【摘要】：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,隨著自動控制技術(shù)的高速發(fā)展,吊車的自動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)器人與自動控制領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。然而,吊車系統(tǒng)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)動系統(tǒng),且其在工作時易受摩擦力、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)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。 迄今為止,盡管針對欠驅(qū)動吊車自動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)大多忽視臺車的運(yùn)動規(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算/優(yōu)化,且當(dāng)運(yùn)送距離改變時,須重新離線計算軌跡參數(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)有針對繩長時變吊車系統(tǒng)設(shè)計的控制方法,在設(shè)計或分析時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；7)在控制器設(shè)計與分析時,無法考慮未建模系統(tǒng)動態(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。臺車的加減速運(yùn)動直接影響負(fù)載的擺動,通過分析臺車運(yùn)動與負(fù)載擺動之間的運(yùn)動耦合關(guān)系,本文提出了兩種可實(shí)現(xiàn)同時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)劃方法,其給出了三種具有解析表達(dá)式的臺車運(yùn)行軌跡,能保證負(fù)載擺幅及臺車速度、加速度始終保持在事先設(shè)定的范圍內(nèi),且在臺車停止運(yùn)行后,負(fù)載無殘余擺動。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)動的控制思想,將臺車定位與負(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,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,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—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)計了一種基于虛擬負(fù)載的輸出反饋控制律,增強(qiáng)了臺車與負(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,繩長時變往往會激發(fā)更為劇烈的負(fù)載擺動。針對已有變繩長吊車控制方法在設(shè)計或分析時須簡化系統(tǒng)的非線性模型,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/未知會導(dǎo)致豎直方向出現(xiàn)定位誤差的問題,論文又設(shè)計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)量的在線估計收斂于其實(shí)際值,而且可實(shí)現(xiàn)臺車/繩長的精確定位及負(fù)載擺動的快速衰減,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)點(diǎn)外,這兩種控制方法在理論設(shè)計與分析時,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)考慮未建模動態(tài)及擾動的滑�？刂品椒āａ槍κ芡饨缂跋到y(tǒng)未建模動態(tài)擾動的欠驅(qū)動吊車系統(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的同時,實(shí)現(xiàn)臺車的快速準(zhǔn)確定位,并充分消除負(fù)載的擺動,有著很好的實(shí)用價值。此外,在理論方面,與現(xiàn)有吊車滑�？刂品椒ㄏ啾�,所提方法無須對系統(tǒng)非線性模型進(jìn)行任何線性化或其它近似處理。進(jìn)一步,通過與已有文獻(xiàn)中的多種方法進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)對比知,該方法在抑制擺動、快速定位、魯棒性等方面表現(xiàn)出更為優(yōu)越的控制性能。
【學(xué)位授予單位】：南開大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TH21;TP273
【圖文】：

為了論文敘述的完整性，在給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析之前，在此首先對本文使用的橋式吊車實(shí)驗(yàn)平臺作簡要介紹，更多信息參見丨141丨。實(shí)驗(yàn)平臺如圖2.10所示，它由機(jī)械主體、實(shí)時控制系統(tǒng)以及驅(qū)動裝置三部分組成。'：愈'■工：；z. M 德』圖2.10橋式吊車實(shí)驗(yàn)平臺在機(jī)械主體與驅(qū)動裝置部分，臺車可沿橋架在:r方向上運(yùn)動，而橋架與臺車則可一起沿著軌道在y方向上運(yùn)行，兩個方向上均使用森創(chuàng)(SYNTRON)交流伺服電機(jī)提供所需的驅(qū)動力，臺車的位移則由嵌入在伺服電機(jī)內(nèi)部的同軸碼盤直接測得。在豎直方向上，負(fù)載通過鋼絲吊繩與臺車連接在一起，其升降運(yùn)動由一個固定于臺車上的松下(Panasonic)交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，電機(jī)內(nèi)部同樣嵌有同軸碼盤以實(shí)時讀取吊繩長度

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 翟軍勇;費(fèi)樹岷;;集裝箱橋吊防搖切換控制研究[J];電機(jī)與控制學(xué)報;2009年06期

2 李偉;曹濤;王濱;呂景惠;孫樂美;李超;;基于二次型最優(yōu)控制的起重機(jī)開環(huán)消擺方法[J];電氣傳動;2007年03期

3 占探;桂衛(wèi)華;陽春華;伍曉峰;;基于網(wǎng)絡(luò)控制的球桿系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計[J];控制工程;2011年01期

4 馬博軍;方勇純;王鵬程;苑英海;;三維橋式吊車自動控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J];控制工程;2011年02期

5 劉殿通,易建強(qiáng),譚民;適于長距離運(yùn)輸?shù)姆侄蔚踯嚹：刂芠J];控制理論與應(yīng)用;2003年06期

6 馬博軍;方勇純;王宇韜;姜鐘平;;欠驅(qū)動橋式吊車系統(tǒng)自適應(yīng)控制[J];控制理論與應(yīng)用;2008年06期

7 孫秀云;方勇純;孫寧;;小型無人直升機(jī)的姿態(tài)與高度自適應(yīng)反步控制[J];控制理論與應(yīng)用;2012年03期

8 郭晨;汪洋;孫富春;沈智鵬;;欠驅(qū)動水面船舶運(yùn)動控制研究綜述[J];控制與決策;2009年03期

9 賴旭芝;吳敏;佘錦華;YANG Simon X.;;欠驅(qū)動兩桿機(jī)器人的統(tǒng)一控制策略和全局穩(wěn)定性分析[J];自動化學(xué)報;2008年01期

10 孫寧;方勇純;王鵬程;張雪波;;欠驅(qū)動三維橋式吊車系統(tǒng)自適應(yīng)跟蹤控制器設(shè)計[J];自動化學(xué)報;2010年09期

本文編號：2797087