[发明专利]基于分数阶扰动观测器的海上起重机稳定控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于分数阶扰动观测器的海上起重机稳定控制方法及系统，包括：利用拉格朗日方法，建立存在匹配扰动和非匹配扰动情况下的二级摆型海上起重机动力学模型；以将吊钩和负载调节至期望位置并抑制其摆动为控制目标，通过分数阶扰动观测器在有限时间内估计和补偿匹配扰动，在此基础上，设计非线性局部有界控制器；通过所述控制器实现对二级摆型海上起重机的稳定控制。本发明有益效果：本发明设计了局部有界非线性控制器，能够保证控制信号满足执行器物理输入约束的同时，保证状态变量能够收敛于期望值同时抑制吊钩和负载的摆动。

技术领域

本发明涉及海上起重机稳定控制技术领域，尤其涉及一种基于分数阶扰动观测器的海上起重机稳定控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

海上起重机是一种安装于船上的特殊类型的起重机械，用于船与船之间或者船与码头之间的货物运输。由于工作于海上环境，起重船会在海浪的影响下产生持续的多自由度运动。起重船的运动不仅会造成负载摆动，降低起重机吊装效率，而且在某些工况下可能会引起共振，给海上起重机机械系统和操作人员的安全造成极大的威胁。出于以上原因，设计高性能的负载稳定控制方法实现安全高效的海上运输是海洋工业领域亟待解决的难题。

国内外研究人员对海上起重机稳定控制问题开展了深入研究。例如：现有技术对海上浮式起重机、集装箱起重机、海上臂式起重机以及塔式起重机等多种海上起重机的运动特性进行了分析并建立相应的动力学模型。在将复杂的海上起重机动力学模型进行线性化处理后，现有技术分别提出了时滞反馈控制器和预跟踪控制器，实现了负载定位控制。

此外，研究人员基于线性化后的模型设计了多种线性控制器例如PID控制器，线性二次型调节控制器等。然而，这些线性控制器仅能在平衡点附近小范围内取得较好的控制效果。当海上起重机受到较大干扰，系统状态偏离平衡点较远时，线性控制器将无法取得令人满意的控制效果。

为了增强海上起重机对扰动的鲁棒性，现有技术在不对起重机模型进行线性化处理的基础上设计了非线性滑模控制器。考虑到海上起重机系统模型参数例如吊臂质量、转动惯量等的精确值难以获得，一些现有技术设计了无需模型参数的非线性反馈控制器来将负载调节至期望位置。另一些现有技术则采用自适应方法解决海上起重机模型参数未知问题。近些年来，神经网络和模糊控制等只能控制算法也被应用于海上起重机稳定控制领域。

然而，目前绝大多数的海上起重机稳定控制研究均将海上起重机的缆绳-吊钩-负载系统视为单摆系统。当海上起重机的吊钩与负载质量相近或者负载体积较大时，缆绳-吊钩-负载系统会呈现明显的二级摆特性。在这种情况下，现有的基于单摆系统的海上起重机稳定控制方法将无法获得良好的控制效果。

发明内容

本发明针对存在起重船横摇和升沉运动以及执行机构输入约束的情况下，二级摆型海上起重机稳定控制问题，提出了一种基于分数阶扰动观测器的海上起重机稳定控制方法及系统，设计局部有界非线性控制器，在理论上保证控制信号满足执行器物理输入约束的同时，保证状态变量能够收敛于期望值同时抑制吊钩和负载的摆动。

根据本发明实施方式的第一个方面，公开了一种基于分数阶扰动观测器的海上起重机稳定控制方法，包括：

利用拉格朗日方法，建立存在匹配扰动和非匹配扰动情况下的二级摆型海上起重机动力学模型；

以将吊钩和负载调节至期望位置并抑制其摆动为控制目标，通过分数阶扰动观测器在有限时间内估计和补偿匹配扰动，在此基础上，设计非线性局部有界控制器；

通过所述控制器实现对二级摆型海上起重机的稳定控制。

根据本发明实施方式的第二个方面，公开了一种基于分数阶扰动观测器的海上起重机稳定控制系统，包括：