CN108469736A - 基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法和*** - Google Patents
基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法和*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN108469736A CN108469736A CN201810399899.7A CN201810399899A CN108469736A CN 108469736 A CN108469736 A CN 108469736A CN 201810399899 A CN201810399899 A CN 201810399899A CN 108469736 A CN108469736 A CN 108469736A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sunpender
- marine hoist
- lifting rope
- disappears
- marine
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 54
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 20
- 238000005312 nonlinear dynamic Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 25
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 13
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 9
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 7
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 6
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 6
- 239000013641 positive control Substances 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 2
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000009415 formwork Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010219 correlation analysis Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000017105 transposition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
- G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
- G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
- G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Control And Safety Of Cranes (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法和***，包括以下步骤：基于船用吊车***动力学模型构造包括控制目标、绳长限制的能量函数及状态观测器，根据所述能量函数设计驱动吊杆和吊绳运动的非线性动态反馈控制方法；接收设定的船用吊车***的***参数；获取吊杆俯仰角、吊绳长度以及负载的摆角的测量值；根据所述非线性动态反馈控制方法得到控制吊杆和吊绳运动的输入信号；根据所述输入信号实现负载的准确定位并快速消除其残余摆动。本发明可以处理速度信号无法被直接测量的情况，同时实现负载的准确定位与快速消摆。
Description
技术领域
本发明属于海洋机械***自动控制领域，适用于受到海浪干扰并且无法直接对速度信号进行准确测量的非线性船用吊车***负载的准确定位和有效的消摆控制。
背景技术
目前，大型货物的进出口贸易主要依赖于海上运输。因此，作为一类典型的非线性控制***，船用吊车有着十分重要的应用价值。不同于传统的人工操作，自动控制可以有效地减少人力损耗并进一步提高运输效率。可是，对于非线性船用吊车***，其复杂的机械结构和恶劣的工作环境将给自动控制策略的设计与分析带来很多挑战。具体来讲，船用吊车***的主要控制任务为通过同时调节吊杆俯仰角及吊绳长度，使负载稳定于指定位置，并快速消除其残余摆动，这也就意味着可直接驱动的控制输入数目要少于***独立的状态变量数目。因此，船用吊车可被看作一类典型的欠驱动***，其可控变量的缺失在一定程度上增加了控制器设计的难度。
