一种分布质量负载的桥吊防摇定位控制方法转让专利
申请号 : CN202110483064.1
文献号 : CN113189877B
文献日 : 2022-05-03
发明人 : 欧阳慧珉 , 杨领
申请人 : 南京工业大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种分布质量负载的桥吊防摇定位控制方法,其特性在于,包括:根据拉格朗日方程以及桥吊模型,构建具有分布式质量负载的桥吊三维动态模型;
根据所述三维动态模型,结合定位误差,构建自适应更新律;
根据所述自适应更新律,构建增强定位的鲁棒自适应控制器,实现桥吊定位与消摆;
所述构建自适应更新律包括,
在所述动态模型中,结合摩擦力模型、分析系统的动能和势能以及系统总能量变化率,构建一种包含定位误差的自适应更新律并规划自适应更新律参数的选取;
所述一种包含定位误差的自适应更新律包括,根据所述系统总能量变化率,构造定位误差的自适应更新律,所述自适应更新律包括x方向和y方向的更新律,所述更新律分别用 和 表示,其详细表达式如下所示:T
ωy=[m1+m2+my f21 f22 d2]T
ωx=[m1+m2+mx f11 f12 d1]其中:Πx和Πy分别为x方向和y方向更新律的可变权重矩阵,且均为对角正定矩阵,γx和γy均为自适应更新律的相关矩阵,并且为一维向量,ωx与ωy为待估计向量,ex和ey为跟踪轨迹的误差, 和 分别为对应的微分量,α以及δ(*)是自适应更新律中的增强定位项,其中
δ(*)为饱和函数并满足足以下关系式:
2.如权利要求1所述的分布质量负载的桥吊防摇定位控制方法,其特征在于:所述构建桥吊三维动态模型包括,
结合应用过程中的摩擦力以及风阻,利用拉格朗日建模方程构建具有分布式质量负载桥吊三维动态模型,所述三维动态模型表示为:
6×6 6×6
M=[mij]∈R ,C=[Cij]∈R ,i=1,...,6,j=1,...,6,G=[0 0 gl1m1cosθ2sinθ1+gl1m2cosθ2sinθ1gl1m1cosθ1sinθ2+gl1m2cosθ1sinθ2T
glhm2cosθ4sinθ3 glhm2cosθ3sinθ4]T T
U=[Fx Fy 0 0 0 0],Fs=[Frx Fry 0 0 0 0]其中:l1为小车与吊钩间的绳长,l2为吊钩与分布质量负载固定间的绳长,lh为吊钩与分布质量负载质心间的垂直距离,m1和m2分别为吊钩与分布质量负载的质量,g为重力加速度,θi, 分别为吊钩与分布质量负载的角度以及它们对应的一阶导,和 分别为小车与导轨的运动距离的一阶导,对于驱动力部分,Fx与Fy分别为小车与导轨的驱动力,
Frx和Fry分别为小车和导轨在各自方向上的摩擦力,di,i=1,...6为各状态量在其方向上的风阻系数。
3.如权利要求1所述的分布质量负载的桥吊防摇定位控制方法,其特征在于:所述结合摩擦力模型包括,
由于桥吊起重机应用中可驱动力部分存在不可避免的摩擦力,所述摩擦力表示为:其中:f11和f21为静摩擦力相关系数,f12和f22为滑动摩擦力相关系数,εx和εy为摩擦力模型的陡峭程度,一般取0.01。
4.如权利要求1或3所述的分布质量负载的桥吊防摇定位控制方法,其特征在于:所述规划自适应更新律参数的选取包括,所述自适应更新律参数的选取应满足以下要求:∏x=diag(kx1,kx2,kx3,kx4),Πy=diag(ky1,ky2,ky3,ky4),其中所述自适应更新律参数中的各项根据实际操作环境进行选取,结合所述系统总能量变化率,对所述自适应控制器的参数进行限制。
5.如权利要求4所述的分布质量负载的桥吊防摇定位控制方法,其特征在于:所述对自适应控制器的参数进行限制包括,在所述自适应更新律中增强定位项α的选取需要满足以下约束条件:其中: 为参数的上界值,*指代l、m参数,λM为关于矩阵M的常数值,需要满足以下条件:
