基于能量守恒的桥式吊车参数辨识研究

针对实际桥式吊车系统物理参数不易获得的问题,提出一种基于能量守恒的参数辨识方法。该方法根据能量守恒原理建立辨识回归方程,然后用非负最小二乘法处理辨识实验数据,得到桥式吊车的控制器设计模型。以桥式吊车实验系统为背景,模拟桥式吊车的实际运行特点,进行辨识实验,获得系统的数学模型。在此基础上用LQＲ 控制器验证了该方法在桥式吊车实验系统上辨识结果的准确性,证明该辨识方法对桥式吊车的控制有很大帮助。     

桥式吊车系统的伪谱最优控制设计

对于桥式吊车系统的最优控制问题,根据实际的工况要求,性能指标有时不一定是标准的二次形式.同时,在实际的控制问题中,状态和控制输入往往会受到一些边界条件和路径过程中的约束.针对这一问题,本文应用Chebyshev伪谱优化算法来处理,它可以处理状态和控制约束的非线性最优化问题以及一个非标准的目标函数.首先对桥式吊车系统模型进行一系列的坐标变换,将其转变为上三角系统形式的误差模型.然后将桥式吊车最优控制问题转化成具有一系列代数约束的参数优化问题,即非线性规划问题.通过求解离散化后的参数优化问题,得到桥式吊车的最优控制律.本文还给出了Chebyshev伪谱最优解的可行性和一致性分析.最后,在仿真研究中验证该控制器的有效性.     

基于摆角约束的双摆吊车轨迹规划

桥式吊车作为一种典型的欠驱动系统,已经在现代工业生产运输过程中得到了广泛的应用。但当吊车系统中的负载体积过大或吊钩质量较大时,桥式吊车系统会呈现双摆特性,增加控制难度。针对这一问题,提出了一种基于摆角约束的双摆桥式吊车轨迹规划策略,以更方便地考虑摆角约束。首先,设计能够满足摆角约束的摆角运动曲线,并由台车运动与两级摆角之间的耦合关系得出台车加速度轨迹;然后,构造关于时间和最大摆角的目标函数;最后,将轨迹规划问题转化成一个可利用粒子群算法来求解的优化问题。MATLAB仿真对比结果表明,该方法在实现台车快速精准定位的同时,能有效抑制两级摆动及残余摆动,在系统参数改变时仍具有较好的鲁棒性,可尝试应用于实际工作中。     

基于滑模方法的桥式吊车系统的抗摆控制

针对桥式吊车这类欠驱动系统，提出一种基于滑模控制的抗摆方法．该方法将系统状态分成两组。构造出一种双层滑动平面．结合桥式吊车系统数学模型的特点。求取了总的滑模控制量并进一步设计了控制器的参数．采用Lyapunov方法，从理论上证明了各级滑动平面的稳定性．仿真结果验证了该方法对于桥武吊车系统抗摆控制的有效性．     

基于LQR算法的三维桥式吊车定位及防摆控制研究

首先采用牛顿力学方法建立了三维桥式吊车的非线性动力学模型,然后将其在平衡点处进行线性化,得到系统在X方向和Y方向完全解耦的状态空间方程。根据现代控制理论设计了系统的线性二次最优调节器(LQR)并进行SIMULINK仿真,最后利用C++语言和MATLAB将控制算法程序化,实时控制在多媒体定时器中断服务函数内实现,自主搭建了一套三维桥式吊车实验平台。系统成功实现运动范围内的定位及防摆控制,仿真及实验结果表面建立三维桥式吊车解耦模型的合理性与控制算法的有效性。     

基于模糊自适应PID控制的吊车防摆定位系统

针对桥式吊车水平运动系统是一个非线性、变参数、强耦合的对象，采用模糊自适应PID控制器进行定位和防摆控制。仿真实验结果表明，系统具有良好的动态、静态特性和较强的鲁棒性。     

基于非线性PID的吊车防摆定位控制

针对桥式吊车水平运动系统是一个非线性、变参数、强耦合的对象，采用非线性PID控制器进行定位和防摆控制。仿真实验结果表明，系统具有良好的动态、静态特性和强的鲁棒性。     

