四自由度的欠驱动桥式起重机非线性防摆控制

发布时间：2017-10-01 13:29

  本文关键词：四自由度的欠驱动桥式起重机非线性防摆控制

  更多相关文章： 桥式起重机 防摆 分层滑模控制 反步法 抖振

【摘要】：桥式起重机在运行的过程中,由于惯性会引起被吊物的摆动,使其难以精确定位,降低了工作效率,且影响桥式起重机的使用寿命。当大、小车同时运行时,桥式起重机和吊重将在三维空间内运动,具有大、小车的位移和吊重在大、小车运行方向的摆角四个自由度。本文建立了大、小车同时运行时的四自由度桥式起重机动力学模型,直接运用基于滑模控制的非线性控制理论来研究吊重的摆动控制。课题研究的主要内容包括：(1)从桥式起重机的实际结构出发,应用第二类拉格朗日方程和虚位移原理建立了大、小车同时运行时的桥式起重机非线性动力学模型,该模型中包含大、小车车轮的转动惯量,将车轮受到的摩擦力视为滚动摩擦力。同时给出了不考虑桥架横移时,桥架两侧电机驱动力的防偏分配律。(2)针对桥式起重机的吊重防摆控制问题提出了一种分层滑模轨迹跟踪防摆控制算法,设计分层滑模控制器使系统状态跟踪选定的目标轨迹,对控制系统的稳定性应用Lyapunov理论和Barbalat引理进行了证明。在Simulink中利用二级M码S函数建立了系统的仿真模型,其中桥式起重机的仿真模型以QD50x22.5双梁桥式起重机的实际参数来建立。仿真结果表明,大、小车可以快速准确地到达目标位置,且将吊重摆角限制在很小的范围内,同时验证了控制系统的稳定性。当吊重质量、小车质量、吊绳长度、初始摆角发生变化时,所设计的分层滑模控制器具有良好的鲁棒性。然而,仿真结果也显示,控制器输出的大、小车输入力存在高频抖振现象。(3)针对分层滑模控制器输出的抖振问题,将反步法与分层滑模控制相结合,设计了一种动态变结构防摆控制律,把不连续的切换控制函数放到大、小车输入力的一阶导数中,得到了连续的输入力,高频抖振现象基本消除,控制系统的稳定性在理论上进行了证明且得到了仿真验证。与分层滑模控制器相比,反步动态分层滑模控制器有相同的控制效果,同时有效削弱了大、小车输入力的抖振,如果增大切换增益,可在不引起系统抖振的情况下,进一步提高系统的鲁棒性。(4)设计了验证桥式起重机防摆控制算法的实验方案,在桥式起重机实验模型中采用交流伺服电机提供驱动力,利用绝对式旋转编码器来检测位移和吊重摆角,在控制计算机上防摆控制算法通过MATLAB RTW和Real-Time Windows Target工具实现对桥式起重机模型的实时控制。
【关键词】：桥式起重机 防摆 分层滑模控制 反步法 抖振
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH215
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 课题研究背景及意义9-10
• 1.2 桥式起重机防摆控制国内外研究现状10-14
• 1.2.1 桥式起重机二维模型防摆控制研究现状11-13
• 1.2.2 桥式起重机三维模型防摆控制研究现状13-14
• 1.2.3 当前研究中存在的不足14
• 1.3 本文主要内容14-16
• 2 桥式起重机非线性动力学模型16-27
• 2.1 引言16
• 2.2 桥式起重机动力学建模16-26
• 2.2.1 桥式起重机模型的简化假设16-17
• 2.2.2 动力学建模17-23
• 2.2.3 桥架两侧大车电机驱动力的防偏分配律23-26
• 2.3 本章小结26-27
• 3 分层滑模轨迹跟踪防摆控制器设计27-47
• 3.1 滑模控制简介27
• 3.2 分层滑模防摆控制器设计27-35
• 3.2.1 目标轨迹的选取28-29
• 3.2.2 防摆控制器设计29-31
• 3.2.3 稳定性分析31-35
• 3.3 仿真实验35-40
• 3.3.1 建立Simulink仿真模型35-37
• 3.3.2 仿真参数设置37-38
• 3.3.3 仿真结果分析38-39
• 3.3.4 稳定性验证39-40
• 3.4 鲁棒性分析40-46
• 3.4.1 吊重质量变化的影响40-42
• 3.4.2 吊绳长度变化的影响42-43
• 3.4.3 小车质量变化的影响43-45
• 3.4.4 初始摆角的影响45-46
• 3.5 本章小结46-47
• 4 反步动态分层滑模防摆控制器设计47-64
• 4.1 反步法简介48
• 4.2 反步动态分层滑模防摆控制器设计48-53
• 4.2.1 防摆控制器设计48-52
• 4.2.2 稳定性分析52-53
• 4.3 仿真实验53-57
• 4.3.1 建立Simulink仿真模型53-54
• 4.3.2 仿真参数设置54
• 4.3.3 仿真结果分析54-55
• 4.3.4 稳定性验证55-57
• 4.4 鲁棒性分析57-63
• 4.4.1 吊重质量变化的影响57-58
• 4.4.2 吊绳长度变化的影响58-60
• 4.4.3 小车质量变化的影响60-62
• 4.4.4 初始摆角的影响62-63
• 4.5 本章小结63-64
• 5 实验方案设计64-70
• 5.1 桥式起重机实验模型研究现状64-67
• 5.2 桥式起重机三维实验模型方案设计67-68
• 5.3 控制系统方案设计68-69
• 5.4 本章小结69-70
• 结论70-72
• 参考文献72-76
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况76-77
• 致谢77-78

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