一种带有不确定负载的桥式吊车控制方法及系统

本发明涉及机械系统自动控制技术领域，具体涉及一种带有不确定负载的桥式吊车控制方法及系统。

背景技术：

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

桥式吊车是一种常见的搬运机械，在制造行业、建筑行业、钢铁行业、物流行业等发挥着不可替代的作用。传统的桥式吊车主要依靠人工操作，严重依赖工人经验，不仅容易造成定位不准、摆动幅度过大，从而存在安全隐患和影响生产效率，甚至还可能引发因误操作而导致的事故。随着现代控制理论与技术的快速发展，如何利用诸多先进控制方法，实现桥式吊车的精准定位和快速消摆成为研究热点之一。桥式吊车系统具有欠驱动、强耦合、本质非线性等特征，且运行过程中易受惯性等引发的摆动及负载不同等造成的干扰，如何高性能实现桥式吊车的定位消摆仍是十分具有挑战性的工作。尽管当前针对桥式吊车定位消摆控制已取得诸多研究成果，发展了诸多先进控制方法，如pid控制策略、基于轨迹规划的消摆控制策略、时间最优控制策略、滑模控制策略、基于无源性的控制策略、自适应控制策略等，但发明人发现仍存在诸多局限：①现有大多数控制策略难以应对大范围不确定性，例如当吊车吊起的负载重量差异巨大时，导致控制策略难以适用；②尽管部分策略，如自适应控制策略、基于无源性的控制策略等，可适用于大范围不确定性，但控制性能退化严重，特别是需要极长的自适应调节过程；③在实现定位消摆的同时，难以实现不确定负载质量的估计。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种带有不确定负载桥式吊车控制方法，可有效应对不确定负载对吊车定位消摆的影响，并可快速且较为精准地估计出不确定负载的质量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种带有不确定负载的桥式吊车控制方法，包括以下步骤：

实时接收采集的吊车系统的运行参数；

将采集的运行参数带入多个不同负载对应的估计器中，得到运行参数的估计量，根据运行参数和估计量的差值得到监视信号；

提取多个监视信号中最小监视信号对应的控制器；

根据提取出的控制器对吊车系统进行控制。

可选的，如果当前时刻的最小监视信号与设定值的和不大于上一时刻的最小监视信号，则切换至当前时刻最小监视信号对应的控制器控制吊车系统工作，否则继续采用上一时刻最小监视信号对应的控制器控制吊车系统工作。

可选的，建立吊车系统的动力学模型，根据吊车系统的动力学模型得到吊车的系统模型，根据系统模型构建估计器和控制器。

可选的，采用欧拉-拉格朗日方法对吊车系统进行建模，根据建立的模型得到吊车系统的动力学模型。

可选的，根据运行参数和估计量的差值得到估计误差，根据估计误差范数进行积分运算得到监视信号。

可选的，所述运行参数包括实时采集的吊车系统的台车位移、台车速度、负载摆角及摆角速度。

可选的，最小监视信号对应的估计器中的候选负载质量作为估计的吊车系统的负载质量。

第二方面，本发明的实施例提供了一种带有不确定负载的桥式吊车控制系统，包括：

数据采集模块：用于实时接收采集的吊车系统的运行参数；

监视信号获取模块：用于将采集的运行参数带入不同负载对应的估计器模型中，得到运行参数的估计量，根据运行参数和估计量的差值得到监视信号；

控制器获取模块：用于提取多个监视信号中最小监视信号对应的控制器模型；

控制模块：用于根据提取出的控制器对吊车系统进行控制。

第三方面，本发明的实施例提供了一种电子设备包括存储器、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第一方面所述的带有不确定负载的桥式吊车控制方法。

第四方面，本发明的实施例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实现第一方面所述的带有不确定负载的桥式吊车控制方法。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

