欠驅(qū)動(dòng)吊車軌跡規(guī)劃與非線性控制策略設(shè)計(jì)、分析及應(yīng)用.pdf

1、作為一種重型的工程機(jī)械，吊車在物流業(yè)、建筑業(yè)、冶金業(yè)、制造業(yè)等領(lǐng)域扮演著極為重要的角色，其主要任務(wù)是將貨物快而準(zhǔn)地搬運(yùn)至目標(biāo)位置，并使貨物的擺動(dòng)盡可能小。當(dāng)前在實(shí)際中應(yīng)用的吊車系統(tǒng)大多依賴于人工操作，但這種工作方式呈現(xiàn)出效率低、消擺效果差、誤操作率高、安全系數(shù)低、事故率高等諸多不足。為此，隨著自動(dòng)控制技術(shù)的高速發(fā)展，吊車的自動(dòng)防擺定位控制問題受到了國內(nèi)外眾多研究人員的廣泛關(guān)注，已成為當(dāng)今機(jī)器人與自動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。然而，吊車系統(tǒng)

2、的控制量維數(shù)少于其待控的系統(tǒng)自由度，是典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，且其在工作時(shí)易受摩擦力、風(fēng)力等外界干擾的影響;此外，吊車系統(tǒng)狀態(tài)之間相互耦合，表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性。這些因素給吊車系統(tǒng)的消擺定位控制方法設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
　　迄今為止，盡管針對欠驅(qū)動(dòng)吊車自動(dòng)控制的研究已取得了豐碩成果，但從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，這些方法仍存在以下不足:1)大多忽視臺(tái)車的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃過程，難以保證一些實(shí)際的約束/指標(biāo);2）已有軌跡規(guī)劃方法需要大量的離線計(jì)算/優(yōu)化，

3、且當(dāng)運(yùn)送距離改變時(shí)，須重新離線計(jì)算軌跡參數(shù);3）現(xiàn)有大多數(shù)調(diào)節(jié)控制方法對模型參數(shù)不確定性較為敏感;4)已有的軌跡跟蹤控制方法則要求參考軌跡滿足一些苛刻的約束條件，導(dǎo)致其應(yīng)用受限;5）現(xiàn)有絕大多數(shù)閉環(huán)控制方法均需要全狀態(tài)反饋，不能適用于結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的三維欠驅(qū)動(dòng)吊車系統(tǒng)，且無法考慮執(zhí)行器的飽和約束;6）現(xiàn)有針對繩長時(shí)變吊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制方法，在設(shè)計(jì)或分析時(shí)均須對吊車模型作近似處理，不能保證跟蹤誤差的變化范圍，且無法適用于模型參數(shù)未知的情形;

4、7）在控制器設(shè)計(jì)與分析時(shí)，無法考慮未建模系統(tǒng)動(dòng)態(tài)與外界干擾的影響。
　　圍繞已有方法存在的上述問題與不足，本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，針對欠驅(qū)動(dòng)吊車的高性能防擺定位控制問題進(jìn)行了深入研究，主要貢獻(xiàn)由以下幾部分組成:
　　1)面向運(yùn)送過程的吊車軌跡規(guī)劃方法。臺(tái)車的加減速運(yùn)動(dòng)直接影響負(fù)載的擺動(dòng)，通過分析臺(tái)車運(yùn)動(dòng)與負(fù)載擺動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系，本文提出了兩種可實(shí)現(xiàn)同時(shí)定位與消擺功能的軌跡規(guī)劃方法。第一種為基于相平面幾何分析的軌跡規(guī)劃方

5、法，其給出了三種具有解析表達(dá)式的臺(tái)車運(yùn)行軌跡，能保證負(fù)載擺幅及臺(tái)車速度、加速度始終保持在事先設(shè)定的范圍內(nèi)，且在臺(tái)車停止運(yùn)行后，負(fù)載無殘余擺動(dòng)。第二種是基于非線性耦合分析的在線軌跡規(guī)劃策略，可在線生成光滑易跟蹤的臺(tái)車軌跡，且無需任何離線優(yōu)化運(yùn)算，具有良好的消擺定位性能。論文通過大量的仿真與在吊車平臺(tái)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這兩種軌跡規(guī)劃方法的控制性能。
　　2)基于末端執(zhí)行器（負(fù)載）廣義運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)與跟蹤控制方法。為解決已有調(diào)節(jié)與跟蹤控制方

