欠驱动桥式吊车有限及固定时间跟踪控制算法研究

摘要

就桥式吊车系统而言其主要控制目的是将货物摆动尽可能小的运送到目标位置，即实现台车的定位与负载的防摆控制。欠驱动桥式吊车因其具有负载能力强、操作方便并且节能等优点，在国民经济生产的各领域得到了更为广泛的应用。然而，由于该类系统的欠驱动特性使其内部动力学特性更为复杂且常伴随非完整约束条件，因此对此类系统控制问题的研究十分有意义同时也具有挑战性。目前，大多数欠驱动桥式吊车定位与防摆控制算法只能保证系统是渐进稳定或一致最终有界稳定的。随着对生产效率要求的提高，十分有必要研究更为高效的欠驱动桥式吊车定位防摆控制策略，本文从提高吊车运输效率出发，分别提出了欠驱动桥式吊车有限时间以及固定时间跟踪控制策略，实现了台车快速定位与负载防摆的控制目标。本文的主要工作包括：　　(1)、针对欠驱动桥式吊车有限时间定位与防摆控制，提出了一种有限时间跟踪控制策略，保证负载摆动幅度较小的同时有效的提高了吊车的运输效率。首先，将欠驱动吊车的动力学模型等效转化为级联形式，从而降低了控制器的设计难度；然后，基于转化后的级联系统，结合反推法、分数阶动态面控制方法构造虚拟控制律以及真实的控制输入，进而设计了最终的控制输入力矩；最后，结合有限时间稳定性理论对系统稳定性进行了理论证明，同时给出了系统收敛时间以及跟踪误差收敛集合。　　(2)、针对欠驱动桥式吊车固定时间定位与防摆控制，提出了一种固定时间跟踪控制策略，保证了吊车能在固定时间跟踪上期望轨迹并到达目标位置，同时消除了负载在运行过程中的摆动。与有限时间稳定相较，固定时间稳定使得系统的响应时间不依赖于其初始状态，因而在实际应用中更加可靠。基于转换后的级联系统，结合反步法以及具有非线性滤波器的动态面技术，设计了虚拟控制律以及真实的控制输入，并最终构造了动力学系统的控制输入力矩，从而可以保证系统是固定时间稳定的。最后，结合固定时间稳定性理论对系统稳定性进行了理论证明，同时给出了系统收敛时间以及跟踪误差收敛集合。　　最后，通过对比本文提出的控制策略与现有控制策略进行了对比仿真，仿真结果验证了本文所提控制算法的有效性与优势进。总结了本文研究内容同时对下一步的工作进行了展望。

目录

1绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 欠驱动桥式吊车的研究现状

1.3 有限时间稳定定理研究概述

1.4 本文研究内容和结构安排

2 问题描述与技术路线分析

2.1 引言

2.2 问题描述

2.2.1 系统建模

2.2.2 问题描述

2.3 技术路线分析

2.4 本章小结

3 欠驱动桥式吊车的有限时间跟踪控制算法设计

3.1 引言

3.2 有限时间Lyapunov稳定性理论

3.3 桥式吊车系统的级联化

3.4 有限时间控制器设计与稳定性分析

3.4.1 有限时间控制器设计

3.4.2 稳定性分析

3.4.3 与非有限时间方法的对比分析

3.5 本章小结

4 欠驱动桥式吊车的固定时间跟踪控制算法设计

4.1 引言

4.2 固定时间Lyapunov稳定性理论

4.3 固定时间控制器设计与稳定性分析

4.3.1 固定时间控制器设计

4.3.2 稳定性分析

4.4 本章小结

5 仿真验证与结果分析

5.1 引言

5.2 有限时间控制策略算法仿真验证与结果分析

5.2.1 有限时间与非有限时间控制算法对比

5.2.2 有限时间与其他有限时间控制算法对比

5.3 固定时间控制策略算法仿真验证与结果分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C.学位论文数据集

致谢