1.本发明的方法，由于采用了最小监视信号对应的控制器控制吊车系统的工作，在最小监视信号下，估计器的估计效果最好，对应的负载与实际负载最为接近，因此其对应的控制器为最佳控制器，能够起到最好的定位防摆效果，而且本发明的方法设置了不同负载对应的估计器及其对应的控制器，根据运行参数及估计器，能够自适应选取出最小监视信号对应的控制器和负载，能够自适应补偿负载的不确定性，能够应对负载大范围的不确定性。

2.本发明的方法，当前时刻的最小监视信号与设定值的和不大于上一时刻最小监视信号，则切换至当前时刻最小监视信号对应的控制器控制吊车系统工作，否则继续采用上一时刻最小监视信号对应的控制器控制吊车系统工作，此种控制方法隶属于不连续自适应控制，与传统的连续自适应控制策略、基于无源性的控制策略相比，调节速度更快，不需要极长的自适应调节过程。

3.本发明的方法，最小监视信号对应的估计器中所对应的负载大小与实际负载大小相近，因此在实现定位消摆的同时，还能够实现不确定负载质量的估计。

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限定。

图1是本发明实施例1方法流程图；

图2是本发明实施例1吊车系统的系统模型图；

图3是本发明实施例1切换逻辑流程图；

图4为负载质量5kg时，实施例1方法所得到的台车位移、负载摆角、切换信号和控制输入仿真图；

图5为负载质量50kg时，实施例1方法所得到的台车位移、负载摆角、切换信号和控制输入仿真图；

图6为负载质量90kg时，实施例1方法所得到的台车位移、负载摆角、切换信号和控制输入仿真图；

图7为负载质量70.5kg时，实施例1方法所得到的台车位移、负载摆角、切换信号和控制输入仿真图；

图8为负载质量(30+0.02t)kg时，实施例1方法所得到的台车位移、负载摆角、切换信号和控制输入仿真图。

具体实施方式

实施例1

本实施例公开了一种带有不确定负载的桥式吊车控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：实时接收吊车系统的运行参数，所述运行参数包括台车位置、负载摆角、台车的移动速度及负载的摆动角速度。上述运行参数可通过设置在吊车系统的传感器获得。

步骤2：将采集的运行参数带入预先构建的不同负载对应的估计器中得到估计量，根据运行参数和估计量的差值得到监视信号，负载的数量可根据实际所需要的精度来进行设置。

不同负载对应的所述估计器和控制器的构建方法为：

如图2所示，首先根据运行参数利用欧拉-拉格朗日方法对桥式吊车系统进行建模，根据建立的模型得到吊车系统的动力学模型。

其中，x表示台车位置，θ表示负载摆角，m，m，l分别表示台车质量、负载质量和吊绳长度，g表示重力加速度，f表示控制器输入信号。控制目标为将台车驱使至期望位置xd(xd为事先给定的固定位置)，同时消除负载摆动。

在实际中，负载摆角通常较小，因此通过合理的模型简化cosθ≈1，sinθ≈θ，原动力学模型变为：

进而，引入坐标变换ξ1＝x-xd，ξ3＝θ，得到吊车的系统模型：

所述系统模型的紧凑表达形式为：

其中ξ＝[ξ1，ξ2，ξ3，ξ4]^t

通过变换，桥式吊车的定位防摆控制问题转化为系统(1)的反馈镇定问题。此外，假定台车质量m和吊绳长度l均为已知常数，负载质量m是未知常数且属于某个紧集：需特别指出的是，对未知负载质量的假设并不会影响该实施例方法的适用性。一方面，由于桥式吊车有最大负载约束，因而负载质量必然属于某个紧集；另一方面，尽管假定紧集中的元素为有限个，但随着紧集中元素数目的增加，可找到与负载质量十分接近的近似值。

