扰动估计驱动的船载吊臂起重机时变带宽自抗扰控制

《Journal of Marine Science and Engineering》：Disturbance-Estimation-Driven Time-Varying Bandwidth Active Disturbance Rejection Control for Shipboard Boom Cranes

　　

船载吊臂起重机在欠驱动与扰动耦合条件下，需要实现精确定位与负载摆动抑制。本研究提出一种扰动估计驱动的时变带宽自抗扰控制（TVB-ADRC）框架。研究人员将标称微分平坦性映射、四阶导数观测器与泄漏扰动观测器相结合，并采用有界、平滑的观测器/控制器带宽调度。针对理想平坦输出误差模型，研究人员建立了条件收敛性，并针对有界、非消失残差给出了最终误差界。该分析并不构成对完整非线性比例-微分增强实现的无条件稳定性证明。研究人员使用明确定义的有限窗口性能指标比较了六种仿真情形。完整的TVB-ADRC配置在若干情形下比固定带宽自抗扰控制（ADRC）和主动摆动控制（ASC）实现了更快的受控状态调节，但并未使所有摆动指标均达到最小。实验室定位实验采用规定的正弦激励来代表周期性波浪扰动，报告峰值摆动为2.79°。该实验室激励不同于仿真中使用的随机波浪信号。实验室输入水平解释使用了推断的质量-力矩估计值，而非独立测量值，且比较并未隔离带宽调度的独立贡献。

基于扰动估计驱动的时变带宽自抗扰控制的船载吊臂起重机研究解读

一、研究背景与问题提出

船载吊臂起重机广泛应用于海上补给、施工与货物转运等场景。其欠驱动的负载摆动与变幅（luffing）、起升（hoisting）及船舶运动相互耦合，构成了定位与防摆控制的严峻挑战。尽管已有输入整形、最优轨迹规划、自适应控制、模糊控制及神经网络控制等多种反馈与自适应防摆策略被提出，且针对船载起重机的坐标变换、非线性镇定控制及动态反馈等方法也取得了相应进展，但如何在统一的框架下有效处理不确定动力学、外部扰动与欠驱动特性之间的耦合，仍是亟待解决的核心问题。

自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control, ADRC）将不确定动力学与外部输入视为总扰动进行估计与补偿，其中扩张状态观测器（Extended-State Observer, ESO）框架与基于带宽的参数化方法为ADRC的工程应用奠定了基础。然而，固定带宽设置代表了噪声抑制与响应速度之间的折衷，难以在不同工况下同时获得最优性能。尽管已有有限时间扰动估计、模糊自适应线性ADRC及增强型超螺旋ESO等改进方案被提出，但针对船载吊臂起重机，如何将扰动估计信号与平坦输出导数重构相结合，并据此在线调度观测器与控制器带宽，尚缺乏系统性的研究。现有比较结果亦无法证明所提方法优于所有自适应带宽方法。

二、研究内容与主要结论

针对上述问题，研究人员提出了一种扰动估计驱动的时变带宽自抗扰控制（Time-Varying Bandwidth Active Disturbance Rejection Control, TVB-ADRC）框架。该框架的核心在于构建一个双通道控制器架构，将平坦输出导数重构、泄漏扰动估计与有界观测器/控制器带宽调度相结合。具体而言，研究人员首先通过微分平坦性分析，将原始欠驱动系统映射到平坦输出空间，建立统一的坐标基础；随后，设计四阶导数观测器重构平坦输出状态链，并利用独立的泄漏扰动观测器估计集总扰动；该扰动估计既用于前馈补偿，又用于在线调度观测器与控制器带宽，并通过平滑有界更新律实现。最终，通过逆平坦性映射将虚拟控制指令转换为物理的吊臂驱动力矩与缆绳驱动力。

在理论分析方面，研究人员针对理想虚拟输入误差模型建立了条件收敛性证明。在残差渐近消失的假设下，结合慢变带宽条件，证明了导数观测器估计误差与平坦输出跟踪误差的渐近收敛；在残差有界且非消失的情况下，给出了最终误差界。然而，该分析明确不构成对完整非线性比例-微分（Proportional-Derivative, PD）增强回路在持续扰动下的无条件稳定性证明。

