法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-06-03
公开
发明专利申请公布
技术领域
本发明属于欠驱动桥式吊车控制技术领域，提出一种基于未知输入观测器技术的桥式吊车滑模控制方法，特别是针对含有不同类型非匹配扰动的桥式吊车滑模控制方法。
背景技术
欠驱动系统是一类特殊的系统，它的具体含义就是系统所具有的独立控制输入量少于该系统本身机构的自由度。吊车是一类典型的欠驱动系统，广泛应用在港口、建筑工地、海上钻井平台等场所，在现代工业应用中有着不可替代的作用。
然而，吊车在实际生产应用中，会受到风力等外部扰动的影响，这些不确定因素很容易对操作人员带来严重的安全事故。近年来，许多国内外学者致力于吊车消摆定位控制的研究工作，取得了许多丰硕的成果。然而，现有的研究成果大多是针对吊车在无扰动条件下或者是在吊车存在匹配扰动(包括摩擦力等)条件下，提出的一系列控制方法。针对吊车存在非匹配扰动(包括风力，空气阻力等)时，鲜有相关的研究成果可以很好的处理这类扰动对吊车控制性能的影响。因此研究有效的方法抑制吊车系统存在的非匹配扰动是非常有意义的。
非匹配扰动在许多控制系统中都存在，并且许多学者提出了新的控制理论与方法去抑制这类扰动，主要包括基于广义扩张状态观测器的线性控制方法、分层滑模控制方法、反步法、模糊控制方法和基于非线性扰动观测器的滑模控制方法等，这些方法可以有效的抑制非匹配扰动对控制性能的影响。目前，针对欠驱动吊车存在的非匹配扰动抑制研究，还处于初级阶段，且许多现有的研究工作针对的非匹配扰动仅仅是针对特定类型下的扰动或者是非持续作用下的非匹配扰动。因此，针对吊车系统中不同类型持续作用下的非匹配扰动，寻找一种可以快速实现且具有良好的抑制效果的控制方法是非常有必要的，同时对吊车的消摆定位性能也是有着重要意义的。
发明内容
为了减小不同类型持续作用下的非匹配扰动对吊车抗摆定位的影响，同时使得吊车可以快速地达到稳定状态并具有良好的鲁棒性，本发明提出了一种基于未知输入观测器技术的桥式吊车滑模控制方法，所提方法采用未知输入观测器技术估计吊车系统中存在的匹配扰动项与非匹配扰动项，然后设计了一种双层双曲趋近律，基于估计的匹配扰动项与非匹配扰动项和双层双曲趋近律，设计滑模控制器。该设计可以有效抑制匹配扰动与不同类型持续作用下的非匹配扰动对吊车抗摆定位性能的影响，同时保证吊车系统具有快速的状态收敛能力，以及平稳的控制输出效果。
为了解决上述技术问题所提出的技术方案如下：
一种基于未知输入观测器技术的桥式吊车滑模控制方法，包括以下步骤：
步骤1，建立桥式吊车系统的动态模型，初始化系统的状态与控制参数，过程如下：
1.1桥式吊车的动力学表示为：
其中M,m分别表示台车的质量和负载的质量；
1.2结合式(1)-(2)得到台车运动时的加速度表达式为：
1.3将式(3)代入式(2)中，经过数学变换，得到控制输入F为：
其中，
1.4为了方便后续控制器的设计，定义一个辅助控制量v：
将式(5)代入式(4),重新进行变换得到：
1.5定义如下状态变量：
其中，
1.6结合式(7)构建下面形式的状态方程：
其中，
1.7为了后续方便未知输入观测器的设计，将式(8)变换为如下形式：
其中，
1.8对于吊车的实际应用场景，负载摆动的角度满足
步骤2，设计未知输入观测器，估计吊车系统中的匹配与非匹配扰动，过程如下：
2.1假设匹配扰动与非匹配扰动，以及它们的一阶导数都是有界的，定义如下：
其中，
2.2对变换后的吊车系统模型式(10),进行一阶低通滤波变换，设计未知输入观测器如下：
其中,k＞0表示滤波系数；定义式(12)中[·]/(ks+1)＝(·)
其中，
2.3式(13)中的各状态变量具有如下性质：
由式(13)-(14)得到d
结合式(15)设计扰动观测器，如下：
其中，
2.4从式(16)中发现，扰动观测器只有一个滤波系数k可以进行调节，从而避免系统求导带来的噪声放大问题；
步骤3，双层双曲趋近律的设计，过程如下：
设计双层双曲趋近律，如下所示：
其中，
a sinh(k
步骤4，基于未知输入观测器技术的滑模控制律设计，过程如下：
4.1结合式(7)，定义滑模面如下：
其中，a＞0,b＞0,c＞0；
4.2结合式(10)对式(20)进行求导得：
4.3结合式(16)-(17)设计式(10)的基于双层双曲趋近律的滑模控制器为:
4.4选择下面的李亚普诺夫函数：
对上式进行求导，将式(22)代入，得到
4.5将式(22)设计的辅助控制律代入到式(6)中，得到F表达式为:：
式(24)表示吊车系统中实际控制律。
本发明基于未知输入观测器技术设计了一种桥式吊车的滑模控制方法，在解决匹配扰动与非匹配扰动对吊车系统消摆定位性能影响的同时，提出的双层双曲趋近律有效提高系统状态的收敛速度，实现桥式吊车系统的良好控制。
