PDF《欠驱动桥式吊车消摆跟踪控制》

录用日期: 2014?08?03. ?通信作者. E-mail: fangyc@nankai.edu.cn;

Tel.: +86 22-23505706. 十二五 国家科技支撑计划课题项目(2013BAF07B03), 国家杰出青年科学基金项目(61325017), 国家自然科学基金项目(11372144)资助. Supported by Twelfth Five-Year National Science and Technology Pillar Program of China (2013BAF07B03), National Science Fund for Dis- tinguished Young Scholars of China (61325017) and National Natural Science Foundation of China (11372144). 第3期孙宁等: 欠驱动桥式吊车消摆跟踪控制

327 立摆[6] 、 移动机器人[7] 、 欠驱动船舶[8] 等同属欠驱动 机电系统, 该类系统的控制问题很具挑战性. 与其他 系统类似, 吊车的控制方式可分为开环控制和闭环控 制两类. 开环控制的代表性方法包括输入整形[9C10] 、 离线轨迹规划[11C13] 等, 这些方法的核心思想是将台车 的加速度作为输入信号, 通过分析台车运动与负载摆 动之间的耦合关系, 来合理规划台车的运动, 从而实 现定位、 防摆双重目标, 在室内无风力等干扰的情况 下, 能取得良好的控制效果. 然而, 该类方法的控制精 度依赖于吊车的自然频率(与吊绳长度相关), 且事先 规划, 无法应对外界随机干扰, 故鲁棒性差. 为此, 许 多学者又提出了一系列闭环控制方法, 包括最优控 制[14] 、 基于切换的控制策略[15] 、 有限时间控制[16] , 部 分状态反馈控制[17] 、 基于能量的控制方法[18C19] 、 输出反馈控制[20C21] 、 滑模控制[22C25] 及模糊控制[26C28] 等, 由于它们充分利用即时的信号反馈, 能提 高系统的鲁棒性. 特别地, 文献[16]通过对吊车模型 进行坐标变换处理, 设计了一种新型的有限时间调节 控制方法, 有效地实现了吊车防摆与定位控制. 然而, 包括上述列举的文献在内, 已有的绝大多数 闭环控制方法都属于调节控制的范畴, 即在应用这些 方法时, 台车的目标位置为定值. 对于吊车系统, 台车 的初始位置默认为零, 初始误差(绝对值)为目标位置 的值, 因此, 调节控制的一个潜在问题是其初始误差 (对应初始控制量)随目标位置的变化而变化. 那么, 当 目标位置远离初始位置时, 初始控制量将变得非常大, 不仅造成启动不平稳, 还会导致大的负载初始摆动. 根据机器人的控制经验知, 规划一条平滑的S形轨迹 引导台车的运动, 然后设计相应的跟踪控制器, 不仅 会使台车运动更加平稳, 还能更好地考虑一些物理约 束, 如台车最大速度、 加速度等. 对于吊车而言, 跟踪 控制器的设计较调节控制更具挑战性, 目前该方面的 论文非常少. 文献[29]提出了一种吊车跟踪控制策略, 但该方法要求参考轨迹满足一系列约束条件以保证 控制器的性能, 限制了可用参考轨迹的范围. Singhal 等人[30] 提出了一种基于无源性的跟踪控制方法, 但该 方法仅能跟踪匀速参考轨迹, 即参考轨迹的导数为关 于时间的线性函数, 而无法实现 点对点 运送控制. 鉴于跟踪控制能保证 软启动 与平滑运动的优 点, 针对已有跟踪控制方法存在的诸多不足, 本文提 出了一种新型的桥式吊车跟踪控制方法. 具体而言, 首先, 对桥式吊车动力学方程作了部分反馈线性化处 理及一系列的坐标变换;

然后, 在变换后的模型基础 上设计了一种新型的非线性控制器, 并对闭环系统信 号的有界性和收敛性进行了严格的数学分析. 最后, 进行了实验验证, 并与已有的跟踪控制方法及线性 二次型最优调节控制方法(linear quadratic regulator, LQR)的控制效果进行了对比. 结果表明本文方法能 取得更好的控制效果, 对外界干扰具有很强的鲁棒性. 本文的主要内容如下: 在第2节, 详尽描述了本文 的控制问题, 并对吊车动力学系统进行了坐标变换;