在仿真验证方面，研究人员对六种存档的仿真记录进行了重新评估，采用明确定义的有限窗口性能指标。结果表明，在无扰动情形下，TVB-ADRC的峰值摆动（0.71°）与ADRC（0.70°）接近，且远低于ASC（4.03°），同时其吊臂角度与缆绳长度的最后进入时间（last-entry time）短于ADRC，但摆动最后进入时间更长。在连续随机波浪扰动及波浪与脉冲组合扰动情形下，TVB-ADRC的峰值摆动大于ADRC但小于ASC，且ASC具有更短的摆动最后进入时间。在反向定位、固定较低载荷及非零初始摆动等适应性测试中，TVB-ADRC在多个情形下实现了更快的受控状态调节，但摆动指标呈现非均匀的权衡。总体而言，完整的TVB-ADRC配置在若干比较中提供了更快的受控状态调节，但并未使所有摆动指标均达到最小。

在硬件实验方面，研究人员在实验室平台上采用规定的正弦激励代表周期性波浪扰动，比较了三种控制配置。TVB-ADRC报告的峰值摆动为2.79°，低于ADRC与ASC，并具有最短的报告摆动调节时间。然而，该实验室激励与仿真中使用的随机波浪信号不同，且输入水平解释使用了推断的质量-力矩估计值，而非独立测量值，因此实验结果不能解释为在等效随机海况下的验证。

三、关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：一是微分平坦性分析，将欠驱动船载吊臂起重机系统映射到平坦输出空间，建立统一的坐标基础；二是四阶导数观测器，用于重构平坦输出状态链及其导数；三是泄漏扰动观测器，用于估计集总扰动；四是基于扰动估计驱动的有界平滑带宽调度机制，通过一阶平滑更新律与饱和函数实现观测器与控制器带宽的在线调节；五是逆平坦性映射，将虚拟控制指令转换为物理控制输入，并辅以比例-微分阻尼注入。

四、研究结果分述

标称性能与扰动恢复： 在无扰动条件下，所有控制器均能达到期望的吊臂角度与缆绳长度，TVB-ADRC的峰值摆动与ADRC接近且远低于ASC，同时受控状态调节更快，但摆动抑制时间较长。在连续随机波浪扰动下，TVB-ADRC的峰值摆动大于ADRC但小于ASC，且ASC具有更短的摆动最后进入时间，表明不存在统一的摆动响应最优方法。在波浪与脉冲组合扰动下，TVB-ADRC在受控状态调节方面表现出一定优势。

对参考、载荷与初始状态变化的适应性： 在反向定位情形下，TVB-ADRC与ADRC的峰值摆动相近，但ADRC具有最短的摆动最后进入时间，TVB-ADRC则具有更短的吊臂/缆绳最后进入时间。在固定较低载荷运行下，TVB-ADRC的摆动最后进入时间短于ASC但长于ADRC。在非零初始摆动情形下，TVB-ADRC与ADRC均未超过施加的初始摆动，而ASC达到了更大的峰值，TVB-ADRC具有最短的吊臂/缆绳时间。

平坦输出导数观测与带宽调度结果： 存档的观测结果显示，平坦输出估计在短暂初始瞬态后接近真实信号，误差保持较小。泄漏扰动估计的晚期幅度较小，但该结果不能作为真实扰动估计误差的度量，常数扰动偏差的存在阻止了将小估计值解释为渐近精确补偿的证明。原始带宽状态轨迹在裁剪前被记录，而实现增益使用裁剪后的有效值，因此原始轨迹不能代表有效增益。

硬件实验： 在规定的正弦扰动下，TVB-ADRC报告的峰值摆动为2.79°，低于ADRC与ASC，并具有最短的报告摆动调节时间。但受控状态时间并非一致更小，且ADRC具有更低的输入峰值。名义静态关系在推断的质量-力矩估计下与绘制的晚期输入水平在量级上一致，但该一致性仅构成静态一致性检查，而非独立参数识别。

五、讨论与结论

研究人员的分析表明，所提出的TVB-ADRC框架在理想虚拟误差模型下，在满足特定残差与转移条件时可实现渐近收敛，在残差有界非消失时可获得最终误差界，但该分析不构成完整非线性PD增强回路在持续扰动下的无条件收敛保证。由于所比较的配置在调参、辅助补偿及参考生成等方面存在差异，仿真与实验结果不能量化带宽调度的独立贡献。研究结论仅限于所报告的具体配置与激励条件，不扩展到量化的噪声/延迟鲁棒性或一般船舶运动抑制能力。该研究为船载吊臂起重机的抗扰控制提供了一种将扰动估计与带宽调度相结合的设计机制，但其有效性验证仍需结构匹配的消融实验与更全面的鲁棒性测试。