如今，很多研究者对欠驱动***表现出极大的兴趣。特别地，相对于船用吊车***，陆地吊车***的研究成果要更加成熟。具体来讲，现有的适用于陆地吊车***的控制方法可被大致分为两类：开环控制及闭环控制。在实际应用中，开环控制器可以降低硬件损耗并且避免不准确的反馈信息对控制输入的影响，而闭环控制对抵抗外部未知干扰更加有效，具有较强的鲁棒性。
然而大多数情况下，由于***更加复杂的非线性耦合特性，很难将上述控制方法直接应用于船用吊车。并且，若未对负载进行有效的控制，吊杆的俯仰运动将会导致其产生较大幅度的摆角及残余摆动。另外，船用吊车通常被应用于海洋中的大型货轮上，海浪引起的外部干扰必须被充分考虑并尽量被消除。于是，船用吊车***的自动控制十分具有挑战性，并得到了外界的广泛关注。为消除海浪干扰，Mahl等人提出了一些方法可对船体的运动进行补偿，进而有效地实现负载定位。类似地，基于所设计的自适应观测器，Messineo等提出一种闭环控制方法对外部干扰进行补偿。另外，Liu等人除对海浪干扰施加补偿之外，还利用模糊控制对控制增益进行调节。除此之外，一些基于滑模控制的策略被提出，进而完成吊杆/台车的准确定位及负载的快速消摆。Raja Ismail等设计了一种控制方法可实现具有鲁棒性的轨迹跟踪，并有效抵抗外部干扰。在滑模控制的基础上，Ngo等结合模糊控制方法，进一步提高船用吊车***的消摆及定位效果。除了现有的闭环控制器，基于输入整形的开环控制策略可在充分考虑海浪干扰的情况下，解决船用吊车的控制问题。不同于传统的控制方法，一系列智能算法能够对控制增益进行在线调节。
尽管现有控制方法在一定程度上可以实现吊杆定位及负载消摆等基本目标，但是针对船用吊车***的相关研究仍处于起步阶段。可以发现，运输过程中的控制性能还需被进一步提高，一些尚未解决的热点问题仍值得被深入研究。
首先，线性化操作被广泛应用于复杂的非线性***(如船用吊车***)的研究中，进而可以降低控制器设计和稳定性分析的难度。然而，在大多数情况下，线性化后的动力学模型将忽略某些船用吊车***的非线性特性。例如，一旦负载摆角在未知扰动的影响下远离平衡点，简化后的线性模型将无法准确地反映***特性，很大程度上降低了控制效果。其次，在实际应用中，速度信号通常作为反馈信息被应用于闭环控制中。不过，考虑到安装速度传感器只会增加硬件损耗以及整个***的重量和体积，大多数机械***的硬件结构中仅保留位移/角度传感器以获得状态变量的反馈值，而速度信号是无法被直接测量的，仅可通过数值微分操作计算得到。但是，上述操作将引入额外的噪声而使原始信号失真，对控制性能产生不可忽略的影响。除此之外，基于数值微分而获得速度信号的方法很难在理论上保证整个闭环***的稳定性。
综上所述，为避免对原始模型的线性化操作以及速度信号无法被直接测量等实际问题带来的影响，急需提出一种合理的控制方法，有效地提高船用吊车***的动态性能。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法和***，所述方法根据船用吊车的非线性动力学模型构造能量函数，设计了一种基于状态观测并对绳长变化范围进行有效限制的方法，进而实现负载的定位与消摆控制。除此之外，本方法可对状态变量的速度信号进行在线还原，并且保证船用吊车***、观测器及控制器组成的整个闭环***的稳定性。此方法可以处理速度信号无法被直接测量的情况，同时实现吊杆/吊绳的准确定位与负载的快速消摆。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法，包括以下步骤：
基于船用吊车***动力学模型构造包括控制目标、绳长限制的能量函数及状态观测器，根据所述能量函数设计驱动吊杆和吊绳运动的非线性动态反馈控制方法；
接收设定的船用吊车***的***参数；
获取吊杆俯仰角、吊绳长度以及负载的摆角的测量值；
根据所述非线性动态反馈控制方法得到控制吊杆和吊绳运动的输入信号；
根据所述输入信号实现负载的准确定位并快速消除其残余摆动。
进一步地，所述控制目标包括：1)在大地坐标系下，调节负载到达指定位置；2)消除负载大地坐标系下的残余摆动；3)限制吊绳在整个控制过程中的变化范围。
进一步地，所述船用吊车***的***参数包括：负载质量、吊杆长度、吊杆重心到转轴的距离与吊杆质量的乘积以及吊杆的转动惯量。
进一步地，所述方法还包括：将所述***原始状态变量进行坐标变换，得到变换后的状态量；根据负载在大地坐标系下的指定位置，计算变换后的***状态量的目标值。
进一步地，所述变换后的状态量的目标值为：
其中，arccos代表反余弦函数，(xd,yd)表示负载在大地坐标系下的目标位置，Lb为吊杆长度，ζ1d,ζ2d,ζ3d分别为变换后的***状态量ζ1,ζ2,ζ3的目标值。
进一步地，所述控制吊杆和吊绳运动的非线性动态反馈控制方法为：
其中，ub,ul分别为驱动吊杆俯仰运动和吊绳长度的控制输入；kp1,kp2,kd1,kd2,为正的控制增益；吊杆及吊绳的定位误差e1＝ζ1-ζ1d,e2＝ζ2-ζ2d；分别表示变换后的***状态量ζ1(t),ζ2(t)的在线估计值关于时间t的导数；lmin,lmax分别为吊绳有效长度的上下限；m,Lb分别为负载质量及吊杆长度，Md表示吊杆重心到转轴的距离与吊杆质量的乘积，g为重力加速度。
