一种残膜回收机防缠绕挑膜装置的制 一种秧草收获机用电力驱动行走机构

一种散货码头门机防摇无模型自适应控制方法

2022-09-04 04:29:31 来源:中国专利 TAG:


1.本发明属于散货码头门机控制领域,涉及一种散货码头门机防摇无模型自适应控制方法。


背景技术:

2.门机是一种广泛应用于散货码头的吊运设备,在码头干散货运输中起到非常关键的作用,是一种典型的系统自由度数量多于独立控制量数目的欠驱动系统。因为码头港口货物种类繁多复杂,门机在运输干散货时会因为负载不确定性造成吊重摇摆问题,尤其是在门机启动或者停止的时候,摆动幅度可能过大而与其他设备发生碰撞,这些问题将导致门机作业效率低,存在安全隐患。因此散货码头门机防摇的问题也引起了国内外研究学者广泛的关注。
3.目前,电子防摇技术是应用比较广泛的,比如pid控制、预测控制、模糊控制及自适应控制等,胡艳丽、刘辉等人采用pid控制方法对起重机吊重防摆进行控制,并将非线性化等方法与常规pid控制方法结合,调节控制器三个参数,结果证明了该方法具有防摇效果;周元辉、郭瀛舟等人采用粒子群优化算法和变增益方法对起重机控制参数化进行研究,并优化设计了起重机控制参量,提高了起重机控制系统模型的准确性;smoczek等提出了一种基于多变量模型预测控制和粒子群优化算法的新型优化算法,可以较好的消除负载的瞬时摆动和残余摆动;吴丽蕊采用追钩控制和模糊控制相结合方法实现防摇控制,通过仿真对比得到追钩控制最优系数。然而,上述研究均是基于模型的控制方法,控制精度依赖于系统模型精度,但对负载不确定性产生的参数变化情况下,将面临重新整定控制参数等问题,其稳定性和控制精度也很难保障。
4.针对负载时变和参数自适应问题,chwa,dongkyoung通过引入基于台车定位误差的滑模面,设计了一种有限时间跟踪的鲁棒控制器,降低了对参数变化的敏感性,在负载质量不确定情况下实现了台车的准确定位与负载摆幅的有效抑制,但在参数变化较大情况下会影响控制器响应速度,其控制效果仍有提升空间;孙宁设计了参数不确定情况下欠驱动桥式起重机的自适应控制器,通过使用自适应控制方法对参数不确定性和外部扰动进行自适应调整,能实现台车的精准定位并消除残留摆动,该方法可显著提高控制精度,但该算法对控制器的运算能力要求较高,控制成本较大。基于以上原因,探究有效易用、成本较低、在不确定负载下有较强参数自适应性的控制器,对于散货码头门机的吊重防摆应用具有重要意义。
5.针对散货码头门机在作业过程中因为负载不确定性造成的吊重摇摆问题,本发明提出一种基于无模型自适应控制的散货码头门机防摇控制方法,该方法是一种典型数据驱动控制方法,它只需要利用被控系统的输入数据和输出数据对控制器进行设计与分析,不依赖被控系统数学模型,方法简单且计算量少,具有较强的抗干扰性能。


技术实现要素:

6.本发明为了解决散货码头门机负载不确定性造成的吊重摇摆问题,提出一种不依赖系统模型、在负载时变情况下具有较强的参数自适应性的控制方法,并将其应用于散货码头门机防摇控制中,可以实现对未知非线性受控系统的参数自适应控制,实现了良好的吊重防摇效果,保障被控系统的稳定性,提高了作业效率和运行安全性。
7.为实现上述发明目的,本发明采取了如下的技术方案:
8.一种散货码头门机防摇无模型自适应控制方法,包括下述步骤:
9.(1)吊重摆动角度的采集:在固定绳长下,台车在驱动电机作用下正常作业,通过角度传感器得到散货码头门机吊重摆动角度θ;
10.(2)根据拉格朗日方程建立散货码头门机系统非线性动力学方程:
[0011][0012]
将非线性动力学方程转化为状态空间方程:
[0013]
令v=f
x
,y=[x
m θ]
[0014][0015]
y=cx dv
[0016][0017]
其中:m为台车质量;m为吊重质量;xm为台车水平位移;θ为吊重摆角;g为重力加速度;摩擦系数为μ;为台车水平加速度;l为吊绳长度;
[0018]
(3)对门机系统状态空间方程进行紧格式动态线性化处理,获得数据模型:
[0019]
建立散货码头门机系统离散时间非线性系统:
[0020]
δθ(k 1)=f(θ(k),

