欠驱动吊车轨迹规划与非线性控制策略设计、分析及应用

发布时间：2020-08-19 12:23

【摘要】：作为一种重型的工程机械,吊车在物流业、建筑业、冶金业、制造业等领域扮演着极为重要的角色,其主要任务是将货物快而准地搬运至目标位置,并使货物的摆动尽可能小。当前在实际中应用的吊车系统大多依赖于人工操作,但这种工作方式呈现出效率低、消摆效果差、误操作率高、安全系数低、事故率高等诸多不足。为此,随着自动控制技术的高速发展,吊车的自动防摆定位控制问题受到了国内外众多研究人员的广泛关注,已成为当今机器人与自动控制领域的一个研究热点。然而,吊车系统的控制量维数少于其待控的系统自由度,是典型的欠驱动系统,且其在工作时易受摩擦力、风力等外界干扰的影响；此外,吊车系统状态之间相互耦合,表现出很强的非线性。这些因素给吊车系统的消摆定位控制方法设计带来了巨大的挑战。迄今为止,尽管针对欠驱动吊车自动控制的研究已取得了丰硕成果,但从实际应用的角度来看,这些方法仍存在以下不足：1)大多忽视台车的运动规划过程,难以保证一些实际的约束/指标；2)已有轨迹规划方法需要大量的离线计算/优化,且当运送距离改变时,须重新离线计算轨迹参数；3)现有大多数调节控制方法对模型参数不确定性较为敏感；4)已有的轨迹跟踪控制方法则要求参考轨迹满足一些苛刻的约束条件,导致其应用受限；5)现有绝大多数闭环控制方法均需要全状态反馈,不能适用于结构更为复杂的三维欠驱动吊车系统,且无法考虑执行器的饱和约束；6)现有针对绳长时变吊车系统设计的控制方法,在设计或分析时均须对吊车模型作近似处理,不能保证跟踪误差的变化范围,且无法适用于模型参数未知的情形；7)在控制器设计与分析时,无法考虑未建模系统动态与外界干扰的影响。围绕已有方法存在的上述问题与不足,本文从实际应用的角度出发,针对欠驱动吊车的高性能防摆定位控制问题进行了深入研究,主要贡献由以下几部分组成： 1)面向运送过程的吊车轨迹规划方法。台车的加减速运动直接影响负载的摆动,通过分析台车运动与负载摆动之间的运动耦合关系,本文提出了两种可实现同时定位与消摆功能的轨迹规划方法。第一种为基于相平面几何分析的轨迹规划方法,其给出了三种具有解析表达式的台车运行轨迹,能保证负载摆幅及台车速度、加速度始终保持在事先设定的范围内,且在台车停止运行后,负载无残余摆动。第二种是基于非线性耦合分析的在线轨迹规划策略,可在线生成光滑易跟踪的台车轨迹,且无需任何离线优化运算,具有良好的消摆定位性能。论文通过大量的仿真与在吊车平台上进行的实验验证了这两种轨迹规划方法的控制性能。 2)基于末端执行器(负载)广义运动的调节与跟踪控制方法。为解决已有调节与跟踪控制方法存在的缺点与限制,论文提出了一种基于末端执行器广义运动的控制思想,将台车定位与负载消摆的目标转换为对负载广义水平运动的调节/跟踪控制问题,并以此为基础提出了三种非线性控制方法。第一种方法开发了一种结构简单、不包含模型参数的调节控制律,增强了台车与负载之间的耦合关系,大幅提高了暂态控制性能。第二种方法则设计了一种全新的跟踪控制律,打破了现有跟踪控制策略对参考轨迹的约束,且跟踪性能好,消摆速度快,适用范围广。第三种方法则在前两种的基础上,给出了一种改进型增强耦合非线性控制器,进一步提升了控制系统的鲁棒性。借助数值仿真与实际实验,论文将所提方法与现有文献中方法进行了充分对比,体现了它们优越的控制性能。 3)基于能量分析的输出反馈控制策略。为避免使用速度信号,并增强控制系统对不确定参数的鲁棒性能,提出了一种无模型参数输出反馈控制方法,通过引入虚拟弹簧—滑块系统,借助能量交换与释放原理,实现对吊车系统的调节控制,且能在模型参数未知、存在外界干扰的情况下,保持良好的控制性能。进一步,针对更加复杂的三维吊车系统,在充分考虑执行器饱和约束的基础上,本文又设计了一种基于虚拟负载的输出反馈控制律,增强了台车与负载之间的耦合关系,且能利用受限的控制量取得高效的防摆定位控制效果。为验证这两种策略的实际性能,论文提供了详实的仿真与实验结果。 4)伴有负载升降运动的吊车控制方法。由于系统状态间的非线性耦合关系,绳长时变往往会激发更为剧烈的负载摆动。针对已有变绳长吊车控制方法在设计或分析时须简化系统的非线性模型,且无法确保跟踪误差变化范围的不足,本文提出了一种非线性跟踪控制方法,能保证跟踪误差一直在设定范围内变化并收敛于零,且可放宽现有方法对负载摆角范围的假设。随后,考虑到负载质量不确定/未知会导致竖直方向出现定位误差的问题,论文又设计了一种新型的自适应耦合控制律,不仅能保证负载质量的在线估计收敛于其实际值,而且可实现台车/绳长的精确定位及负载摆动的快速衰减,首次解决了存在模型、摩擦参数不确定性的变绳长吊车消摆定位问题。除上述实际方面的优点外,这两种控制方法在理论设计与分析时,均无须对吊车模型进行任何近似处理,更具一般性。论文对两种方法在消摆与定位方面的有效性及鲁棒性进行了大量的实验测试。 5)考虑未建模动态及扰动的滑模控制方法。针对受外界及系统未建模动态扰动的欠驱动吊车系统,本文提出了一种基于滑模的非线性控制方法,能在有效抑制这些扰动的同时,实现台车的快速准确定位,并充分消除负载的摆动,有着很好的实用价值。此外,在理论方面,与现有吊车滑模控制方法相比,所提方法无须对系统非线性模型进行任何线性化或其它近似处理。进一步,通过与已有文献中的多种方法进行大量的实验对比知,该方法在抑制摆动、快速定位、鲁棒性等方面表现出更为优越的控制性能。
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH21;TP273
【图文】：

桥式吊车,实验平台

为了论文叙述的完整性，在给出实验结果与分析之前，在此首先对本文使用的桥式吊车实验平台作简要介绍，更多信息参见丨141丨。实验平台如图2.10所示，它由机械主体、实时控制系统以及驱动装置三部分组成。'：愈'■工：；z. M 德』图2.10桥式吊车实验平台在机械主体与驱动装置部分，台车可沿桥架在:r方向上运动，而桥架与台车则可一起沿着轨道在y方向上运行，两个方向上均使用森创(SYNTRON)交流伺服电机提供所需的驱动力，台车的位移则由嵌入在伺服电机内部的同轴码盘直接测得。在竖直方向上，负载通过钢丝吊绳与台车连接在一起，其升降运动由一个固定于台车上的松下(Panasonic)交流伺服电机实现，电机内部同样嵌有同轴码盘以实时读取吊绳长度

【参考文献】