[发明专利]欠驱动桅杆式起重机定位消摆非线性控制方法

说明书

一种欠驱动桅杆式起重机定位消摆非线性控制方法，属于机电系统控制领域。该方法包括：根据起重机的动力学模型构造能量函数，并充分利用可驱动变量（吊杆旋转角和俯仰角）和不可驱动变量（负载径向摆角和切向摆角）之间的耦合关系，构造李雅普诺夫候选函数，从而设计出一种新型的非线性控制器。除此之外，为对吊杆转动的超调量进行有效限制，在控制器中加入限幅项，防止吊杆在目标位置附近来回摆动。此方法可以实现准确定位控制与快速消摆控制。

技术领域

本发明属于机电系统控制领域，可以对动力学模型十分复杂的三维欠驱动桅杆式起重机系统进行有效的消摆和定位控制。

背景技术

在实际应用中，大多数机械系统都是欠驱动的。所谓欠驱动，就是系统独立的驱动量少于系统的自由度。近几十年来，学者们为解决类似系统的控制问题做出了巨大的努力，其研究对象包括欠驱动机器人系统^[1,2]、吊车系统^[3,4]、旋转激励平移振荡器系统^[5]等。其中，吊车是一种典型的欠驱动系统，被广泛应用于建筑工地、码头和工厂等地完成货物的装卸工作。然而，由于人工操作的不确定性，有时很难将货物准确地运送到指定地点。更严重的是，错误的操作可能会导致一系列危险意外的发生。因此，在实际应用中，亟待设计有效的自动控制方法解决上述问题。

对于欠驱动桥式起重机系统，已有的控制方法可分为开环控制、闭环控制两类。具体而言，开环控制方法包括轨迹规划^[3,6]和输入整形^[7]等。而闭环控制方法往往可以更加有效地处理外界干扰，获得较好的控制效果，例如基于能量的控制方法^[8,9]、滑模控制^[10]、自适应控制^[11]等。

在各式吊车系统中，桅杆式起重机在实际应用中十分常见，并且在日常生活中扮演着重要角色，比如进行路面维修、货物搬运等任务。可是，通常桅杆式起重机都是由人工来操作，这会导致运行效率低和吊杆无法准确定位等问题。与已被广泛研究的桥式起重机相比，桅杆式起重机状态量之间存在着更强的耦合。具体而言，它具有俯仰和旋转两方向的运动，会产生复杂的离心力，导致其动力学方程呈现出高度的非线性和复杂性，使得控制器设计的难度进一步增加。