进一步地，所述方法还包括：根据船用吊车***的***参数、变换后的***状态量以及与船体横滚运动相关的***内部扰动，在线还原***状态变量的速度信号。
根据本发明的第二目的，本发明还提供了一种基于状态观测的船用吊车消摆定位控制装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述程序时可实现所提控制方法。
根据本发明的第三目的，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可实现所述的船用吊车消摆定位控制方法。
根据本发明的第四目的，本发明还提供了一种船用吊车消摆定位***，包括：角度传感器、位移传感器和所述的消摆定位控制装置。
本发明的有益效果
1、考虑到海浪干扰及速度信号无法被直接测量等实际问题的影响，本发明提出一种基于状态观测的动态反馈控制方法，可以通过对船用吊车吊杆/吊绳的有效控制，实现负载的准确定位，并快速消除其残余摆动，更适合被应用于实际***。
2、本发明设计的观测器能够利用可测的输出反馈信号(即角度和位移)准确地还原状态变量的速度值，从而避免数值微分操作对真实信号的影响。虽然分离原则不再适用于非线性船用吊车***，本发明仍可对船用吊车、观测器及控制器所组成的整体闭环***的稳定性进行严格的理论证明，有望被进一步应用于实际船用吊车***中，具有十分重要的现实意义。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明船用吊车消摆定位控制方法流程图；
图2为本发明所提方法的实验结果，其中变换后的***状态量、俯仰控制量和绳长控制量分别对应ζ1、ζ2、ζ3、ub和ul；
图3为现有技术在对比实验中的实验结果，其中变换后的***状态量、俯仰控制量和绳长控制量分别对应ζ1、ζ2、ζ3、ub和ul。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法，如图1所示，包括：
基于船用吊车***动力学模型构造包括控制目标及绳长限制的能量函数及状态观测器，根据所述能量函数设计驱动吊杆和吊绳运动的非线性动态反馈控制方法；
设定吊绳有效长度上下限、负载质量、吊杆长度、吊杆重心到转轴的距离以及吊杆的转动惯量等***参数；
基于安装在船用吊车***上的角度/位移传感器接收吊杆俯仰角φ(t)、吊绳长度l(t)以及负载的摆角θ(t)的测量值；
根据所述非线性动态反馈控制方法得到控制吊杆和吊绳运动的输入信号，实现负载的准确定位并快速消除其残余摆动。
(一)***非线性动力学模型及控制目标
基于拉格朗日方法建立的船用吊车***动力学方程如下所示：
其中，Sθ-φ，Cθ-φ，Sθ-γ，Cθ-γ分别表示sin(θ-φ)，cos(θ-φ)，sin(θ-γ)，cos(θ-γ)；φ(t),分别表示吊杆俯仰角及其相应的角速度和角加速度，l(t),分别表示吊绳长度及其相应的速度和加速度，θ(t),分别表示负载摆角及其相应的角速度和角加速度，γ(t),分别表示船体横滚角及其相应的角速度和角加速度，ub(t),ul(t)分别为作用于吊杆和吊绳上的控制输入信号，t表示时间，变量后面(t)表示该变量为关于时间t的函数；为简明起见，略去大多数变量后面的(t)；J,m,Lb分别表示吊杆的转动惯量、负载质量及吊杆长度，Md为吊杆重心到转轴的距离与吊杆质量的乘积，g表示重力加速度；fd1(t),fd2(t),fd3(t)分别表示与船体横滚运动相关的***内部扰动，可表示为如下形式：
其中，c代表空气阻力系数。
负载的定位控制通常是在大地坐标系下进行的，考虑到海浪干扰对船用吊车***的影响，负载在大地坐标系下的目标位置(xd,yd)可表示为
xd＝Lbcos(φd-γ)+lsin(θd-γ),
yd＝Lbsin(φd-γ)-lcos(θd-γ). (5)
其中，φd,ld,θd分别表示吊杆俯仰角、吊绳长度及负载摆角的目标值。由此可知，当θd＝γ(t)时，即可实现负载的完全消摆。因此，很容易得到
其中，arccos代表反余弦函数。可以看出φd,ld,θd是时变的，从而增加了对船用吊车***进行有效控制的难度。为解决上述问题，可实施如下坐标变换以便进行后续的控制器/观测器设计：
其中，ζ1,ζ2,ζ3为变换后的***状态量。于是，利用式(6)和式(7)，易知ζ1,ζ2,ζ3的目标值ζ1d,ζ2d,ζ3d为常量，可被表示为如下形式：
为了便于后文的相关分析，将式(1)-式(4)变换为如下矩阵-向量形式：
其中，及分别为变换后的***状态量ζ1,ζ2,ζ3关于时间t的一阶及二阶导数，分别为变换后的***状态向量ζ关于时间t的一阶及二阶导数，S1-3,C1-3,C1,C3,S3分别表示sin(ζ1-ζ3),cos(ζ1-ζ3),cosζ1，cosζ3，sinζ3。
基于M(ζ)的具体形式，可知M(ζ)是正定的，并且可以得到如下结论：
其中，η为任意三维向量，符号“||·||”表示向量的2-范数，λm,λM表示正的常数，表示M(ζ)关于时间的导数。另外，可知满足如下性质：
其中，ζ1,ζ2为任意三维向量，符号表示向量的无穷范数，lmax为吊绳有效长度的上限。
综上，在运动过程中，船用吊车***的控制目标包括如下四个部分：1)在大地坐标系下，调节负载到达指定位置(xd,yd)，其中，xd,yd分别为负载在大地坐标系下的目标位置；2)快速消除负载大地坐标系下的残余摆动；3)有效地限制吊绳在整个控制过程中的变化范围，即保证