根据所建立的系统模型，构建不同负载下的估计器。

对i＝1，...，n，构建如下多个估计器：

共构建了n个估计器，每个估计器对应不同的负载质量mi，估计器状态可看做系统状态ξ的估计，即将采集的吊车系统的运行参数带入估计器中，可得到运行参数的估计量。

根据所建立的系统模型，构建不同负载下的控制器。

根据系统模型中矩阵a，b的表达式，容易验证对任意正常数m，(a，b)均为可控对。因此，对i＝1，...，n，构建如下多个控制器：

其中，通过选取ki使得ai+bki是赫尔维茨矩阵，并且

多控制器共包含n个控制器，每个对应不同的负载质量mi。需指出的是，当不确定负载质量m退化为已知常数mi时，即当m＝mi时，所设计的控制器可直接确保吊车系统全局稳定。

得到运行参数的估计量后，根据运行参数和运行参数的估计量得到估计误差，对估计误差的范数进行积分运算，形成监视信号生成器，通过监视信号生成器得到监视信号。

令i＝1，...，n，其中ei为估计误差，进而对i＝1，...，n，可构建如下监视信号

ji(t)＝∫0(||ei(τ)||²+||ei(τ)||⁶)dτ

特别地，该信号可由如下动态生成：

通过步骤2，可以得到吊车系统当前时刻多个不同负载下对应的估计量，进而得到多个监视信号，每个监视信号对应一个控制器。

步骤3：提取多个监视信号中最小监视信号对应的控制器。

本实施例中，为了实现不连续自适应调节，缩短自适应调节时间，提取的控制器按照设定的切换逻辑进行切换。

如图3所示，设定的切换逻辑为：如果当前时刻的最小监视信号与设定值h的和不大于上一时刻最小监视信号，则切换至当前时刻最小监视信号对应的控制器作为吊车系统工作的控制器，否则继续采用上一时刻最小监视信号对应的控制器作为吊车系统的控制器。

具体的，控制输入信号可描述为

f＝fσ(t)，

其中，σ：[0，+∞)→{1，...，n}为分段常值函数，由下面的切换逻辑确定。

切换逻辑初始化：确定正常数h的取值；设定σ(0)＝σ0，其中σ0可取1，...，n中任一正整数；设定ts＝0。

切换逻辑实施：对每一时刻t＞ts，若

则更新ts＝t，并且基于更新后的ts，令

至此，构建了由多个估计器、多个控制器及相应的切换逻辑构成的高性能监视控制器：

其中，σ(·)依托监视信号ji(·)，并按照所设计的切换逻辑执行所得到。

步骤4：根据步骤3提取出的控制器，向吊车系统的相关电机等驱动部件发送控制信号，对吊车系统进行控制。

本实施例中，最小监视信号对应的估计器所对应的候选负载质量与实际负载质量最为接近，能够作为估计的吊车系统的负载质量，因此可以精确的估计出实际负载的质量。

本实施例的方法，具有以下特征：

①仅有限次切换发生。利用反证法，假定切换发生无穷多次。那么，由切换判定条件(6)式，并注意到监视信号为单调递增函数，得到mini＝1，2，...，n{ji(t)}随时间t趋于无穷而趋于无穷。另一方面，那么一定存在某个mk满足m＝mk。由此，根据系统模型和多估计器，得到这意味着

jk(t)＝∫0(||ek(τ)||²+||ek(τ)||⁶)dτ＜+∞.

这显然与mini＝1，2，...，n{ji(t)}随时间t趋于无穷而趋于无穷矛盾。因此，在所设计的切换逻辑下，切换仅发生有限次。

②闭环系统状态可以被调节至原点。在①中，已经证明切换仅发生有限次。因此，对i＝1，...，n，有

∫0^t(||ei(τ)||²+||ei(τ)||⁶)dτ＜+∞.(1)

令是最后一次发生切换的时刻，并且切换停止后σ(·)取值为i^*，即σ(t)＝i^*

由此，根据多估计器、多控制器、及控制输入，对得到

其中，与多控制器构造中的ai定义一致，并且

由此，根据式(1)，并由前面多控制器构造的性质可得是赫尔维茨矩阵，得到

最后我们证明系统状态ξ的收敛性。由系统模型、多控制器、控制输入可得

其中，k是依赖于负载质量m的矩阵，使得a+bk是赫尔维茨矩阵，并且

由(1)和(2)，可验证因为a+bk是赫尔维茨矩阵，得到limt→+∞||ξ(t)||＝0。注意到：ξ1＝x-xd，最终得到台车被驱使至期望位置xd，同时负载摆动被消除。

