[发明专利]带初始负载摆角及台车位移的桥式吊车误差跟踪器及方法

说明书

技术领域

本发明涉及二维桥式吊车系统的控制技术领域，尤其涉及一种带有初始负载摆角以及台车位移的桥式吊车系统误差跟踪器及设计方法。

背景技术

近几十年来，欠驱动机电系统已广泛应用于实际工程中。与全驱动系统相比，欠驱动系统具有机械结构简单、成本低、能耗小、重量轻等诸多优点。这些优点在工程领域有着十分重要的意义，使得欠驱动系统的控制问题成为热点研究方向之一。桥式吊车作为一类典型的欠驱动系统，现已广泛的应用在物流业、建筑业、制造业、冶金业等重要领域。在实际应用中，提高桥式吊车系统的工作效率与安全性能是非常重要的。

为了提高桥式吊车系统的工作效率以及安全性能，国内外众多学者对其进行了大量的研究。根据是否需要信号反馈这一事实，可将控制方法粗略的分为两类：开环控制方法和闭环控制方法。开环控制方法的主要思路是充分利用台车位移与负载摆动之间的耦合关系。输入整形方法、最优控制方法、轨迹规划方法是最为常见的开环吊车控制方法。相比开环控制方法，闭环控制方法有着更好的鲁棒性，更适用于工作在室外环境中的吊车系统。闭环控制方法主要包括局部反馈线性化控制方法、基于切换的紧急制动控制方法、滑模控制方法、基于能量/无源性控制方法、基于平坦的逆控制方法、模型预测控制、基于输入输出稳定性的控制方法等。除了以上提及的依赖模型参数的吊车控制方法，国内外众多学者对不依赖于模型参数的吊车防摆控制策略展开了深入研究，主要包括神经网络(neural networks)、遗传算法(genetic algorithms)、模糊逻辑控制(fuzzy logic control)等方法。

不过，在设计以上控制方法时，为保证系统的收敛性，往往要求台车的初始位移、负载的初始摆角为0。然而，在实际场合，难免存在着台车的初始位移、负载的初始摆角不为0的现象，因此，研究任意初值条件下的控制方法是十分重要的。并且，对轨迹规划方法而言，当台车目标点改变时，需要重新离线计算轨迹参数，这非常不易于实际工程应用。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种带有初始负载摆角以及台车位移的桥式吊车系统误差跟踪器及方法，定义了台车以及负载摆动的期望误差轨迹，允许初始负载摆角以及初始台车位置取任意值，对不同/不确定绳长、负载质量、目标位置、初始负载摆角、初始台车位置以及外部扰动有很强的鲁棒性。

一种带初始负载摆角及台车位移的桥式吊车误差跟踪器，包括：

给定期望台车误差轨迹期望摆角误差轨迹以及台车定位误差跟踪信号δ_x、负载摆动的误差跟踪信号δ_θ，设计带有初始负载摆角以及台车位移的桥式吊车系统误差跟踪器为：

其中，M_x和m分别代表台车和负载质量，l为吊绳长度，g表示重力加速度，F代表施加于台车上的驱动力，f_rx为台车与桥架间的摩擦力，表示控制增益，θ为负载摆角，为负载摆角的一阶导数。

进一步地，给定期望台车误差轨迹期望摆角误差轨迹具体为:

其中，x(0)为台车初始位置，θ(0)为初始摆角，p_dx为台车的目标位置，为误差衰减系数。

一种带初始负载摆角及台车位移的桥式吊车误差跟踪器的设计方法，包括以下步骤：

(1)假设在整个运输过程中，负载摆角始终在如下范围内：-π＜θ＜π；建立欠驱动桥式吊车系统初始动力学模型；

(2)给定期望台车误差轨迹、期望摆角误差轨迹；确定台车定位、负载摆动的误差跟踪信号，分别计算台车定位误差跟踪信号和负载摆动误差跟踪信号的一阶以及二阶导数；

(3)根据欠驱动桥式吊车系统初始动力学模型以及步骤(2)中计算的台车定位误差跟踪信号和负载摆动误差跟踪信号的一阶以及二阶导数，得到欠驱动桥式吊车系统误差跟踪动力学模型；

(4)定义一个Lyapunov函数，构造能够使Lyapunov函数稳定的目标系统模型，根据所述目标系统模型以及欠驱动桥式吊车系统误差跟踪动力学模型求取带初始负载摆角及台车位移的桥式吊车误差跟踪器；

(5)将实际检测的台车位移x、负载摆角θ的信号输入到上述带初始负载摆角及台车位移的桥式吊车误差跟踪器中，输出驱动台车运动的力矩F，在任意初始台车位移以及负载摆角的情况下均可实现台车的精确定位以及负载摆动的有效抑制与消除。

进一步地，所述步骤(2)中给定的期望台车误差轨迹、期望摆角误差轨迹分别为：