桥式吊车系统是一种被广泛应用于车间、港口、工地等复杂环境的搬运起吊机械系统。传统的桥式吊车以人工操作为主要作业方式,这样的方式不仅耗费人力物力,而且存在效率低下和安全问题等弊端。相比人工操作,自动化的桥式吊车系统具有运送效率、定位精度和安全系数高等优势,因而在自动控制领域中具有重要的意义。本课题主要研究桥式吊车运作过程中的小车轨迹跟踪与负载减摆问题。桥式吊车是典型的欠驱动系统,除此之外,桥式吊车还具有非线性和高耦合性等特点。摩擦力,空气阻力等未建模动态和外部干扰带来的不确定性也给系统控制设计带来了一定困难。现有的桥式吊车控制理论方法,一般存在过度依赖系统模型,鲁棒性差等局限性,因此,针对桥式吊车系统提出一种适用性强,鲁棒性强的不依赖于机理模型的控制方法就有着重要的理论意义和实际价值。本课题针对存在未建模动态和不确定性干扰的桥式吊车欠驱动系统,研究了一类基于在线估计的反演控制设计算法,通过在线测量吊车系统的输入输出状态来估计系统模型,摆脱了控制设计对机理模型的依赖,并利用李亚普洛夫函数保证了系统的控制稳定性,其有效性在二维桥式吊车的系统仿真与实物实验中得到了验证。但对于三维桥式吊车,由于其具有更高的耦合度、更强的非线性等特性,现有的在线估计反演算法未能获得理想的控制效果。为此,本课题将输入整形算法与在线估计反演控制算法结合到一起,应对三维吊车维度增加、变量耦合带来的控制性能下降等问题。本课题主要内容如下:1.设计和搭建桥式吊车实验平台,在此基础上进行动力学分析与建模。实验平台设计分别涉及位移模块、卷扬模块与通信模块。针对每个模块进行执行器选型、连接机构设计与嵌入式控制器设计。基于吊车实物平台,采用矢量力学分析方法,通过拉格朗日方程进行动力学分析与建模获取桥式吊车动力学模型。2.研究包含不确定模型的桥式吊车控制问题。其中,针对吊车模型不确定问题,采用在线观测方法进行在线模型估计;针对负载摆角欠驱动问题,采用反演控制策略进行稳定性控制,进而形成了在线观测反演控制策略。与其他方法相比,本课题方法不需要具体的系统动力学模型,无需对系统解耦处理,仅利用系统实时的测量数据与在线模型信息和反演算法即可完成估计和控制设计。通过系统仿真与实物平台对算法的有效性进行验证。3.在二维桥式吊车研究的基础上,研究三维吊车的动力学建模,设计在线估计反演控制的算法,并进行系统仿真验证。通过研究发现,本课题算法对三维吊车负载摆角抑制效果不理想,这是由于三维吊车具有比二维桥式吊车更复杂的非线性与更强的耦合性,因此更难以保证摆角稳定性。除此之外,其复杂的非线性动力学特性会增加设计的控制器复杂度,从而导致系统对参数极其敏感。为解决这些问题,本课题采用在线估计反演控制与输入整形相结合的策略。利用输入整形进行离线目标路径设计,利用在线估计反演控制进行在闭环控制设计使在线估计反演控制沿规划路径运动,从而获得良好的摆角抑制效果,并保证了系统的实时稳定性。本课题针对桥式吊车建模困难问题采用在线估计方式。针对欠驱动系统稳定性难以保证问题采用基于李亚普诺夫函数的反演控制。针对三维桥式吊车防摆问题采用结合输入整形的方法。通过实物平台搭建、建模分析、算法设计、控制器改进、系统仿真、实物平台实验等步骤最终验证了算法的可行性和有效性。