欠驱动桥式吊车系统自适应控制

针对桥式吊车这类非线性欠驱动系统, 提出了一种基于耗散理论的自适应控制器. 它能够有效地抑制运输过程中负载的摆动, 并将其快速准确地运送到指定的位置. 相比其他吊车控制系统, 这种控制器无需准确测量台车和负载质量以及吊绳长度, 可以根据系统响应情况来对这些参数进行在线估计, 这将极大地方便控制器在实际吊车系统中的推广应用. 对于闭环系统的稳定性, 文中通过李雅普诺夫理论及拉塞尔不变性原理进行了证明, 仿真结果也证实了这种自适应控制器能够对吊车系统进行良好的控制.     

欠驱动三维桥式吊车系统自适应跟踪控制器设计

针对三维桥式吊车系统的欠驱动特性, 设计了一种目标轨迹自适应跟踪控制器. 相比其他常规的三维桥式吊车控制器, 它不需要对吊车模型进行任何近似解耦或线性化处理, 并且考虑了系统所受的摩擦力与空气阻力等干扰. 在负载质量和吊绳绳长等发生变化或存在不确定因素的情况下, 它依然能实现对台车的精确定位与负载摆动的有效抑制. 对于闭环系统的稳定性, 文中通过Lyapunov方法和芭芭拉定理对其进行了理论分析, 随后的实验结果也表明了这种自适应跟踪控制器良好的控制性能和对不确定性因素的适应性.     

欠驱动桥式吊车系统的非线性扩张状态观测器设计

桥式吊车系统受到外部干扰会影响系统的整体性能,且小车速度、负载摆角角速度、绳长变化速度在工程实际中难以测量。为了获取这些变量的估计信息,以便进行闭环控制,针对变绳长桥式吊车系统设计了一种非线性扩张状态观测器。该观测器将桥式吊车系统的参数摄动和外部干扰等扰动因素扩张成新状态,利用小车位置、负载摆角和绳长信息进行状态重构,在线实时估计小车速度、负载摆角角速度、绳长变化速度以及扰动等状态信息,并对给出的非线性扩张状态观测器进行了稳定性证明。Matlab仿真结果表明,各状态变量均能在0.3 s左右得到收敛。与线性扩张状态观测器相比,非线性扩张状态观测器能够获得更小峰值的观测结果。     

桥架起重机防晃控制非线性系统建模与研究

随着世界贸易的发展,桥架起重机发挥着越来越关键的作用;与此同时,桥架起重机防晃技术也日益受到关注。为分析桥架起重机系统的特性,为理论上验证与研究各种吊车控制方法的稳定性和效果提供参考,该模型在建立过程中考虑了电机对桥架起重机非线性系统的影响,对电机、小车和吊具与负载部分分别进行了分析、研究、建模与仿真,最终建立起桥架起重机防晃控制非线性系统完整的物理和数学模型,实现了对桥架起重机系统运动特性的完整描述。并用Matlab对电机、小车和吊具及负载部分,以及桥架起重机非线性系统的开环与闭环状态分别进行仿真,仿真结果验证了电机、小车、吊具及负载部分的特性,证明了模型的正确性,为研究桥架起重机防晃控制非线性系统提供了理论参考。     

基于嵌套饱和方法的吊车系统非线性控制

针对吊车系统定位和防摆的控制要求,提出了一种基于嵌套饱和方法的非线性控制策略。对吊车系统动力学方程进行部分反馈线性化,并通过坐标变换将其转化为便于控制器设计的严格前馈级联规范型;在此基础上利用嵌套饱和非线性控制方法设计了吊车定位防摆控制器。仿真结果表明,该方法在较小的控制力作用下实现了吊车系统的定位和防摆,并且对于吊车系统参数的变化具有很强的鲁棒性。     

Skeletal-level control-based forward dynamic analysis of acquired healthy and assisted gait motion

