基于線性自抗擾理論的三維吊車控制

摘要：針對吊車控制系統(tǒng)非線性、強(qiáng)耦合，欠驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了線性自抗擾控制器解決這一問題。對比LQR控制效果，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)線性自抗擾控制具有較好的魯棒性、穩(wěn)定性和較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞：吊車;線性自抗擾控制;魯棒性;LQR控制

中圖分類號：TP391 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號：1007-9416（2020）06-0000-00

橋式吊車作為一種大型的現(xiàn)代搬運(yùn)工具，在建筑工程中廣泛使用。本文根據(jù)吊車擺動(dòng)過程中存在控制時(shí)間長，擺角幅度大等問題。由于非線性自抗擾控制器[1]存在整定參數(shù)多，調(diào)參相對復(fù)雜，故使用線性自抗擾控制器，不僅控制效果佳且應(yīng)用廣泛。

1 吊車試驗(yàn)平臺(tái)數(shù)學(xué)模型

選擇某公司三維橋式吊車模型作為實(shí)驗(yàn)對象。通過分析可得到系統(tǒng)的狀態(tài)方程。選擇x軸方向作為研究且其變量完全解耦，設(shè)，作為控制輸入，則狀態(tài)方程為：

上式1中為負(fù)載的質(zhì)量，Mx為小車及導(dǎo)軌（沿x方向）質(zhì)量，吊繩與z軸、xz平面的夾角，L為擺繩長度，為沿x方向的拉力，為沿x方向的摩擦力系數(shù)。

2設(shè)計(jì)線性自抗擾控制器

為了實(shí)現(xiàn)小車位置與擺角的參數(shù)整定，參照文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了線性自抗擾控制器，設(shè)二階被控對象的狀態(tài)方程為：

式（2）中，f（x1，x2）為系統(tǒng)的已知擾動(dòng)部分，w（t）為未知擾動(dòng)部分，b為放大系數(shù)，u（t）為系統(tǒng)控制量。二階線性ADRC系統(tǒng)中的跟蹤微分器（TD）：p0為輸入信號，p1，p2分別為p0的跟蹤信號和微分信號，用于跟蹤小車目標(biāo)位置和參考位移，可調(diào)參數(shù)r決定跟蹤速度，越大，跟蹤速度越快。線性擴(kuò)張觀測器（LESO）中的y（t）為系統(tǒng)輸出，當(dāng)前變量的估計(jì)值Z1，

Z2分別為y（t）的跟蹤信號與微分信號，Z3為系統(tǒng)總擾動(dòng)估計(jì)值，而Z3/b0構(gòu)成反饋結(jié)構(gòu)，用來補(bǔ)償擾動(dòng)，e（t）為誤差信號，位置補(bǔ)償控制量u= u0- Z3/b，u0為吊車運(yùn)行過程中r和φ的控制量。線性組合控制（LSEF）：， 其中、e1為誤差信號，、e2為微分信號;u0為虛擬控制量，u表示小車位置控制量。LSEF模塊將這些控制量重新組合生成新的控制量，并將其作為系統(tǒng)最終的控制輸入。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

在MATLAB的simulink環(huán)境下，搭建仿真框圖，其中擺線初始長度l0=56cm，質(zhì)量Mx =6.157kg，摩擦系數(shù)Dx=20.37，行程為0.76m?？刂破鞲鞑糠謪?shù)跟蹤微分器：r1=40，r2=

60，運(yùn)用PID調(diào)整的經(jīng)驗(yàn)調(diào)整線性組合參數(shù)得出k1=8;k2=1.2;k3=0.003;k4=1，符號以構(gòu)成負(fù)反饋為準(zhǔn);線性擴(kuò)張觀測器參數(shù)b0=-2.2;wc=50，LQR[3]控制器參數(shù)為k1=2.0550;k2=2.3976;k3=-3.0392;k4=-3.1374，為了驗(yàn)證控制器的魯棒性，給小車施加常值擾動(dòng)，得到圖1位移變化圖、圖2擺角變化圖。

由圖1、圖2可以看出，LADRC和LQR雖然都有一定的抗擾動(dòng)性能，但是LADRC在受到擾動(dòng)時(shí)，能迅速地補(bǔ)償干擾信號，位移和角度曲線能迅速回到參考位移的指定位置，幾乎不受干擾信號影響，可見線性自抗擾控制器的抗干擾性能非常強(qiáng)，對工程具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的線性自抗擾控制器，實(shí)現(xiàn)了三維吊車系統(tǒng)的解耦及調(diào)整控制，保證控制的實(shí)時(shí)性。通過仿真對比LQR控制，得出線性自抗擾控制器具有良好的效果，不僅能迅速消擺，還能在有干擾情況下，獲得良好的魯棒性。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓京清.自抗擾控制器及其應(yīng)用[J].控制與決策，1998（1）：19-23.

[2]武利強(qiáng)，韓京清.直線型倒立擺的自抗擾控制設(shè)計(jì)方案[J].控制理論與應(yīng)用，2004，21（5）：665-669

[3] 宋玉琴，路彥剛，鄧思成，等.塔吊防擺LQR最優(yōu)控制器研究[J].測控技術(shù)，2019，38（3）：131-134.

收稿日期：2020-04-20

作者簡介：鄧微（1987—），男，湖南新邵人，碩士，助教，從事鐵路噪聲預(yù)測及控制、智能優(yōu)化的研究工作。