带有状态约束的三维桥式吊车增强耦合非线性控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于欠驱动三维桥式吊车系统控制的带有状态约束的增强耦合 非线性的控制方法，属于三维桥式吊车系统非线性控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着社会的进步，桥式吊车系统作为大型的运输工具已广泛的应用在石油、化工、 港口、铁路、建筑工地等场合。到目前为止，由于吊车系统高性能控制方法的缺失，大多数吊 车仍由有经验的工作人员操作。但是，训练这些操作人员需要耗费大量的时间并且人工操 作具有效率低下、定位精度差、易发生误操作等缺点。考虑到人工操作的弊端，国内外众多 学者致力于高性能控制方法的研宄。吊车系统的控制目标为快速精确的将台车运送至目标 位置同时有效抑制并消除负载的摆动（参见文献1)。然而，桥式吊车系统是一类典型的欠 驱动系统，操作人员仅能操作台车的运动而无法直接对负载的摆动施加控制，因此同时得 到台车的精确定位和抑制负载摆动的目标是非常困难的（参见文献2)。
[0003] 近年来，研宄人员针对欠驱动吊车系统的消摆定位控制问题提出了一系列有意义 的控制方法。其中，最常用的控制方法为无反馈信号的开环控制方法。典型的开环控制方 法有：最优控制（参见文献3、4和5)、输入整形（参见文献6-11)、轨迹规划方法（参见文 献12-16)。CN102795544B公开的《基于轨迹在线规划的桥式吊车高效消摆控制方法》。这 些开环控制方法具有算法简单、易于实现的优点。然而，开环控制方法的性能严重的依赖 于吊车模型的精确程度，当模型参数（如绳长）不确定时此方法很难消除由吊车系统内部 或者外部扰动引起的误差，其控制性能会大打折扣。与开环控制方法相比，闭环控制方法 引入了反馈信号。因此，闭环控制方法对内部或外部扰动不敏感。文献17以及文献18利 用吊车系统自身的无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、动 能耦合（KEC)控制器，得到了非线性控制器耦合性越强吊车系统的暂态响应性能越好的结 论。其中控制器结构简单，易于工程实现，但其消摆性能较差；E 2親合控制器和KEC耦合 控制器可以改善消摆控制性能，但是结构较复杂且严重依赖吊车系统模型参数，不易于工 程实现。为增强耦合，文献19-21针对二维桥式吊车系统提出了一系列增强耦合非线性的 控制方法，通过在控制率中添加一些与模型参数相关的项，改善了系统暂态控制性能，但相 应的增加了其设计方法的复杂性，并且这些方法极易受到系统模型参数不确定性的影响。 CN104129712A公开的《一种增强抗摆的桥式吊车调节控制方法》、CN102765665A公开的《基 于负载广义运动的桥式吊车非线性耦合控制方法》。文献22和23提出了在系统参数（如 负载质量、绳长）不确定的情况时，利用目标轨迹自适应跟踪的方法，可以同时保证台车精 确定位与有效消除负载摆动的自适应控制方法，根据系统响应对吊绳长度等参数进行在线 估计，并实时的调整控制输出，提高了整个系统对外界环境的适应性，且该方法额外考虑了 复杂摩擦力以及空气阻力的影响。文献24和25研宄出了一种可以保证系统稳定性的自适 应滑模控制方法，在一定程度上缓解了常规滑模控制方法的抖振问题，但在证明系统稳定 性时，需忽略闭环系统中的部分非线性耦合项，若系统的状态偏离平衡点，这些方法的控制 性能将大打折扣。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（参见文 献26和27)已成功的应用于吊车系统中。
[0004] 以上增强耦合非线性的控制方法都是针对二维桥式吊车系统提出的，仅能保证误 差信号（包括台车位移与目标位置之差和摆角）渐进收敛于0,而无法保证运输过程中误 差信号的范围。吊车在轨道上运动，而这个轨道的长度是受实际物理约束的。当设定的目 标点接近轨道的边缘或者控制增益没有调节好时，台车可能会超出允许的范围，造成碰撞 事故（参见文献29);从安全性的角度来说，负载的摆角应控制在一定的范围内，因此台车 运输过程中，保证误差信号的范围在设定范围内是非常重要的。在实际应用中，二维桥式吊 车一次只能沿着一个方向移动，工作效率较低。为提高系统的工作效率，需要将负载的X轴 方向（水平方向）运送与Y轴方向（竖直方向）运送同时进行，因此研宄三维桥式吊车系 统具有很重要的意义。三维桥式吊车系统有两个控制输入（施加于台车上的力F x、Fy，见图 1)，4个系统待控自由度（台车位移x、y，负载摆角0x、0 y，见图1)。相较二维吊车系统而 言三维吊车系统具有更多的状态变量，并且每个状态变量的耦合性、非线性更强，使得其控 制器的设计更加的困难。
[0005] 针对二维桥式吊车系统已有的控制方法应用于三维桥式吊车系统中存在的无法 保证误差信号范围、工作效率低的问题，提出一种带有状态约束的三维桥式吊车系统增强 耦合非线性的控制方法，该方法稳定性高、鲁棒性和暂态控制性能好，并且可保证整个运输 过程中误差信号始终在允许的范围内。
[0006] 其中：
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