[发明专利]一种基于自适应滑模变结构的船用起重机减摆控制方法

说明书

本发明公开了一种基于自适应滑模变结构的船用起重机减摆控制方法，旨在解决船用起重机系统参数发生变化引发的控制器频繁整定控制参数的问题，具体包括：根据船用起重机系统的运动规律，对其动力学建模，采用非线性扩张观测器(NLESO)补偿系统未建模扰动，引入误差函数，获取滑模面的等效控制律，将负载质量等价为估计参数，设计对负载质量有先验认知的自适应律，分析及证明所述方法的渐进稳定性。本发明提升了船用起重机模型的准确性，有效减少了负载摆角，提高了响应速度，同时使系统具有较强的鲁棒性。

技术领域

本发明属于船用起重机控制领域，尤其涉及一种基于自适应滑模变结构的船用起重机减摆控制方法。

背景技术

船用起重机作为一类常见的舰载装备，被广泛用于海上货物转运、吊装作业、海上工程的安装与维护。由于海洋环境的复杂性和此类装备的欠驱动特性，在作业时由于船体的随机运动，负载会产生复杂的非线性动力学响应。此外，当系统某些参数发生变化时，控制器的控制精度会大幅下降。因此，如何减小负载摆角，提高系统的鲁棒性，对保证安全作业具有重要意义。

目前，常规的船用起重机控制方法有PID控制、反馈线性化控制、滑模变结构控制、能量反馈控制、智能控制等。其中，滑模变结构控制(SMC)技术由于鲁棒性强、响应速度快、对参数变化及扰动不灵敏等优点，被广泛用来控制该非线性系统。

但对于船用起重机系统而言，在起吊不同质量的负载时，由于负载质量变化需要对滑模面的控制参数反复整定，极大降低了运输效率。此外，模型内部还存在未建模扰动问题使得模型不精确，可信度下降，这些影响因素使得常规滑模变结构控制方法不能达到满意的控制效果。

论文《Sliding-Mode Antisway Control of an Offshore Container Crane》存在以下问题：

(1)所建模型未考虑系统内部存在未建模扰动的因素，使得模型建模不精确；

(2)未考虑吊绳长度变化，减弱了模型复杂性，与实际系统有所偏差；

(3)当系统参数发生改变时，需反复整定控制参数，影响控制精度，降低工作效率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于自适应滑模变结构的船用起重机减摆控制方法。本发明方法针对船用起重机控制系统，设计对负载质量有先验认知的自适应律，消除估计参数和负载实际质量的误差，进而得到滑模控制器的等效控制律，同时引入NLESO对系统未建模扰动进行估计补偿，实现船用起重机系统在不同条件下快速安全地完成作业，提高工作效率。

为达到上述目的，本发明采用以下具体技术方案予以解决：

一种基于自适应滑模变结构的船用起重机减摆控制方法，包括以下步骤：

S1：利用拉格朗日方程对船用起重机进行三自由度建模，分离系统可驱动部分与不可驱动部分；

S2：根据S1得到的船用起重机动力学方程，将状态变量的误差函数引入到变结构滑模面，得到滑模变结构控制律；

S3：采用非线性扩张状态观测器对系统未建模扰动进行估计补偿；

S4：基于S2与S3所得到的控制律，对所构建的滑模变结构控制律设计一种自适应机制，并分析所提控制方法的稳定性；

本方法技术方案的特点为：

S1具体包括如下步骤：