本发明技术构思：针对带有匹配扰动与不同类型持续作用下的非匹配扰动的桥式吊车系统，本发明采用未知输入观测器技术中的一阶低通滤波方法来估计吊车系统中的匹配与非匹配扰动项，并根据估计值设计一种基于双层双曲趋近律的滑模控制器，该控制器可以有效抑制匹配扰动与非匹配扰动项对吊车系统的影响，同时保证吊车系统状态可以快速镇定。本发明提出一种可以有效抑制匹配扰动与不同类型持续作用下的非匹配扰动，同时实现吊车快速定位消摆的基于未知输入观测器技术的滑模控制方法，保证了桥式吊车系统可以达到较好的控制效果。
本发明的有效效果：实现桥式吊车的快速定位，抑制桥式吊车的负载残余摆动，保证控制输入的平稳。
附图说明
图1为本发明的控制流程图；
图2为在常值非匹配扰动中加入非线性扰动观测器时x的状态轨迹；
图3为在常值非匹配扰动中加入非线性扰动观测器时θ的状态曲线；
图4为在常值非匹配扰动中加入非线性扰动观测器时F的信号曲线；
图5为在常值非匹配扰动中加入广义扩张状态观测器时x的状态轨迹；
图6为在常值非匹配扰动中加入广义扩张状态观测器时θ的状态曲线；
图7为在常值非匹配扰动中加入广义扩张状态观测器时F的信号曲线；
图8为在常值非匹配扰动中加入本发明的滑模控制器时x的状态轨迹；
图9为在常值非匹配扰动中加入本发明的滑模控制器时θ的状态曲线；
图10为在常值非匹配扰动中加入本发明的滑模控制器时F的信号曲线；
图11为在周期非匹配扰动中加入非线性扰动观测器时x的状态轨迹；
图12为在周期非匹配扰动中加入非线性扰动观测器时θ的状态曲线；
图13为在周期非匹配扰动中加入非线性扰动观测器时F的信号曲线；
图14为在周期非匹配扰动中加入广义扩张状态观测器时x的状态轨迹；
图15为在周期非匹配扰动中加入广义扩张状态观测器时θ的状态曲线；
图16为在周期非匹配扰动中加入广义扩张状态观测器时F的信号曲线；
图17为在周期非匹配扰动中加入本发明的滑模控制器时x的状态轨迹；
图18为在周期非匹配扰动中加入本发明的滑模控制器时θ的状态曲线；
图19为在周期非匹配扰动中加入本发明的滑模控制器时F的信号曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1-图19，一种基于未知输入观测器技术的桥式吊车滑模控制方法，包括以下步骤：
步骤1，建立桥式吊车系统的动态模型，初始化系统的状态与控制参数，过程如下：
1.1桥式吊车的动力学表示为：
其中M,m分别表示台车的质量和负载的质量；
1.2结合式(1)-(2)得到台车运动时的加速度表达式为：
1.3将式(3)代入式(2)中，经过数学变换，得到控制输入F为：
其中，
1.4为了方便后续控制器的设计，定义一个辅助控制量v：
将式(5)代入式(4),重新进行变换得到：
1.5定义如下状态变量：
其中，
1.6结合式(7)构建下面形式的状态方程：
其中，
1.7为了后续方便未知输入观测器的设计，将式(8)变换为如下形式：
其中，
1.8对于吊车的实际应用场景，负载摆动的角度满足
步骤2，设计未知输入估计器，估计吊车系统中的匹配与非匹配扰动，过程如下：
2.1假设匹配扰动与非匹配扰动，以及它们的一阶导数都是有界的，定义如下：
其中，
2.2对变换后的吊车系统模型式(10),进行一阶低通滤波变换，设计未知输入观测器如下：
其中,k＞0表示滤波系数；定义式(12)中[·]/(ks+1)＝(·)
其中，
2.3式(13)中的各状态变量具有如下性质：
由式(13)-(14)得到d
结合式(15)设计扰动观测器，如下：
其中，
2.4从式(16)中发现，扰动观测器只有一个滤波系数k可以进行调节，从而避免系统求导带来的噪声放大问题；
步骤3，双层双曲趋近律的设计，过程如下：
设计双层双曲趋近律，如下所示：
其中，
asinh(k
步骤4，基于未知输入观测器技术的滑模控制律设计，过程如下：
4.1结合式(7)，定义滑模面如下：
其中，a＞0,b＞0,c＞0；
4.2结合式(10)对式(20)进行求导得：
4.3结合式(16)-(17)设计式(10)的基于双层双曲趋近律的滑模控制器为:
4.4选择下面的李亚普诺夫函数：
对上式进行求导，将式(22)代入，得到
4.5将式(22)设计的辅助控制律代入到式(6)中，得到F表达式为：
式(24)表示吊车系统中实际控制律。
为验证所提方法的有效性，本发明对式(24)所示的基于未知输入观测器技术的桥式吊车滑模控制器的控制效果进行了仿真实验，同时与基于非线性扰动观测器的传统滑模控制器、基于广义扩张状态观测器的状态反馈控制器效果进行了对比。设置实验中的初始条件和控制参数为：采样步长为0.001s；选取系统参数为M＝5kg,m＝10kg,l＝6m,g＝9.8m/s
以上阐述的是本发明给出的仿真对比实验表明所设计方法的优越性，显然本发明不只是局限于上述实例，在不偏离本发明基本精神及不超出本发明实质内容所涉及范围的前提下对其可作种种变形加以实施。本发明所设计的控制方法对不同持续性非匹配扰动的桥式吊车有着良好的定位抗摆控制效果，可以有效提高吊车的工作效率。