6.如权利要求5所述的分布质量负载的桥吊防摇定位控制方法,其特征在于:所述构建增强定位的鲁棒自适应控制器包括,将所述包含定位误差的自适应更新律以及更新律相关矩阵,构建增强定位的鲁棒自适应控制器,其详细表达式为:
其中:k1p和k2p误差相关控制系数,k1d和k2d为误差微分相关控制系数。
7.如权利要求6所述的分布质量负载的桥吊防摇定位控制方法,其特征在于:所述构建增强定位的鲁棒自适应控制器还包括,根据分析系统能量函数,对控制器相关参数进行限制,所述误差相关控制系数以及误差微分相关控制系数需要满足以下约束条件:k1d=k2d=α,
说明书 :
一种分布质量负载的桥吊防摇定位控制方法
技术领域
背景技术
力,因此,设计出的控制器往往结构简单,易于实现。但随着社会工业化程度的提高,工业现
场的运输要求也越来越严格,具体来说,某些桥式起重机运输环境需要运送化工相关货物,
为了安全考虑,这就对于运输过程中负载角度抑制的要求就会大大提高;当需要运输一些
具有分布式质量的货物时,负载就会不可避免的产生传动惯量,这将对起重机包括定位与
消摆上的控制产生不利影响,甚至会导致系统不稳定;在工业现场中,很大一部分起重机的
动态特性呈现出双摆特性,因此它的动态特性更加复杂,控制难度也很大。对于传统控制
器,大多数是针对二维桥式起重机模型,即只考虑小车或者导轨单独作用的情况,因此在需
要小车和导轨同时运动的工业场合,此类控制器便不再适用,另外,传统控制器很少有针对
具有分布式质量负载的桥式起重机双摆模型的设计。一般自适应控制率仅仅考虑估计系统
位置参数,即当驱动器操控下的小车或者导轨停止运动时,控制器中的估计律项便为零,这
就导致了无法准确消除由于外部扰动因素而产生的定位误差,而且一般自适应控制器通常
需要反馈多通道的数据,甚至需要全状态反馈,这就导致了实际应用中成本的大幅提高。
发明内容
分、说明书摘要和发明名称的目的模糊,而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
量负载时,现有的基于质点模型的控制器难以完成精确以及消摆的任务。
差,构建自适应更新律;根据所述自适应更新律,构建增强定位的鲁棒自适应控制器,实现
桥吊定位与消摆。
模方程构建具有分布式质量负载桥吊三维动态模型,所述三维动态模型表示为:
加速度, 分别为吊钩与分布质量负载的角度以及它们对应的一阶导,
和 分别为小车与导轨的运动距离的一阶导,对于驱动力部分,Fx与Fy分别为小车与导轨的
驱动力,Frx和Fry分别为小车和导轨在各自方向上的摩擦力,di,i=1,...6为各状态量在其
方向上的风阻系数。
势能以及系统总能量变化率,构建一种包含定位误差的自适应更新律并规划自适应更新律
参数的选取。
力,所述摩擦力表示为:
差的自适应更新律,所述自适应更新律包括x方向和y方向的更新律,所述更新律分别用
和 表示,其详细表达式如下所示:
ey为跟踪轨迹的误差, 和 分别为对应的微分量,α以及δ(*)是自适应更新律中的增强定
位项,其中δ(*)为饱和函数并满足足以下关系式:
求:Πx=diag(kx1,kx2,kx3,kx4),Πy=diag(ky1,ky2,ky3,ky4),其中所述自适应更新律参数中
的各项根据实际操作环境进行选取,结合所述系统总能量变化率,对所述自适应控制器的
参数进行限制。
需要满足以下约束条件:
及更新律相关矩阵,构建增强定位的鲁棒自适应控制器,其详细表达式为:
参数进行限制,所述误差相关控制系数以及误差微分相关控制系数需要满足以下约束条
件:
绳长度等系统参数,因此也提高了所述控制器的鲁棒性能,并且最终可以实现小车和导轨
的定位以及分布式质量负载的消摆目的。
附图说明
领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它
的附图。其中:
具体实施方式
不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下