lmin＜l(t)＜lmax,
其中，l(t)为吊绳的长度，t表示时间，变量后面(t)表示该变量为关于时间t的函数；为简明起见，略去大多数变量后面的(t)；lmin,lmax分别为吊绳有效长度的上下限；4)利用状态观测器，在线还原***状态变量的速度信号。
于是，本发明的控制目标可表示为如下数学形式：
lmin＜l(t)＝ζ2(t)＜lmax,
其中，分别表示ζ1(t),ζ2(t),ζ3(t)的在线估计值关于时间t的导数；lmin,lmax分别为吊绳长度限制范围的上下限。
(二)观测器设计
接下来，将构造一个非线性观测器，在线还原状态变量的速度信号。基于船用吊车***的动力学模型，可以设计如下观测器：
其中，分别表示对ζ(t)的估计值及其关于时间t的导数，表示辅助向量，λm为正的常数，已在式(10)中被定义，分别为正定对角增益矩阵，其取值范围将在后文中被定义。另外，估计误差向量可被定义为
通过对式(14)关于时间t求导，并在得到的等式两边同时左乘M(ζ)，结合式(15)，可以得到如下等式：
其中，表示关于时间t的二阶导数，表示关于时间t的一阶导数。另一方面，可将式(9)改写为
于是，结合式(16)和式(17)，很容易得出
其中，表示关于时间t的二阶导数。考虑到式(13)所表示的性质，可对式(18)等号右边的前两项进行如下变换：
并将式(19)代入式(18)，可以计算得到
式(20)将用于后文分析基于观测器的动态反馈控制方法的稳定性。
(三)控制器设计
为便于控制器设计，定义误差信号和状态观测信号。
首先引入如下坐标变换：
其中，φ(t)表示吊杆的俯仰角，l(t)表示吊绳的长度，θ(t)表示负载的摆角，γ(t)表示海浪引起的船体的横滚角，ζ1(t),ζ2(t),ζ3(t)分别为***经过坐标变换后的状态变量，t表示时间，变量后面(t)表示该变量为关于时间t的函数；为简明起见，略去大多数变量后面的(t)；表示***经过坐标变换后的状态向量，其中，符号表示矩阵/向量转置；利用上述坐标变换，并结合控制目标，可以得出变换后的***状态量的目标值为
其中，arccos代表反余弦函数，xd,yd分别为负载在大地坐标系下的目标位置，Lb为吊杆长度，ζ1d,ζ2d,ζ3d分别为***经过坐标变换后的状态变量ζ1,ζ2,ζ3的目标值。
接下来，定义***的误差信号e1(t),e2(t)分别为
e1＝ζ1-ζ1d,e2＝ζ2-ζ2d,
其中，ζ1d,ζ2d分别为吊杆俯仰角及绳长的目标值。于是，误差信号关于时间t的导数分别为
其中，分别表示ζ1(t),ζ2(t)关于时间t的导数。除此之外，定义经过坐标变换后的状态变量ζ1(t),ζ2(t),ζ3(t)的观测值为观测误差为 表示状态向量ζ的观测值，表示状态向量ζ的观测误差。
接下来，构造如下包括控制目标及绳长限制的船用吊车***的能量函数Em(t)：
其中，表示正的控制增益。另外，E(t)表示吊车***的储能函数，Emp1(t),Emp2(t)表示精心构造的能量函数，使得Em(t)在***平衡点处达到最小值。
接下来，对能量函数Em(t)关于时间t求导，可求得如下：
考虑到速度信号无法直接通过状态反馈得到，可设计如下非线性动态反馈控制方法：
其中，表示正的控制增益，可由状态观测器(14),(15)得到。为保证***的稳定性，增益的取值范围可选取为
其中，
其中，ζ1(0),ζ2(0)分别为ζ1(t),ζ2(t)的初始值。不失一般性地，选取变换后的状态变量初始估计值及其关于时间t的导数的初始值为
(四)稳定性分析
这部分将利用李雅普诺夫方法和拉塞尔不变性原理，对船用吊车***、观测器及控制器组成的整个闭环***的稳定性进行分析，证明基于状态观测器(14),(15)的动态反馈控制器(23)的有效性。
首先，选取如下与观测误差信号相关的正定函数：
并对V0关于时间t求导可知
利用式(10)和式(11)，并将式(20)代入上式(28)中，可进一步计算得出
接下来，针对整个闭环***(即同时考虑观测器和控制器)，利用能量函数Em(t)及正定函数V0构造如下李雅普诺夫候选函数：
V(t)＝V0(t)+Em(t), (30)
然后对式(30)关于时间t求导，并将式(14),(15)和式(23)代入利用式(29)可以得到如下结论：
进一步可以将式(31)改写为如下形式：
其中，中间向量ψ1,ψ2,分别定义为 为保证式(32)中的三个矩阵为正定的，需要满足如下条件：
kd1,kd2>0,
即
kd1,kd2>0,
另外，利用式(21),式(27)和式(30)，可以得到
从而可知，使得式(32)中的三个矩阵为正定的充分条件为
kd1,kd2>0,
因此，当控制增益的取值满足式(36)时，可将式(32)改写为
其中，β1,β2,β3,β4,β5,为正的常数。于是，可以看出闭环***平衡点是李雅普诺夫稳定的，即
注意到绳长初始值ζ2(0)始终在有效范围(lmin,lmax)内，一旦ζ2(t)接近lmin或lmax，则(ζ2-lmin)2或(ζ2-lmax)2将趋于0，即V(t)→∞，很明显与式(38)中的结论相矛盾。因此，吊绳长度ζ2(t)将始终被限制在有效范围(lmin,lmax)内。另外，由可知
V(t)≤V(0). (39)
与此同时，根据式(26)，V(0)可表示为
