基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法、系统及产品

本发明属于吊车控制，尤其涉及基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法、系统及产品。

背景技术：

1、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。

2、作为一类典型的欠驱动机电系统，塔式吊车系统工作在复杂的环境中，不可避免地会受到内、外部扰动的影响。因此，在设计控制器时应充分考虑鲁棒性的要求。

3、现有的提高塔式吊车系统的鲁棒性的控制方法包括自适应控制方法、模型预测控制方法、基于模糊逻辑的控制方法、基于无源性/能量的控制方法以及基于神经网络的控制方法等几种鲁棒控制方法。

4、上述鲁棒控制方法针对欠驱动塔式吊车系统提出了许多有价值的结果，但对塔式吊车系统控制时，存在以下问题：

5、控制器仍然需要满足特定的形式或者条件，并没有严格的理论分析，缺乏理论保证，这些方法可能无法在实际中应用；（2）对于高度耦合的欠驱动塔式吊车系统，很少有研究通过构造辅助函数来直接构造全驱动系统，特定的模型转换通常对应于特定的对象。

6、（3）现有大多数针对塔式吊车系统的控制方法是基于线性化的塔式吊车系统模型而设计的，当系统的状态变量无法足够接近平衡点时，线性化后的模型与原吊车模型有很大的不同，这可能会严重影响系统的控制性能，甚至导致系统的不稳定。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法、系统及产品，其基于全驱动系统的鲁棒控制方法，在不对塔式吊车系统非线性动力学模型线性化或忽略部分非线性项的情况下，保证误差向量收敛至任意小的区域，不需要精确的系统参数，因此适用范围广，具有很大的实用价值。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一方面提供基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法，包括如下步骤：

4、构建四自由度塔式吊车系统的动力学模型；

5、将四自由度塔式吊车系统的动力学模型拆分为包含可驱动状态变量以及不可驱动状态变量的第一子系统模型和第二子系统模型；

6、引入定位误差向量，结合第一子系统模型和第二子系统模型，得到全驱动系统模型；

7、针对全驱动系统模型，以闭环系统稳定，且定位误差最终全局收敛至任意小的区域为目标，设计全驱动系统鲁棒控制器；

8、利用设计的全驱动系统鲁棒控制器对吊车系统学进行控制。

9、进一步地，在得到全驱动系统鲁棒控制器后，根据李雅普诺夫稳定性定理，对闭环系统的稳定性进行严格证明。

10、进一步地，所述四自由度塔式吊车系统的动力学模型的表达式为：

11、，

12、，

13、，，

14、，，

15、，

16、，

17、，

18、其中，表示状态向量，，分别表示状态向量的一阶时间导数、二阶时间导数，为正定对称惯性矩阵，表示向心-科氏力矩阵，表示重力向量，表示控制输入向量，表示系统不确定性因素；为台车质量，为负载质量，为吊绳长度，为悬臂惯性矩，为悬臂回转控制扭矩，为台车平移控制力，为重力加速度，为悬臂回转角，为台车位移，为负载摆角，为,,,的缩写，，，，分别，，，的一阶时间导数，为系统不确定性因素。

19、进一步地，包含可驱动状态变量以及不可驱动状态变量的第一子系统模型和第二子系统模型的表达式为：

20、，

21、，

22、，，，

23、，，，，

24、，，，

25、其中，，分别表示可驱动状态变量的一阶时间导数以及二阶时间导数，，分别表示不可驱动状态变量的一阶时间导数以及二阶时间导数。

26、进一步地，定位误差向量的表达式为：

27、，

28、，

29、其中，表示可驱动状态变量，表示期望的悬臂回转角，表示台车期望位置。

30、进一步地，所述全驱动系统模型的表达式为：

31、，

32、，

33、，

34、，

35、其中，以及分别表示误差向量的一阶时间导数以及二阶时间导数，为正定对角矩阵，表示总不确定性因素。

36、进一步地，所述鲁棒控制器的表达式为：

37、，

38、其中，表示两个代调节的控制矩阵，表示辅助向量，表示状态向量，，，其中为单位对角矩阵，为正定对称矩阵，为任意给定的正数，表示已知的常数向量。

39、进一步地，状态向量最终收敛的区域为：

40、，

41、其中，表示矩阵的最小特征根，表示任意正实数。

42、本发明的第二方面提供基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制系统，采用第一方面所述的基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法，包括：

43、动力学模型构建模块，其用于构建四自由度塔式吊车系统的动力学模型；

44、全驱动模型构建模块，其用于将四自由度塔式吊车系统的动力学模型拆分为包含可驱动状态变量以及不可驱动状态变量的第一子系统模型和第二子系统模型；引入定位误差向量，结合第一子系统模型和第二子系统模型，得到全驱动系统模型；

45、鲁棒控制器设计模块，其用于针对全驱动系统模型，以定位误差最终全局收敛至任意小的区域为目标，设计全驱动系统鲁棒控制器；

46、控制模块，其用于利用设计的全驱动系统鲁棒控制器对吊车系统进行控制。

47、本发明的第三方面提供一种程序产品。

48、一种程序产品，所述程序产品为计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法中的步骤。

49、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

50、1、本发明基于全驱动系统的鲁棒控制方法，针对全驱动系统模型，以闭环系统稳定，且定位误差最终全局收敛至任意小的区域为目标，设计全驱动系统鲁棒控制器，在不对塔式吊车系统非线性动力学模型线性化或忽略部分非线性项的情况下，保证误差向量收敛至任意小的区域。

51、2、本发明所提出的控制方法不需要精确的系统参数，因此适用范围广，具有很大的实用价值。

52、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法，其特征在于，在得到全驱动系统鲁棒控制器后，根据李雅普诺夫稳定性定理，对闭环系统的稳定性进行严格证明。

3.如权利要求1所述的基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法，其特征在于，所述四自由度塔式吊车系统的动力学模型的表达式为：

4.如权利要求1所述的基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法，其特征在于，包含可驱动状态变量以及不可驱动状态变量的第一子系统模型和第二子系统模型的表达式为：

5.如权利要求1所述的基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法，其特征在于，定位误差向量的表达式为：

6.如权利要求1所述的基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法，其特征在于，所述全驱动系统模型的表达式为：

7.如权利要求1所述的基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法，其特征在于，所述鲁棒控制器的表达式为：

8.如权利要求7所述的基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法，其特征在于，状态向量最终收敛的区域为：

9.基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制系统，采用如权利要求1-8任一项所述的基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法，其特征在于，包括：

10.一种程序产品，所述程序产品为计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法中的步骤。

技术总结本发明属于吊车控制技术领域，提供了基于全驱动系统的欠驱动吊车鲁棒控制方法、系统及产品，其技术方案为：基于全驱动系统方法，构建了不确定欠驱动吊车系统的鲁棒控制方法。首先，设计了具有一般形式的不确定吊车系统误差模型，其中系统不确定性因素只需满足有界的假设；然后，构造鲁棒稳定控制方法，保证定位误差最终全局收敛至任意小的区域。根据李雅普诺夫稳定性定理，严格证明了闭环系统的稳定性。本发明不需要任何线性化处理或忽略部分非线性项的情况下，保证误差向量收敛至任意小的区域。技术研发人员：张梦华,孙宁,吴庆祥,陈鹤,杨桐,陈晓伟受保护的技术使用者：济南大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17