基于模糊滑模控制的三维桥式吊车系统

论文摘要

三维桥式吊车系统（3D Crane System）是一个典型的非线性、欠驱动、高阶次、多变量和强耦合的系统,许多抽象的控制概念如系统的稳定性、可控性、系统的收敛速度和系统的抗干扰能力等,都可以通过其直观地表现出来。三维桥式吊车系统研究产生的方法和技术在半导体、精密仪器、机器人控制、人工智能、导弹拦截控制系统、航天器姿态控制等方面都具有广阔应用前景。本文研究了三维桥式吊车系统的快速、准确地定位与防摆控制,主要工作如下：1.通过阅读大量的中外文文献,阐述了桥式吊车的研究现状,指出了研究中存在的问题：为了实现很好的整体控制效果往往需要结合各种控制算法,致使控制器结构复杂,不利于实物控制。2.在借鉴国内外研究成果和深入研究三维桥式吊车系统结构的基础上,采用分析力学中的Lagrange方程建立了三维桥式吊车系统的非线性数学模型。3.针对当前研究中存在的问题,结合模糊滑模控制与变论域自适应模糊控制设计了一种新的自适应模糊滑模控制器（Adaptive Fuzzy Sliding Mode Controller, AFSMC）。其中,模糊滑模控制保证了控制系统对系统参数变化和外界干扰具有很强的鲁棒性,变论域控制的引入使得控制器结构简单、吊车的定位与防摆更加地快速、准确且无超调。仿真和实物实现表明,在相同控制参数下AFSMC控制性能均优于经典PID控制器。4.详细研究了三维桥式吊车系统的硬件结构,并在VC++6.0环境下开发了实时控制程序,实现了三维桥式吊车实物系统的控制,说明了设计的控制系统具有很好的总体控制性能。最后,对课题的工作内容进行总结,并给出下一步的研究方向和工作重点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 三维桥式吊车系统的研究现状
• 1.2.1 开环控制
• 1.2.2 闭环控制
• 1.2.3 存在的问题
• 1.3 本论文的主要工作
• 2 三维桥式吊车系统建模及能控性分析
• 2.1 三维桥式吊车的数学模型
• 2.1.1 系统动力学方程组
• 2.1.2 系统模型的矩阵形式
• 2.2 三维桥式吊车的能控性分析
• 2.3 本章小结
• 3 自适应模糊滑模控制
• 3.1 滑模变结构控制
• 3.1.1 基本原理
• 3.1.2 研究内容
• 3.2 模糊控制
• 3.2.1 模糊控制系统
• 3.2.2 模糊控制的特点
• 3.3 变论域自适应控制
• 3.4 模糊滑模控制
• 3.4.1 模糊滑模控制器
• 3.4.2 模糊滑模控制的研究
• 3.5 变论域与模糊滑模控制相结合
• 3.6 本章小结
• 4 三维桥式吊车的仿真实现
• 4.1 仿真模型的建立
• 4.2 控制器设计
• 4.2.1 PID控制器设计
• 4.2.2 AFSMC设计
• 4.3 仿真结果
• 4.3.1 Simulink仿真
• 4.3.2 虚拟现实技术仿真
• 4.4 本章小结
• 5 三维桥式吊车的实物控制
• 5.1 三维桥式吊车硬件本体介绍
• 5.1.1 控制系统总体结构
• 5.1.2 光电编码器
• 5.1.3 Galil运动控制器
• 5.2 控制系统软件
• 5.3 控制效果及结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 三维桥式吊车系统的物理参数
• 附录B 三维桥式吊车系统的仿真模型
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