其中ω在式(25)中被定义。由此可知，当基于式(24)选取控制增益时，可满足式(36)中的充分条件。
接下来，为证明闭环***状态变量的收敛性，需要进一步进行基于不变集的相关分析。定义集合与集合且为中的最大不变子集。基于此，很明显地在中
最后，将式(41)代入式(9)及式(23)中的ub，可以得到
mgζ2sinζ3＝0. (43)
由于整个控制过程中，吊绳长度ζ2(t)可被限制在有效范围(lmin,lmax)内，因此能够得到如下结论：
于是，利用式(23)中的ul及式(41),(44),可将式(9)进一步简化为如下形式：
结合式(16),(17)及式(41)-(46)中的结论，可以得出
由此可知，集合仅包括闭环***平衡点，于是利用拉塞尔不变性原理可以证明***平衡点是渐近稳定的，并且状态变量的估计值可收敛于其真实值，证明了本发明可处理速度信号无法直接被测量时船用吊车***的负载定位及消摆控制。
实施例二
本实施例的目的是提供一种计算装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种基于状态观测的船用吊车消摆定位控制装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤，包括：
基于船用吊车***动力学模型构造包括控制目标及绳长限制的能量函数及状态观测器，根据所述能量函数设计驱动吊杆和吊绳运动的非线性动态反馈控制方法；
接收设定的船用吊车***的***参数；
获取吊杆俯仰角、吊绳长度以及负载的摆角的测量值；
根据所述非线性动态反馈控制方法得到控制吊杆和吊绳运动的输入信号；
根据所述输入信号实现负载的准确定位并快速消除其残余摆动。
实施例三
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行以下步骤：
基于船用吊车***动力学模型构造包括控制目标及绳长限制的能量函数及状态观测器，根据所述能量函数设计驱动吊杆和吊绳运动的非线性动态反馈控制方法；
接收设定的船用吊车***的***参数；
获取吊杆俯仰角、吊绳长度以及负载的摆角的测量值；
根据所述非线性动态反馈控制方法得到控制吊杆和吊绳运动的输入信号；
根据所述输入信号实现负载的准确定位并快速消除其残余摆动。
实施例四
本实施例的目的是提供一类船用吊车消摆定位***。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本实施例提供了一类船用吊车消摆定位***，包括：角度传感器、位移传感器和计算设备，所述角度传感器用于测量吊杆俯仰角和负载摆角，所述位移传感器用于测量吊绳的长度，上述测量值均发送至所述计算设备。
所述计算设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。
所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
基于船用吊车***动力学模型构造包括控制目标及绳长限制的能量函数及状态观测器，根据所述能量函数设计驱动吊杆和吊绳运动的非线性动态反馈控制方法；
接收设定的船用吊车***的***参数；
获取吊杆俯仰角、吊绳长度以及负载的摆角的测量值；
根据所述非线性动态反馈控制方法得到控制吊杆和吊绳运动的输入信号；
根据所述输入信号实现负载的准确定位并快速消除其残余摆动。
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤及方法与实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
实验结果
为验证本发明所设计的动态反馈控制器的有效性，可按照上述步骤，在自主搭建的硬件平台上进行实验。实验中，负载质量、吊杆长度等***参数取值如下：
m＝0.34kg,Lb＝0.65m,g＝9.8m/s2,
Md＝0.29kg·m,J＝0.2457kg·m2.
变换后的***状态量ζ1,ζ2,ζ3的初始值设置为ζ1(0)＝0deg,ζ2(0)＝0.6m,φ3(0)＝0deg，其中，deg表示角度，m表示米。负载在大地坐标系下的目标位置为yd＝0.125m，由此可得到变换后的***状态量ζ1,ζ2,ζ3的目标值为ζ1d＝30deg,ζ2d＝0.2mζ,3d＝0d，e吊g绳长度的有效范围(lmin,lmax)为(0.05m,0.8m)。另外，船体的横滚运动被设计为γ(t)＝6sin(0.4t+0.4)deg。
本实验将Fang等提出的非线性复合控制方法(Y.Fang,P.Wang,N.Sun,andY.Zhang,Dynamics analysis and nonlinear control of an offshore boom crane,IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.61,no.1,pp.414-427,Jan.2014.)作为对比方法，以验证本发明所设计的基于状态观测的动态反馈控制方法的有效性。首先，本发明所提出的观测器(14),(15)及控制器(23)的控制增益为：
kp1＝24,kd1＝1.5,kp2＝150,kd2＝100,
λo11＝600,λo12＝500,λo13＝300,λo21＝500,λo22＝550,λo23＝300.