6、法存在的缺點(diǎn)與限制，論文提出了一種基于末端執(zhí)行器廣義運(yùn)動(dòng)的控制思想，將臺(tái)車定位與負(fù)載消擺的目標(biāo)轉(zhuǎn)換為對負(fù)載廣義水平運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)/跟蹤控制問題，并以此為基礎(chǔ)提出了三種非線性控制方法。第一種方法開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)簡單、不包含模型參數(shù)的調(diào)節(jié)控制律，增強(qiáng)了臺(tái)車與負(fù)載之間的耦合關(guān)系，大幅提高了暫態(tài)控制性能。第二種方法則設(shè)計(jì)了一種全新的跟蹤控制律，打破了現(xiàn)有跟蹤控制策略對參考軌跡的約束，且跟蹤性能好，消擺速度快，適用范圍廣。第三種方法則在前兩種的基礎(chǔ)上，

7、給出了一種改進(jìn)型增強(qiáng)耦合非線性控制器，進(jìn)一步提升了控制系統(tǒng)的魯棒性。借助數(shù)值仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)，論文將所提方法與現(xiàn)有文獻(xiàn)中方法進(jìn)行了充分對比，體現(xiàn)了它們優(yōu)越的控制性能。
　　3)基于能量分析的輸出反饋控制策略。為避免使用速度信號(hào)，并增強(qiáng)控制系統(tǒng)對不確定參數(shù)的魯棒性能，提出了一種無模型參數(shù)輸出反饋控制方法，通過引入虛擬彈簧一滑塊系統(tǒng)，借助能量交換與釋放原理，實(shí)現(xiàn)對吊車系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制，且能在模型參數(shù)未知、存在外界干擾的情況下，保持良好的控

8、制性能。進(jìn)一步，針對更加復(fù)雜的三維吊車系統(tǒng)，在充分考慮執(zhí)行器飽和約束的基礎(chǔ)上，本文又設(shè)計(jì)了一種基于虛擬負(fù)載的輸出反饋控制律，增強(qiáng)了臺(tái)車與負(fù)載之間的耦合關(guān)系，且能利用受限的控制量取得高效的防擺定位控制效果。為驗(yàn)證這兩種策略的實(shí)際性能，論文提供了詳實(shí)的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　4)伴有負(fù)載升降運(yùn)動(dòng)的吊車控制方法。由于系統(tǒng)狀態(tài)間的非線性耦合關(guān)系，繩長時(shí)變往往會(huì)激發(fā)更為劇烈的負(fù)載擺動(dòng)。針對已有變繩長吊車控制方法在設(shè)計(jì)或分析時(shí)須簡化系統(tǒng)的非線性

9、模型，且無法確保跟蹤誤差變化范圍的不足，本文提出了一種非線性跟蹤控制方法，能保證跟蹤誤差一直在設(shè)定范圍內(nèi)變化并收斂于零，且可放寬現(xiàn)有方法對負(fù)載擺角范圍的假設(shè)。隨后，考慮到負(fù)載質(zhì)量不確定/未知會(huì)導(dǎo)致豎直方向出現(xiàn)定位誤差的問題，論文又設(shè)計(jì)了一種新型的自適應(yīng)耦合控制律，不僅能保證負(fù)載質(zhì)量的在線估計(jì)收斂于其實(shí)際值，而且可實(shí)現(xiàn)臺(tái)車/繩長的精確定位及負(fù)載擺動(dòng)的快速衰減，首次解決了存在模型、摩擦參數(shù)不確定性的變繩長吊車消擺定位問題。除上述實(shí)際方面的優(yōu)

10、點(diǎn)外，這兩種控制方法在理論設(shè)計(jì)與分析時(shí)，均無須對吊車模型進(jìn)行任何近似處理，更具一般性。論文對兩種方法在消擺與定位方面的有效性及魯棒性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)測試。
　　5)考慮未建模動(dòng)態(tài)及擾動(dòng)的滑模控制方法。針對受外界及系統(tǒng)未建模動(dòng)態(tài)擾動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)吊車系統(tǒng)，本文提出了一種基于滑模的非線性控制方法，能在有效抑制這些擾動(dòng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)車的快速準(zhǔn)確定位，并充分消除負(fù)載的擺動(dòng)，有著很好的實(shí)用價(jià)值。此外，在理論方面，與現(xiàn)有吊車滑模控制方法相比，所提方