[发明专利]一种基于新型运动轨迹规划的三维天车递归滑模控制方法

说明书

本发明公开了一种基于新型运动轨迹规划的三维天车递归滑模控制方法，包括运动轨迹规划和基于动力学模型的控制，所述的运动轨迹规划是对小车和桥架的运动规划，将其规划为过渡平滑的S型轨迹，其速度和加速度的过渡相对平滑，有效避免突变加剧负载摆动；所述的基于动力学模型的控制，是基于滑模控制理论，采用状态观测器反馈状态信息，构建包含位置和负载摆动角度的复合递归滑模面，设计小车、桥架定位和负载消摆控制器。本发明能够实现小车和桥架准确定位；同时，基于规划的S型运动参考轨迹，改善了负载的消摆性能，有效克服了缆绳长度、负载质量等不确定性对负载摆动的影响，进一步提高了系统的消摆性能，具有重要的工程应用价值。

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，确切地说是一种基于新型运动轨迹规划的三维天车递归滑模控制方法。

背景技术

在众多类型的起重机械中，天车是一种作间歇、循环运动的机械，常用于冶金车间、码头装卸、物流仓库、建筑工地等诸多领域，在国民经济建设中占据着举足轻重的地位。对于天车系统而言，面临的最大问题在于小车和桥架运行及外部扰动(如阵风、碰撞等)引发的负载摆动，降低了运输效率，影响负载的精准放置作业，还可能引起碰撞以造成安全事故。在一些特殊场合，如熔融金属、危化液体的搬运，对摆动角度的要求十分严格，甚至期望“无摆”运送。随着天车系统向高效率、高精度、智能化等方向发展，其工作条件更加复杂，通常需要小车和桥架同步运行，负载呈空间球面摆动，对动态品质和控制性能的要求更加苛刻。如何保证天车高效运行、精准定位，并充分抑制负载摆动，提高系统的运输效率与安全性能，是天车系统控制策略研究亟待解决的关键技术之一。

对于实际的三维天车系统而言，其状态量之间存在更加复杂的耦合关系，特别是当系统偏离平衡点较远时，若将三维天车视为两个独立的二维天车进行分析，将带来很大的控制误差，其控制效果大打折扣。提出的多段式加速度轨迹均需要在特定时刻切换速度，其加速度在切换点处无穷大，给执行器造成较大冲击，并增加负载摆动幅度，无法保证系统的平顺运行。

由上述分析可知，引入平滑过渡环节的参考轨迹更有利于天车系统平顺起动，提升负载消摆性能，如S型轨迹。然而，目前设计的S型轨迹只有文献中提到的一类(“A MotionPlanning-Based Adaptive Control Method for an Underactuated Crane System”)，是基于运动学分析和经验设计的，无法全面运用于所有工况。此外，虽然有很多传感器可以用于测量负载摆动角度，然而由于天车工作环境恶劣，存在传感器安装位置受限，测量精度无法保证，待测区域复杂而导致测量信息不完整等众多不足之处。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于新型运动轨迹规划的三维天车递归滑模控制方法，该方法为小车和桥架运行规划一条平滑的参考轨迹，基于状态观测器估计到的信息作为控制器的反馈，设计递归滑模控制器跟踪规划的参考轨迹，以实现小车和桥架的定位和消摆功能。。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：

一种基于新型运动轨迹规划的三维天车递归滑模控制方法，包括运动轨迹规划和基于动力学模型的控制，所述的运动轨迹规划是对小车和桥架的运动规划，运动规划为过渡平滑的S型轨迹，其速度和加速度的过渡相对平滑，有效避免突变加剧负载摆动；所述的基于动力学模型的控制，是基于滑模控制理论，采用状态观测器反馈状态信息，构建包含位置和负载摆动角度的复合递归滑模面，设计小车、桥架定位和负载消摆控制器；所述的运动轨迹规划，规划的轨迹表达式如下：

所述的运动轨迹规划，规划的轨迹速度和加速度表达式如下：

式(1)-(3)中，p_d为目标位置，ε和v是关于运行状态的可调参数；t是系统时间。

设定天车系统动力学模型为：