同时经过参数调节，Fang等提出的非线性复合控制方法中的增益可选取为：
k1＝16.5,kL1＝32,k2＝3,kL2＝10,k3＝2.6,kα＝0.2,kβ＝0.25,kx＝0.9,σ＝0.01.
附图2和附图3展示了相应的实验结果，其中变换后的***状态量、吊杆俯仰运动控制量和吊绳长度控制量分别对应于φ1、φ2、φ3、Fb和Fl，(从上到下)第1个子图和第2个子图中的虚线分别表示φ1,φ2的目标位置φ1d,φ2d。利用本发明所提出的控制方法，吊杆及吊绳在2s内即可到达指定位置，负载的残余摆角可在4s内完全收敛于零。并且，在整个控制过程中，吊绳长度始终被限制在有效范围内。另外，本发明的消摆时间要明显小于对比方法的消摆时间，且对比方法会导致吊杆及吊绳产生定位误差及超调，极大地降低了船用吊车***的控制性能。
综上所述，本发明方法能够取得较好的控制效果，有效地实现负载的定位与消摆，并可被应用于实际***。
本领域技术人员应该明白，本发明的各模块或各步骤均可以用通用的计算机装置来实现，一方面，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可将其存储在存储装置中由计算装置来执行，另一方面，可将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将其中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围进行限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于船用吊车***动力学模型构造包括控制目标、绳长限制的能量函数及状态观测器，根据所述能量函数设计驱动吊杆和吊绳运动的非线性动态反馈控制方法；
接收设定的船用吊车***的***参数；
获取吊杆俯仰角、吊绳长度以及负载的摆角的测量值；
根据所述非线性动态反馈控制方法得到控制吊杆和吊绳运动的输入信号；
根据所述输入信号实现负载的准确定位并快速消除其残余摆动。
2.如权利要求1所述的基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法，其特征在于，所述控制目标包括：1)在大地坐标系下，调节负载到达指定位置；2)消除负载大地坐标系下的残余摆动；3)限制吊绳在整个控制过程中的变化范围。
3.如权利要求1所述的基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法，其特征在于，所述船用吊车***的***参数包括：负载质量、吊杆长度、吊杆重心到转轴的距离与吊杆质量的乘积以及吊杆的转动惯量。
4.如权利要求1所述的基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法，其特征在于，所述方法还包括：将所述***原始状态变量进行坐标变换，得到变换后的状态量；根据负载在大地坐标系下的指定位置，计算变换后的***状态量的目标值。
5.如权利要求4所述的基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法，其特征在于，所述***状态量的目标值为：
其中，arccos代表反余弦函数，(xd,yd)表示负载在大地坐标系下的目标位置，Lb为吊杆长度，ζ1d,ζ2d,ζ3d分别为变换后的***状态量ζ1,ζ2,ζ3的目标值。
6.如权利要求5所述的基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法，其特征在于，所述控制吊杆和吊绳运动的非线性动态反馈控制方法为：
其中，ub,ul分别为驱动吊杆俯仰运动和吊绳长度的控制输入；kp1,kp2,kd1,kd2,为正的控制增益；吊杆及吊绳的定位误差e1＝ζ1-ζ1d,e2＝ζ2-ζ2d；分别表示变换后的***状态量ζ1(t),ζ2(t)在线估计值关于时间t的导数；lmin,lmax分别为吊绳有效长度的上下限；m,Lb分别为负载质量及吊杆长度，Md表示吊杆重心到转轴的距离与吊杆质量的乘积，g为重力加速度。
7.如权利要求1所述的基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法，其特征在于，所述方法还包括：根据船用吊车***的***参数、变换后的***状态量、以及与船体横滚运动相关的***内部扰动，在线还原***状态变量的速度信号。
8.一种基于状态观测的船用吊车消摆定位控制装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的船用吊车消摆定位控制方法。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的船用吊车消摆定位控制方法。
10.一种船用吊车消摆定位***，其特征在于，包括：角度传感器、位移传感器和如权利要求8所述的基于状态观测的船用吊车消摆定位控制装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810399899.7A CN108469736B (zh) | 2018-04-28 | 2018-04-28 | 基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法和*** |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810399899.7A CN108469736B (zh) | 2018-04-28 | 2018-04-28 | 基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法和*** |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108469736A true CN108469736A (zh) | 2018-08-31 |
| CN108469736B CN108469736B (zh) | 2020-06-30 |
Family
ID=63263886
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810399899.7A Active CN108469736B (zh) | 2018-04-28 | 2018-04-28 | 基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法和*** |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108469736B (zh) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109740240A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-05-10 | 济南大学 | 可消除负载摆动的塔式吊车自适应积分滑模控制器设计方法及*** |
| CN110937510A (zh) * | 2019-12-10 | 2020-03-31 | 山东大学 | 具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法及*** |
| CN111176318A (zh) * | 2020-02-10 | 2020-05-19 | 南开大学 | 面向消除稳态误差的飞行吊运***定位消摆方法及*** |
