全及运行效率，生成台车的理想作业轨迹，台车位置误差反馈控制律根据台车实时状态和理想轨迹的差值来设计，其作用是控制台车精确地按理想作业轨迹运行；负载摆动控制环由线性扩张状态观测器LESO和负载摆动误差反馈控制律组成，线性扩张状态观测器的作用是实时估计负载摆动角度、角速度及摆动环的总和扰动，负载摆动误差反馈控制律根据LESO的估计结果及无负载摆动目标来设计，其作用是在外界干扰及系统参数不确定情况下有效抑制负载摆动；将台车作业轨迹控制环和负载摆动控制环通过台车运动综合控制量进行合成，形成欠驱动吊车作业全过程自抗扰控制器。 5.根据权利要求1所述的一种单参数调整的欠驱动吊车作业全过程自抗扰控制方法，其特征在于，在所述步骤E中，所述的单参数调整是将将欠驱动吊车待整定的参数k1、k2、k3、k4精简成一个，具体过程为：将台车的综合控制量代入到负载摆动的状态方程中，可得：欠驱动吊车的理想目标状态可表示为(x1,x2,θ1,θ2)＝(s,0,0,0)，其误差可定义为： ψ1＝x1-s,ψ2＝x2,ψ3＝θ1,ψ4＝θ2 (10) 扩张状态观测器的观测误差可定义为： e1＝θ1-z1，e2＝θ2-z2，e3＝θ3-z3 (11) 台车理想轨迹与目标状态的误差可定义为： ε1＝v1-s ε2＝v2 (12) 令ψ(t)＝[ψ1,ψ2,ψ3,ψ4]T,e(t)＝[e1,e2,e3]T,ε(t)＝[ε1,ε2]T，得整个控制系统的误差方程：其中，式中，Aψ是Hurwitz稳定矩阵，参数k1,k2,k3,k4的选取需符合这一要求；为使Aψ是Hurwitz稳定矩阵，将Aψ的特征值都配置在点(-ωc,0)，ωc>0上，即 \|λE-Aψ\|＝(λ+ωc)4 (14) 求解式(14)可得：因此，台车作业轨迹环误差反馈控制参数k1,k2和负载摆动误差反馈控制参数k3,k4都由ωc决定，并且当ωc>0时，即可保证矩阵Aψ是Hurwitz稳定矩阵，这样吊车作业全过程控制的四个待整定参数就转化为ωc一个参数，实现了吊车作业全过程控制的单参数调整，大大减少了参数整定工作量和难度。
所属类别：	发明专利