基于滑模方法的桥式吊车系统的抗摆控制
王 伟,易建强,赵冬斌,刘殿通
(中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学重点实验室,北京100080)
摘 要:针对桥式吊车这类欠驱动系统,提出一种基于滑模控制的抗摆方法.该方法将系统状态分成两组,构造出一种双层滑动平面.结合桥式吊车系统数学模型的特点,求取了总的滑模控制量并进一步设计了控制器的参数.采用Lyapunov方法,从理论上证明了各级滑动平面的稳定性.仿真结果验证了该方法对于桥式吊车系统抗摆控制的有效性.
关键词:桥式吊车;抗摆控制;滑模控制;欠驱动系统
中图分类号: TP273
文献标识码: A
1 引 言
桥式吊车作为一种重要的起重运输机械,在工业生产中得到了广泛的应用.对于桥式吊车的控制,往往要求对控制精度、速度以及抗摆等方面进行综合考虑.台车水平方向上的移动直接受电机的控制,因此台车移动的速度和精度控制是较易实现的.相对而言,吊车系统的抗摆控制往往难于实现.负载的摆动主要是由于加速、减速以及外界干扰而引起的,抗摆控制对于吊车运行的安全性往往是至关重要的.
目前,关于桥式吊车系统的研究已经很多.文献[1]提出了桥式吊车系统的次最小时间控制,采用Lyapunov方法给出了基于对象模型的抗摆控制策略;[2]采用最小时间控制的思想,将bang-bang控制中的一组切换时间值定义成一个新的变量,并通过模糊控制来寻找一组最优的切换时间序列;[3]研究的是一种线性时变的吊车模型,同样采用了最优控制策略,并针对对象变参数的特点提出一种变反馈增益的状态反馈控制法.目前,智能控制在吊车系统中也有一定的应用[4,5].
对于吊车系统的研究,往往只局限于某一具体的方面.例如有的只研究吊车运输的快速性,而忽略了现场的安全性;有的只研究吊车系统的抗摆控制,而忽略了外界的扰动(对于港口码头这类室外应用场合,考虑外界的扰动往往是至关重要的).即使最简单的桥式吊车,也属于欠驱动控制系统,要想通过一个电机来同时实现水平移动、抗负载摆动和抗外加干扰,通常是相当困难的.滑模控制具有对外界扰动不变性的特点,因此滑模控制方法适合于实现吊车系统的抗摆控制.
文献[8]提出一种分层模糊滑模控制方法,它将一个非线性系统分成若干个子系统,以渐近稳定性为性能指标来设计模糊自适应律,从而保证各个子系统之间的相互解耦.该方法在非线性解耦方面是一个很好的尝试,但在构造分层滑动面时却出现了右半平面的极点,即滑动平面不满足霍尔维茨多项式条件,这样必须采用模糊滑动面来不断调整.因此该方法部分丧失了滑模控制对外界挠动不变性的特点.
本文基于滑模方法提出一种抗摆控制器,该控制器具有双层滑动平面结构,结合吊车系统的特点,可求取总的滑模控制量,在保证稳定的前提下进一步确定该滑模控制器参数.这种基于滑模方法的抗摆控制器具有滑模控制抗外界干扰的优点,而且可实现水平距离与摆角的同时控制.本文不仅从理论上证明了各级滑动平面的稳定性,而且通过仿真实验验证了该结果.
2 桥式吊车系统的数学模型 考虑一个平面桥式吊车模型,其结构如图1所示.假设台车和负载可看作质点,并且一直处于X-Y平面内运动;同时忽略台车与轨道之间的摩擦力以及绳索长度L的变化.利用欧拉-拉格朗日方程可求得吊车系统的数学模型如下:  
6 结 语
本文基于变结构的方法提出了一种桥式吊车系统的抗摆控制器.该方法可在实现系统快速定位的同时提供抗摆控制;同时由于采用了滑模控制,当系统状态进入滑动平面后,整个系统对外界的干扰具有较强的鲁棒性.仿真结果进一步验证了这种滑模控制方法的有效性.该方法对于欠驱动被控对象的控制是一种可行的解决方案.
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