| CN112327623A (zh) * | 2020-11-04 | 2021-02-05 | 中南大学 | 一种基于负载摆动状态观测的双摆型吊车滑模控制方法 |
| CN113031655A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-06-25 | 南开大学 | 一种伴有负载升降的飞行吊运***及其控制方法 |
| CN113387276A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-09-14 | 哈尔滨理工大学 | 一种改进lqr的船用起重机控制方法 |
| CN113651239A (zh) * | 2021-07-15 | 2021-11-16 | 深圳市海浦蒙特科技有限公司 | 一种起重机***的速度调节方法、装置及设备 |
| CN114408098A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-04-29 | 宜昌测试技术研究所 | 一种收放点位和模拟角度联合的摆臂控制方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102014008094A1 (de) * | 2014-06-02 | 2015-12-03 | Liebherr-Werk Nenzing Gmbh | Verfahren zum Steuern der Ausrichtung einer Kranlast und Auslegekran |
| CN105293284A (zh) * | 2015-11-18 | 2016-02-03 | 德马科起重机械有限公司 | 一种起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测方法及观测器 |
| CN105523476A (zh) * | 2015-12-31 | 2016-04-27 | 北京起重运输机械设计研究院 | 一种桥式起重机防摇控制方法和*** |
| CN105668422A (zh) * | 2016-03-21 | 2016-06-15 | 南开大学 | 面向台车停车与负载消摆的桥式吊车紧急制动方法 |
| CN106365043A (zh) * | 2016-09-12 | 2017-02-01 | 同济大学 | 桥式起重机半开环定速防摇控制方法 |
| US20170114527A1 (en) * | 2011-04-14 | 2017-04-27 | Harnischfeger Technologies, Inc. | Swing automation for rope shovel |
| CN106986271A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-07-28 | 南开大学 | 考虑持续干扰与参数不确定性的船用吊车控制方法 |
| CN107024865A (zh) * | 2017-05-02 | 2017-08-08 | 南开大学 | 欠驱动桅杆式起重机定位消摆非线性控制方法 |
-
2018
- 2018-04-28 CN CN201810399899.7A patent/CN108469736B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170114527A1 (en) * | 2011-04-14 | 2017-04-27 | Harnischfeger Technologies, Inc. | Swing automation for rope shovel |
| DE102014008094A1 (de) * | 2014-06-02 | 2015-12-03 | Liebherr-Werk Nenzing Gmbh | Verfahren zum Steuern der Ausrichtung einer Kranlast und Auslegekran |
| CN105293284A (zh) * | 2015-11-18 | 2016-02-03 | 德马科起重机械有限公司 | 一种起重机吊装偏角的鲁棒滑模观测方法及观测器 |
| CN105523476A (zh) * | 2015-12-31 | 2016-04-27 | 北京起重运输机械设计研究院 | 一种桥式起重机防摇控制方法和*** |
| CN105668422A (zh) * | 2016-03-21 | 2016-06-15 | 南开大学 | 面向台车停车与负载消摆的桥式吊车紧急制动方法 |
| CN106365043A (zh) * | 2016-09-12 | 2017-02-01 | 同济大学 | 桥式起重机半开环定速防摇控制方法 |
| CN106986271A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-07-28 | 南开大学 | 考虑持续干扰与参数不确定性的船用吊车控制方法 |
| CN107024865A (zh) * | 2017-05-02 | 2017-08-08 | 南开大学 | 欠驱动桅杆式起重机定位消摆非线性控制方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| MI ZHOU 等: "A novel sliding mode control method for underactuated overhead cranes", 《2017 CHINESE AUTOMATION CONGRESS (CAC)》 * |
| NING SUN 等: "Bounded tracking and anti-swing control of underactuated cranes for payload transportation and lowering", 《PROCEEDINGS OF THE 32ND CHINESE CONTROL CONFERENCE》 * |
| 孙宁 等: "欠驱动惯性轮摆***全局滑模控制", 《控制理论与应用》 * |
| 孙宁 等: "欠驱动桥式吊车消摆跟踪控制", 《控制理论与应用》 * |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109740240A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-05-10 | 济南大学 | 可消除负载摆动的塔式吊车自适应积分滑模控制器设计方法及*** |
| CN109740240B (zh) * | 2018-12-28 | 2023-01-31 | 济南大学 | 可消除负载摆动的塔式吊车自适应积分滑模控制器设计方法及*** |
| CN110937510A (zh) * | 2019-12-10 | 2020-03-31 | 山东大学 | 具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法及*** |
| CN111176318B (zh) * | 2020-02-10 | 2022-12-06 | 南开大学 | 面向消除稳态误差的飞行吊运***定位消摆方法及*** |
