龙门吊车重物防摆的滑模变结构控制方案

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1、4.4龙门吊车重物防摆的滑模变结构控制方案DepartmentofElectricalEngineeringHarbinInstituteofTechnology1目录1问题提出2滑模变结构控制4.4龙门吊车重物防摆的滑模变结构控制方案3系统建模及模型验证4基于滑模变结构控制的吊车重物防摆控制策略5仿真实验6结论21问题提出在前面一节中，我们应用“鲁棒PID控制方案”实现了“固定绳长”条件下，龙门吊车的重物防摆与系统的定位控制；然而，吊车在实际运行中绳长常常需要变化；我们把吊车实际的工作过程抽象为下图所示情况，其“搬运-定位-安放”过程为由A点提升至B点（或由B点下放至A

2、点）。31问题提出显然，前面一节所述方法在解决这类问题时就无能为力了；因此，我们需要研究一种新的控制方法，以实现“变绳长”条件下的重物防摆与系统的定位控制。在这一节中我们将采用“滑模变结构控制方案”，实现变绳长条件下龙门吊车重物防摆与定位控制。同时，为检验滑模变结构控制方法的有效性，我们将使用MATLAB/SIMULINK软件工具，对所设计的控制系统进行仿真实验研究；由于滑模变结构控制是一种“不连续的控制方法”，系统在进行SIMULINK仿真时将会面临一些特殊的问题；因此，本节中我们还将探讨一类具有“不连续控制率”的控制系统的SIMULINK仿真方法。42滑模变结构控制变

3、结构控制理论诞生于20世纪50年代末，作为一种非线性控制理论，与其他控制器相比，其具有控制规律简单、对系统的数学模型精确性要求不高、可以有效地调和动、静态之间的矛盾以及具有强鲁棒性等优点；近年来，其已被广泛应用于处理一些复杂的非线性、时变、多变量耦合及不确定系统的控制中，如伺服电机驱动、机器手控制以及飞行器控制系统的设计等。下面对滑模变结构控制的一些基本概念作以简要阐述。52滑模变结构控制（1）滑动模态滑模变结构控制是变结构控制系统(可简称为VSS)的一种控制策略。这种控制策略与常规控制的根本区别在于“控制的不连续性”，它是一种“系统结构随时变化的开关特性”，该控制特性可

4、以迫使系统在一定条件下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率的运动，称之为滑动模态或“滑模”运动。这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关。这样，处于滑模运动的系统就可以具有很好的鲁棒性。62滑模变结构控制（2）切换函数与切换面在滑模变结构控制中，需要通过开关的切换，改变系统在状态空间中的切换面两边的结构。开关切换的法则称为控制策略，它保证系统具有可滑动的模态。此时，分别把及叫做切换函数及切换面。（3）滑模变结构控制的数学描述设有一非线性控制系统：,,确定其切换函数向量：具有的维数一般情况下等于控制的维数。72滑模变结构控制寻求变结构控制率：满足以上条件的控制称之为“

5、滑模变结构控制”，其基本原理可用上图表示。这里的变结构体现在，使得：a满足“到达条件”：切换面以外的相轨迹将于有限时间内到达切换面；b切换面是滑动模态区，且滑动运动是渐进稳定的，动态品质应良好。82滑模变结构控制（4）滑模变结构控制系统的设计方法滑模变结构控制系统的设计步骤可概括如下：a选择滑模面参数，构成希望的滑动模态；b求取不连续控制，保证在切换平面上的每一点存在滑动模态，这一平面就被认为是滑动面；c控制必须使状态进入滑动面。9在2.5节中，我们已经讨论了吊车系统的模型建立和模型验证问题，这里不再赘述，下面将着重讨论吊车系统滑模变结构控制问题。3系统建模及模型验证10

6、4基于滑模变结构控制的吊车重物防摆控制策略这里我们主要研究变绳长条件下的吊车重物防摆控制，在2.5节中，给出了变绳长吊车系统的数学模型：忽略空气阻尼的影响，可将上面的方程组转换成如下形式，以便于滑模变结构控制器的设计：114基于滑模变结构控制的吊车重物防摆控制策略设，则可得系统的状态空间方程为：124基于滑模变结构控制的吊车重物防摆控制策略（1）定义两个滑模面：其中，，均是正实数。（2）采用等速趋近率：则可保证，满足广义滑模条件：134基于滑模变结构控制的吊车重物防摆控制策略经过计算整理，可以得到：（3）求控制力：吊车系统的电机水平拉力为：吊车系统的电机提升力为：14上面

7、所求出的控制力的表达式中存在不连续性函数sgn(s)，这给系统仿真带来了特殊问题。5仿真实验（1）具有“不连续控制率”的系统仿真方法研究为了分析说明的简便，下面以固定绳长防摆的滑模变结构控制为例，介绍“不连续控制率”的系统仿真方法。这时，控制方式为只调节内环摆角，令，，，，这里、和分别代表小车的位置、绳长和摆角，则在线性区附近，系统方程可简化为如下二阶状态方程：15按照前面介绍的滑模变结构控制系统的设计方法，可以得到具有防摆功能的二维滑模变结构控制器为5仿真实验（1）具有“不连续控制率”的系统仿真方法研究这里我们全部采用SIM