起重机吊重系统动力学行为及状态空间重构研究

针对起重机快速对位中迫切需要解决系统状态变量信息获取方法的问题，从机电工程实际应用出发，以起重机吊重非线性系统为研究对象，采用系统动力学研究方法，深入分析吊重摆角的产生机理，找出系统状态变量对摆角影响规律的定量关系，并得出其主要影响因素，为非线性系统状态观测器的设计提供依据。对状态观测器理论设计，系统、深入研究观测器极点配置与观测时间的关系、观测器对系统参数和状态变量初值的敏感性，以合理指导观测器的工程设计，从而达到观测器有效估计系统状态变量，重构系统状态空间，状态变量现场软测量的目的。项目研究过程中采用动态仿真与物理实验验证相结合的方法。项目的成功研究能有效实现机电工程领域状态变量软测量，解决起重机吊重系统状态变量软测量的问题，并结合吊重防摇控制理论已有研究成果，必将加快起重机快速对位技术国内产业化的进程。

针对起重机快速对位中迫切需要解决的起重机吊重动力学系统状态变量信息获取方法的问题，以起重机吊重非线性系统为研究对象，采用系统动力学研究方法，分析吊重摆角的产生机理，找出系统状态变量对摆角影响规律的定量关系，并得出其主要影响因素，为起重机吊重非线性系统的状态观测器设计、重构状态空间提供理论依据，从而达到系统状态变量软测量的目的。应用经典控制理论与方法，设计了线性状态观测器，研究了观测器极点配置与观测器时间之间的定量关系，观测器对系统参数和状态变量初值的敏感性。对状态观测器的设计，主要是基于小车位置信息的全维状态观测器设计和基于小车位置与速度信息的降维状态观测器设计。这两种基于极点配置的状态观测器在本质上是线性的，而起重机吊重系统在本质上却是非线性的，线性状态观测器设计本身是针对线性简化的起重机吊重系统模型，在很大程度上，这种设计方法是一种近似方法，并且依赖于起重机吊重系统精确的数学模型，所以观测器的有效性与实用性具有一定的工程实用范围。针对这一不足，状态观测器的非线性设计是对线性观测器设计的有力改进。一是设计了起重机吊重系统神经网络观测器，即利用径向基神经网络能以任意精度对任意函数逼近的原理，针对吊重摆角子系统，以吊重摆角为可测输入量，在基本状态观测器的基础上设计了神经网络观测器。实验结果表明：神经网络观测器具有良好的快速响应性；当系统存在建模误差和参数摄动时，神将网络观测器能较好地适应小车驱动力的输入形式，并且具有较平稳的观测过程。二是设计了扩张状态观测器，即通过坐标变换将起重机吊重系统转换为标准型系统，把系统中的内外扰动、系统未建模动态等扩张成新的状态，利用惟一测量的小车位置信息设计扩张状态观测器，再采用特定的非光滑非线性误差反馈，然后选择适当的观测器参数，实现标准型系统状态变量的观测，再利用坐标反变换，得到原起重机吊重系统所有状态的观测值，实现起重机吊重系统状态空间重构，同时也能观测出起重机吊重系统模型的不确定性和未知扰动的观测值。按照项目申请书和计划书，除考虑起重机大车运动和吊重起升拉力时的状态空间重构未能很好实现，目前仍在进行研究外，其余研究内容均达到了预期研究结果，取得了良好的理论与实验研究成果，这些理论成果为工程技术应用打下了良好的基础。发表学术论文18篇，其中EI检索7篇，培养硕士研究生2名，其中1名研究生的硕士学位论文被评为校级优秀学位论文。