| CN111176318A (zh) * | 2020-02-10 | 2020-05-19 | 南开大学 | 面向消除稳态误差的飞行吊运***定位消摆方法及*** |
| CN112327623A (zh) * | 2020-11-04 | 2021-02-05 | 中南大学 | 一种基于负载摆动状态观测的双摆型吊车滑模控制方法 |
| CN112327623B (zh) * | 2020-11-04 | 2022-03-08 | 中南大学 | 一种基于负载摆动状态观测的双摆型吊车滑模控制方法 |
| CN113031655A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-06-25 | 南开大学 | 一种伴有负载升降的飞行吊运***及其控制方法 |
| CN113387276A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-09-14 | 哈尔滨理工大学 | 一种改进lqr的船用起重机控制方法 |
| CN113387276B (zh) * | 2021-07-08 | 2021-12-14 | 哈尔滨理工大学 | 一种改进lqr的船用起重机控制方法 |
| CN113651239A (zh) * | 2021-07-15 | 2021-11-16 | 深圳市海浦蒙特科技有限公司 | 一种起重机***的速度调节方法、装置及设备 |
| CN114408098A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-04-29 | 宜昌测试技术研究所 | 一种收放点位和模拟角度联合的摆臂控制方法 |
| CN114408098B (zh) * | 2021-12-23 | 2023-06-27 | 宜昌测试技术研究所 | 一种收放点位和模拟角度联合的摆臂控制方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108469736B (zh) | 2020-06-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108469736A (zh) | 基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法和*** | |
| Sun et al. | Nonlinear antiswing control of offshore cranes with unknown parameters and persistent ship-induced perturbations: Theoretical design and hardware experiments | |
| Huang et al. | Fixed-time autonomous shipboard landing control of a helicopter with external disturbances | |
| Wu et al. | Parametric identification and structure searching for underwater vehicle model using symbolic regression | |
| Mao et al. | Design and implementation of continuous finite-time sliding mode control for 2-DOF inertially stabilized platform subject to multiple disturbances | |
| CN110374804B (zh) | 一种基于深度确定性策略梯度补偿的变桨距控制方法 | |
| CN109740240A (zh) | 可消除负载摆动的塔式吊车自适应积分滑模控制器设计方法及*** | |
| CN106406085A (zh) | 基于跨尺度模型的空间机械臂轨迹跟踪控制方法 | |
| CN106315414A (zh) | 基于滑模面的桥式吊车控制方法 | |
| CN108358062A (zh) | 欠驱动吊车全局稳定控制方法 | |
| CN109507890A (zh) | 一种基于eso的无人机动态逆广义预测控制器 | |
| CN102736518A (zh) | 一种含测量和输入时滞的挠性航天器复合抗干扰控制器 | |
| CN108439209B (zh) | 欠驱动船用吊车有限时间内定位控制方法、装置及*** | |
| CN110340898A (zh) | 一种具有指定跟踪性能的自由漂浮空间机械臂自适应容错控制方法 | |
| CN109917657A (zh) | 动力定位船舶的抗干扰控制方法、装置与电子设备 | |
| Lendek et al. | Application of Takagi-Sugeno observers for state estimation in a quadrotor | |
| CN106044567A (zh) | 桥式吊车局部饱和自适应控制器、控制***及控制方法 | |
| CN106788028A (zh) | 无轴承永磁同步电机强化学习控制器及其构造方法 | |
| CN109725643A (zh) | 一种基于主动建模的旋翼飞行器非平衡负载吊运***的控制方法 | |
| Yu et al. | Robust backstepping tracking control of uncertain MIMO nonlinear systems with application to quadrotor UAVs | |
| Riva et al. | Periodic stability analysis of wind turbines operating in turbulent wind conditions | |
| CN106292297B (zh) | 基于pid控制器和l1自适应控制器的姿态控制方法 | |
| Li et al. | Adaptive reinforcement learning fault-tolerant control for AUVs with thruster faults based on the integral extended state observer | |
| Chen et al. | Dynamics modeling and modal space control strategy of ship-borne stewart platform for wave compensation | |
| Zhou et al. | An improved cerebellar model articulation controller based on the compound algorithms of credit assignment and optimized smoothness for a three-axis inertially stabilized platform |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| OL01 | Intention to license declared |