[发明专利]一种基于固定时间扰动估计的塔吊防摆控制方法

说明书

本发明公开了一种基于固定时间扰动估计的塔吊防摆控制方法，首先基于欧拉‑拉格朗日方程建立塔吊的动力学模型，并将其转换为状态空间方程，之后针对塔吊系统作业过程中存在的匹配以及非匹配扰动的问题，构建固定时间扰动观测器用于估计系统的外部扰动，之后构建具有固定时间收敛特性的分层滑模面，最后构建塔吊系统的防摆定位控制器，进行塔吊防摆控制。本发明构建的防摆定位控制器可以很好地估计塔吊系统中存在的匹配以及非匹配扰动，并且快速精确地实现系统状态的收敛，对匹配以及非匹配扰动都具有一定的鲁棒性。

技术领域

本发明属于塔吊控制技术领域，特别涉及一种基于固定时间扰动估计的塔吊防摆控制方法。

背景技术

塔吊(塔式起重机)是一种具有负载能力强且操作灵活特点的货物吊运设备，已被广泛应用于建筑工地上的大型建筑材料的运输。

然而，在货物的吊运过程中，塔吊轨道小车速度的变化和外部环境干扰等因素都会造成负载的摆动，进而降低塔吊作业的精度和效率，甚至会引发安全事故。统计表明，传统塔吊的作业方式每次装载有超过30％的时间浪费在负载的消摆上。因此，如何保证在快速实现负载定位的同时，有效地抑制负载的摆动已经成为学者们关注的焦点。

作为典型的强耦合欠驱动控制系统，塔吊系统的控制仍然是一个复杂且具有挑战性的问题。针对塔吊的防摆定位控制，国内外学者进行了广泛的研究，提出了不少新颖的控制方法。然而，这些方法普遍存在收敛速度慢和控制精度低这两个主要问题。

另外，在实际的塔吊作业环境下，系统会受到各种不确定性和外部干扰的影响，这些未知不确定性都给控制器的设计带来很大的挑战。目前讨论较多的控制策略大都需要假设扰动有界且上界已知或者扰动与控制输入在同一通道内(即匹配扰动)，但这些假设是不合理的。

当前迫切需要一种具有强鲁棒性的高精度塔吊控制方法，使得塔吊能够在一系列外部干扰(匹配以及非匹配扰动)下实现负载的快速防摆定位，但是现有技术中尚无相关描述。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于固定时间扰动估计的塔吊防摆控制策略，以保证在外部干扰下，塔吊系统能够快速且精确地实现负载的防摆定位控制。

实现本发明的技术方案为：一种基于固定时间扰动估计的塔吊防摆控制方法，包括以下步骤：

步骤1、根据塔吊系统参数构建4自由度塔吊系统的动力学模型，并转化为塔吊系统的状态空间方程；

步骤2、构建固定时间扰动观测器，观测塔吊系统中存在的匹配和非匹配扰动；

步骤3、基于步骤1中的状态空间方程和步骤2中估计的匹配和非匹配扰动，构建具有固定时间收敛特性的分层滑模面；

步骤4、根据固定时间观测器估计的扰动以及步骤3中的分层滑模面，构建塔吊系统的防摆定位控制器，进行塔吊防摆控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的塔吊防摆控制方法中的构建的固定时间的扰动观测器可以很好地估计塔吊系统中存在的匹配以及非匹配扰动，且估计时间与系统的初始状态无关；

(2)本发明构建的固定时间滑模面不仅可以提高系统状态的收敛速度，而且可以有效地避免终端滑模控制器存在的奇异性问题；

(3)本发明构建的塔吊系统的防摆定位控制器采用了结合固定时间滑模面的分层滑模控制器，在保证塔吊系统瞬态控制特性的同时简化了控制器的设计；

(4)本发明首次在塔吊控制器的设计中考虑了非匹配扰动的影响，且构建的控制器可以很好地抑制塔吊系统中的非匹配扰动。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

附图说明