对本实施例的方法进行仿真分析，利用matlab仿真验证所提方法的有效性并通过与现有方案对比，验证方法的优越性。

桥式吊车系统的相关参数取值为：m＝20kg，l＝2m，g＝9.8m/s²。此外，令吊车的最大负载为100kg，因此选取其中mi＝i，i＝1，...，100。

①控制策略有效性验证。

根据本实施例方法构建如下监视控制器：

其中，ξ1＝x-xd，mi＝i，i＝1，...，100，σ(·)由前面设计的切换逻辑所生成，且切换逻辑中σ(0)＝1，h＝0.01。此外令原系统模型状态初值为多估计器的状态为：

下面通过5组仿真结果展现本实施例方法的有效性。当未知负载属于集和m，并分别取值5kg，50kg，90kg时，我们得到图4，图5，图6。当未知负载为70.5kg和(30+0.02t)kg，我们分别得到图7和图8。从图4至图8可以看出，所构建的监视控制器确保了台车在11秒左右到达期望的位置，同时在12秒左右，负载摆动被消除。这5组仿真展现了所发展的监视控制策略对不确定负载具有极强的鲁棒性，即使负载不属于集和甚至是慢时变的，只要不超过最大负载，本实施例的方法均有极好的控制效果。还需特别指出的是，本实施例的方法还能快速地且较为精准的估计出未知负载的大小，从图4至图8中的切换信号σ(·)可知，在较短时间内σ(·)分别切换至5，50，90，70，30，分别对应仿真时所设定的负载取值5kg，50kg，90kg，70.5kg，(30+0.02t)kg。需特别指出的是，本实施例的方法所具备的对不确定负载质量的在线估计功能是现有其它现有方法所不具备的。

②与现有控制策略的对比。

通过与现有相关文献中取得较好控制效果的无源性控制方法对比，进一步验证本发明所提控制算法的有效性，并展现其好的控制性能。文献ieeetransactionsonindustrialelectronics,59(12):4723-4734,2012中所提基于无源性控制器有如下表达式：

其中kp，kd，ka为正设计参数。当系统参数取值与本实施例一致时，文献给出如下设计参数的取值：

kp＝8，kd＝40，ka＝2.

基于无源性控制策略与基于本实施例所提的方法所得到的实验结果如表1所示，其中调节时间表示台车位移满足|x-xd|＜0.02m时所用时间；最大输入表示控制输入f的最大值；最大偏角表示台车运行过程中，负载的最大偏角。

表1对比实验结果

由表1看出，尽管基于无源性控制策略在m＝50kg时展现了较好的控制效果，但当负载质量发生大范围变化时，其性能退化较为严重，特别是调节时间大幅增加。而本实施例的方法在不同情形下均展现了良好的控制效果。还需特别指出的是，基于无源性控制策略在m＝90kg时，最大距离达到5.3m，是在超出期望位置后，又返回期望位置，这在工程实际中一般是不被采纳的。更重要的是，本实施例的方法可以快速且较为精准的估计出未知负载的大小，而基于无源性控制策略则不具备该能力。

实施例2:

本实施例公开了一种带有不确定负载的桥式吊车控制系统，包括：

数据采集模块：用于实时接收采集的状态变量；

监视信号获取模块：用于将采集的运行参数带入预先构建的不同负载对应的估计器中，得到估计量，根据运行参数和估计量的差值得到监视信号；

控制器获取模块：用于提取多个监视信号中最小监视信号对应的控制器；

控制模块：用于根据提取出的控制器对吊车系统进行控制。

实施例3：

本实施例公开了一种电子设备，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，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现实施例1所述的带有不确定负载的桥式吊车控制方法。

实施例4：

本实施例公开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实现实施例1所述的带有不确定负载的桥式吊车控制方法。

“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。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们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。

上述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的限制，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。