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专利号: 2019103064718
申请人: 中南大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 卷扬;提升;牵引
更新日期:2024-11-18
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种单参数调整的欠驱动吊车作业全过程自抗扰控制方法,其特征在于,该方法包括:步骤A、根据环境风速、周围障碍物情况,选择台车的作业方式,在不同作业方式下,为提高作业效率,假定台车均以该作业方式下的额定速度和额定加速度运行,具体作业指标为:台车额定加速度为ae,额定速度为ve,台车作业起点和终点位置处的速度均为0,台车作业距离为s,根据台车的作业指标确定台车的理想作业轨迹方程,分如下二种情况:当s≤ve2/ae时,台车的理想作业轨迹方程为:

当s>ve2/ae时,台车的理想作业轨迹方程为:

根据台车的理想作业轨迹方程,确定任意时刻台车的理想位移信号v1和理想速度信号v2,而台车的实际位移信号x1和实际速度信号x2很容易测得,则任意时刻台车实际位置信号与理想位置信号的误差为ε1=x1-v1,实际速度信号与理想速度信号的误差为ε2=x2-v2,以台车加速度u1为控制量,设计台车作业轨迹的误差反馈控制律:u1=k1·ε1+k2·ε2=k1·(x1-v1)+k2·(x2-v2)      (3)式中,k1、k2分别为ε1、ε2的反馈控制参数;

步骤B、对欠驱动吊车的动力学方程进行变换,得负载摆动的状态方程:其中,θ1为吊绳X方向摆角,θ2为吊绳X方向摆动角速度,θ3为系统总和扰动,w1为系统扰动,u为控制量,b为控制量增益;

根据负载摆动状态方程设计线性扩张状态观测器LESO:

其中,z1是负载摆角θ1的状态估计,z2是负载摆动角速度θ2的状态估计,z3是负载摆动状态总和扰动θ3的状态估计,β01,β02,β03是三阶线性扩张状态观测器参数,b0是扩张状态观测器增益,采用实际控制量增益,即b0=-1/l,并根据实际绳长实时更新;

线性扩张状态观测器的参数β01、β02、β03根据数值计算步长h确定,即:吊车作业过程中,要求任意时刻负载摆动的角度和角速度尽可能小,因此其目标值均为0,据此将抑制负载摆动的误差控制律设计为:式中,k3、k4分别为z1、z2的反馈控制参数;

步骤C、将台车作业轨迹的误差反馈控制律和抑制负载摆动的误差反馈控制律进行合成,得出欠驱动吊车作业全过程定位防摆自抗扰控制器:u=u1+u2=k1·(v1-x1)+k2·(v2-x2)+k3·z1+k4·z2-z3/b0      (8)吊车全过程定位防摆自抗扰控制器设计包括台车作业轨迹控制环设计及负载摆动控制环设计,作业轨迹控制环由目标轨迹自动生成器TTAG和线性反馈控制律组成,TTAG的作用是根据台车起点和终点,考虑台车安全及运行效率,生成台车的理想作业轨迹,台车位置误差反馈控制律根据台车实时状态和理想轨迹的差值来设计,其作用是控制台车精确地按理想作业轨迹运行;负载摆动控制环由线性扩张状态观测器LESO和负载摆动误差反馈控制律组成,线性扩张状态观测器的作用是实时估计负载摆动角度、角速度及摆动环的总和扰动,负载摆动误差反馈控制律根据LESO的估计结果及无负载摆动目标来设计,其作用是在外界干扰及系统参数不确定情况下有效抑制负载摆动;将台车作业轨迹控制环和负载摆动控制环通过台车运动综合控制量进行合成,形成欠驱动吊车作业全过程定位防摆自抗扰控制器;

步骤D、将台车的自抗扰控制量代入到负载摆动的状态方程中,可得:

欠驱动吊车的理想目标状态可表示为(x1,x2,θ1,θ2)=(s,0,0,0),其误差可定义为:ψ1=x1-s,ψ2=x2,ψ3=θ1,ψ4=θ2         (10)扩张状态观测器的观测误差可定义为:

e1=θ1-z1,e2=θ2-z2,e3=θ3-z3        (11)台车理想轨迹与目标状态的误差可定义为:

ε1=v1-s ε2=v2        (12)

令ψ(t)=[ψ1,ψ2,ψ3,ψ4]T,e(t)=[e1,e2,e3]T,ε(t)=[ε1,ε2]T,得整个控制系统的误差方程:其中,

式中,Aψ是Hurwitz稳定矩阵,参数k1,k2,k3,k4的选取需符合这一要求;

为使Aψ是Hurwitz稳定矩阵,将Aψ的特征值都配置在点(-ωc,0),ωc>0上,即|λE-Aψ|=(λ+ωc)4        (14)求解式(14)可得:

因此,台车作业轨迹环误差反馈控制参数k1,k2和负载摆动误差反馈控制参数k3,k4都由ωc决定,并且当ωc>0时,即可保证矩阵Aψ是Hurwitz稳定矩阵,这样吊车定位防摆控制的四个待整定参数就转化为ωc一个参数,实现了吊车定位防摆控制的单参数调整,大大减少了参数整定工作量和难度。