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工科硕士学位论文答辩 高丙团 非线性控制理论在吊车防摆中的应用研究 学生:高丙团 专业:控制理论与控制工程 导师:张晓华教授 课题背景： 国内外研究现状： 研究对象：多数只研究了定绳长的防摆控制； 控制方法：PID 控制、最优控制、模糊控制、 非线性控制、智能控制； 实验形式：国内基本为仿真实验，国外有实物 实验。 主要研究内容： 吊车物理模型的抽象： 吊车数学模型的动力学分析： 建模基础：拉格朗日方程 吊车数学模型的建立： 吊车模型的仿真： 定绳长吊车模型的线性化： 非线性控制器设计： 理论基础：非线性系统精确线性化 部分解耦线性化的思想： 控制器的设计： 控制系统示意框图： 一个仿真实验： 条件：M＝50kg，m＝5kg，行走前静止！ 外控平台的建立－信号切换 功能描述 外控平台的建立－内控信号流 输出隔离 外控平台的建立－外控信号流 控制系统“浮地”，能抗干扰 控制板卡： 实验平台照片： 软件设计－自动行走及动画显示 软件设计－曲线显示及数据分析 软件设计－手动行走控制 最优控制流程图： 非线性控制流程图： 一组实验录像实例： 一组实验数据的曲线： 实验数据－不加防摆控制策略时联动 实验数据－定摆长最优控制 实验数据－非线性控制 实验小结： 系统存在问题及改进建议： 总 结 本文针对吊车的一类非线性强耦合系统提出了一种部分解耦的非线性控制方法，并在自己搭建的实物实验平台上进行实验验证该算法的有效性。 TNANKS! 水平向的定位误差小于0.03m，垂直向的定位误差小于0.02m。 吊车不加防摆控制算法联动时。定位时间在5s～6s之间，摆动比较大，在5°～8°之间。 定摆长单拍消摆策略时。定位时间在12s～14s之间；摆动：绳长较长不超过1.5°，绳长较短不超过3.12°。 非线性控制算法时。定位时间在4s～6.5s之间；摆动：绳长较长不超过2.0°，绳长较短不超过2.5°。 非线性控制算法可以明显提高吊车系统的工作效率 1．机械性能有待改善 2．摆角测量精度较低 3．定时精度可进一步提高 《非线性控制理论在吊车防摆中的应用研究》 * 注：该课题受“哈工大实验教学设备开发基金”资助 防摆控制为众多实际工程所关注 控制器的设计 外控实验平台的组建 软件设计及实验研究 吊车系统建模 实验吊车设计 现场吊车照片 抽象物理模型 —为质点系的动能； —为质点系的广义坐标； —为质点系的自由度数； —为广义力 式中： 摆长时变时： 摆长固定时： 变绳长 定绳长 条件：M＝50kg，m＝5kg，行走前静止！单位阶跃输入力 线性化条件： 线性化过程： 线性化结果： 非线性系统可以精确线性化充要条件： r≦n，r为系统相对阶，n为系统维数 输出个数＝输入个数 … 形式转化，为了应用精确线性化方法 对定位部分精确线性化 位置伺服 重物防摆 防摆条件 就是这样的 精确定位，快速防摆 输入隔离 隔离电源 控制系统“浮地”，能抗干扰 输入隔离 输出隔离 隔离电源 外部时钟为位置脉冲 计数器串级控制步进电机 切换部分 控制柜 工控机 吊车本体 初始化、退出系统 显示灯，红色表示系统初始化成功 操作提示栏 控制方式选择 参数设定及行走控制 运行参数显示 行走结果分析 是否显示网格及曲线刷新 实验数据导出 水平行走控制 垂直升降控制 状态显示 分步进行 定绳长的防摆 时间最优控制 无防摆控制联动 非线性控制 绳长改变完毕开始行走 频率一定从而斜率一定 两个防摆，一个不防摆 5.38 5.75 5.75 5.75 5.86 5.86 定位时间(s) 6.63 5.45 5.33 7.11 5.90 7.68 定位摆角(°) 0.005 0.004 0.009 0.009 0.003 0.003 绳长误差(m) 0.505 0.504 0.509 0.991 0.997 0.997 定位绳长(m) 0.500 0.500 0.500 1.000 1.000 1.000 目标绳长(m) 0.994 0.994 0.997 0.505 0.500 0.500 初始绳长(m) 0.000 0.008 0.000 0.001 0.014 0.022 位置误差(m) 0.500 0.492 0.500 1.701 1.686 1.678 定位位置(m) 0.500 0.500 0.500 1.700 1.700 1.700 目标位置(m) 1.709 1.701 1.701 0.500 0.500 0.516 初始位置(m) 6 5 4 3 2 1 实验组号 前面的“一组” 13.38 13.88 13.50 12.50 13.13 13.00 定