In this paper, the system dynamics of an overhead crane are inverted by servo-constraints. The inversion provides a feedforward control for trajectory tracking of the system output. The overhead crane is inherently underactuated and modeled as a two-dimensional mechanical system with nonlinear system dynamics. Actuators are modeled as first-order systems to simplify implementation and account for velocity-controlled drives. The control based on servo-constraints is shown to be an effective method of trajectory control for overhead cranes. It will be demonstrated that the formulation is solvable in real-time using linear implicit Euler integration. The feedforward solution is made robust by an augmentation with LQR as well as a sliding mode controller. Experiments are conducted on a laboratory crane of 13 m motion range.     

采用神经网络的双吊车自适应防摆控制

由于工业实践对运输能力提出了更高的要求,双吊车的应用日益广泛.然而其动力学模型非线性很强,因此控制器结构十分复杂.另一方面,大型货物的摆动很难抑制,这给双吊车的自动化带来了巨大的挑战.为了处理以上问题,首先,采用神经网络准确地估计了系统的模型,在此基础上提出了一种自适应防摆控制方法,很好地实现了双吊车系统的防摆控制;然后,采用李雅普诺夫方法,严格地证明了系统在平衡点的渐近稳定性;最后,通过大量的实验结果,验证了该方法具有良好的性能.     

二维桥式起重机的滑模控制

基于滑模控制理论,研究二维桥式起重机的控制器设计问题.首先,考虑小车端受到外界干扰的情况以及利用一些等价变换,得到一个四阶桥式起重机动力学模型;然后,根据得到的动力学方程,分别设计一种比例微分滑模控制器和一种比例微分积分滑模控制器,进而通过构造李雅普诺夫函数的方法证明两种控制器下滑模面的可达性和系统的稳定性;最后,设计1组对比仿真实验和1组在自制的桥式起重机实验平台上的验证性实验.实验结果表明,所设计的两种滑模控制器均可以使桥式起重机达到给定的控制目标.     

Motion planning for three-dimensional overhead cranes with high-speed load hoisting

This paper proposes a systematic anti-swing motion-planning method for three-dimensional overhead cranes, based on the load-swing dynamics of a two-dimensional overhead crane. First, a model-following anti-swing control law is designed based on the load-swing dynamics of a two-dimensional overhead crane, where the Lyapunov stability theorem is used as a mathematical tool. Then a new anti-swing motion-planning scheme is designed for a two-dimensional overhead crane based on the model-following anti-swing control law and typical crane operation in practice. Finally, the new anti-swing motion-planning scheme is extended for a three-dimensional overhead crane, based on the geometric relationship between a three-dimensional overhead crane and its two-dimensional counterpart. As a result, the proposed method avoids solving the load-swing dynamics of a three-dimensional overhead crane which is much more complicated than that of its two-dimensional counterpart. Furthermore, the proposed method can be applied to any existing overhead cranes without increasing their actuator torque capacity. The effectiveness of the proposed method is demonstrated by generating high-performance anti-swing trajectories with high-speed long-distance load hoisting.     

Dynamics analysis and fuzzy anti-swing control design of overhead crane system based on Riccati discrete time transfer matrix method

This paper describes an efficient method called Riccati discrete time transfer matrix method of multibody system (MS-RDTTMM) for studying the dynamic modeling and anti-swing control design of a two-dimensional overhead crane system, which consists of a trolley, rope, load, and control subsystem. Regarding the rope as a series of rigid segments connected by hinges, a multibody model of the overhead crane system can be developed easily by using MS-RDTTMM. Then three separate fuzzy logic controllers are designed for positioning and anti-swing control. For improving the performance of the predesigned fuzzy control system, the genetic algorithm based on MS-RDTTMM is presented offline to tune the initial control parameters. Using the recursive transfer formula to describe the system dynamics, instead of the global dynamics equation in ordinary dynamics methods, the matrices involved in this method are always very small, and the computational cost of the dynamic analysis and control system optimization can be greatly reduced. The numerical verification is carried out to show the computational efficiency, numerical stability, and control performance of the proposed method.