所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明的保护的范围。
情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
发明保护的范围。此外,在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此
不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的,而不能理解
为指示或暗示相对重要性。
也可以通过中间媒介间接相连,也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人
员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
l1m1cosθ2+l1m2cosθ2
加速度, 分别为吊钩与分布质量负载的角度以及它们对应的一阶导,
和 分别为小车与导轨的运动距离的一阶导,对于驱动力部分,Fx与Fy分别为小车与导轨的
驱动力,Frx和Fry分别为小车和导轨在各自方向上的摩擦力,di,i=1,...6为各状态量在其
方向上的风阻系数。
的选取。
其详细表达式如下所示:
ey为跟踪轨迹的误差, 和 分别为对应的微分量,α以及δ(*)是自适应更新律中的增强定
位项,其中δ(*)为饱和函数并满足足以下关系式:
更新律参数中的各项根据实际操作环境进行选取,描述了自适应更新律中对于不同估计项
的权重值,结合系统总能量变化率,对自适应控制器的参数进行限制。
需要满足以下约束条件:
了控制的精确性。
对它们的取值相差不是很大即可,另外的一些控制器相关参数的设计主要是为了使系统稳
定,只需要按照取值限制条件进行取值即可。
致更难控制的负载摆角,因此对于此类系统的控制具有显而易见的工程意义以及经济价
值;因此,本发明为了精确控制起重机以及节约成本,建立了精确的具有分布式质量负载的
桥式起重机精确非线性模型,分析了模型整体能量函数并为了增强定位性能,构建了新型
自适应估计率,并耦合了一种饱和函数,最后利用最终控制器跟踪一条具有消摆效果的轨
迹,增强了控制器的暂态性能,一方面通过增强自适应控制增强了定位精度,满足工业现场
对于定位精准度的要求,另一方面通过轨迹跟踪控制,不需要反馈角度信息,大幅度降低了
控制器的设计成本。
结果,以验证本方法所具有的真实效果。
来读取驱动器作用下的小车和导轨的位移,另外四个用来实时读取吊钩与负载的角度信
息,数据采集频率设置为0.05秒,且所有采集的信息都通过有线传输的方法输入到运动控
制卡中,执行机构部分由两个驱动器组成,它们分别控制着小车和导轨的运动,软件部分采
用工控机中加入运动控制卡的方式完成数据的交换与处理,具体来说,利用Matlab/
Simulink模块读取工控机中运动控制卡的信息,并利用现有算法进行驱动力的计算,最终
将数值反馈到驱动器当中。
R矩阵,设置为Q=diag{50,50,50,50,50,50,2,2,2,2,2,2},R=[11] ,因此能够得出该控
制器增益为k11=50,k12=18,k13=‑26,k14=9.6,k15=1.5,k16=‑0.7,k21=50,k22=22,k23
=28,k24=‑12,k25=1.4,k26=‑0.7,利用上述构建的实验平台计算使用本方法与LQR控制
器所用方法的振幅,其结果如下表1所示:
方法,具体来说,本方法的四个角度幅值相较于LQR方法分别提升了42%,43%,59%,68%,
本方法下的吊钩与负载在震荡一个周期后几乎完成角度抑制,且在震荡过程中,角度幅值
最大不超过1.66,而传统LQR方法的消摆效果特别差,角度幅值最大达到2.54,这对实际应
用的影响是极其不利的,因此本方法的控制效率很高,可以完成无误差定位以及角度抑制。
方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发
明的权利要求范围当中。