,θ(k-m
θ
),v(k),

,v(k-mv));
[0021]
其中,v(k)∈r,θ(k)∈r分别为k时刻系统的输入与输出;m
θ
,mv为两个未知的正整数;f(

):是系统未知的非线性函数;
[0022]
上述系统满足以下条件:
[0023]
该系统关于v(k)的偏导数存在且连续;
[0024]
该系统满足广义lipschitz条件,对任意的k,当|δu(k)|≠0时,有|δx(k 1)|≤q|δu(k)|;其中,x
*
(k 1)为系统有界的期望输出信号,u
*
(k)为系统有界的输入信号;δx(k 1)为相邻两个时刻的输出变化,δu(k)为相邻两个时刻的输入变化;故δx(k 1)=x(k 1)-x(k),δu(k)=u(k)-u(k-1);q为一个正常数;
[0025]
由散货码头门机系统动力学方程可得下述两式:
[0026]
δθ(k 1)=f(θ(k),θ(k-1),θ(k-2),v(k))-f(θ(k),θ(k-1),θ(k-2),v(k-1)) f(θ
(k),θ(k-1),θ(k-2),v(k-1))-f(θ(k-1),θ(k-2),θ(k-3),v(k-1));
[0027]
=bδv(k) ξ(k)
[0028]
ξ(k)=f(θ(k),θ(k-1),θ(k-2),v(k-1))-f(θ(k-1),θ(k-2),θ(k-3),v(k-1));
[0029]
由于|δv(k)|≠0,故方程ξ(k)=η(k)v(k)有解η(k);令可以得到b为f(

)的偏导数,
[0030]
(4)计算吊重摆角的伪偏导数估计律:
[0031][0032]
对该准则函数关于求极值,可得伪偏导数估计律:
[0033][0034]
其中,η∈(0,1]为步长因子,μ>0为权重因子,为的伪偏导数估计值,为的伪偏导数估计值;
[0035]
(5)设计吊重摆角的无模型自适应控制器:
[0036]
考虑如下控制准则函数:
[0037]
j[v(k)]=|θ
*
(k 1)-θ(k 1)|2 λ|v(k)-v(k-1)|2;
[0038]
记λ为权重因子,θ
*
(k 1)为期望吊重摆动角度;将步骤(3)中动态线性化的数据模型带入输入准则函数,对v(k)求导,并令其求导结果等于零,可得控制算法:
[0039][0040]
其中,ρ∈(0,1]是步长因子,λ>0为权重因子,用来控制输入量变化;θ
*
(k 1)为期望吊重摆动角度;
[0041]
(6)根据散货码头门机作业特点,在固定绳长下,台车在驱动电机作用下进行正常作业,角度传感器将采集到的吊重摆动角度在k-1时刻以θ(k-1)输出为反馈角度信号,与期望角度形成的误差变量δθ(k-1)经无模型自适应控制器计算输出相应的控制信号,控制台车驱动电机,调整台车运行速度,从而可以减小吊重摆动角度。
[0042]
相比现存技术,本发明的特点优势在于:针对散货码头门机负载不确定性造成的吊重摇摆问题,采用的无模型自适应控制方法仅使用门机系统的输入输出数据,在负载不确定性下无须进行精确建模;设计步骤如下:通过角度传感器得到吊重摆动角度;根据拉格朗日方程建立散货码头门机系统动力学方程并转化成状态空间方程;对其进行紧格式动态线性化处理获得数据模型;计算吊重摆角的伪偏导数估计律;设计吊重摆角的无模型自适应控制器,利用控制器输出控制信号,控制台车驱动电机,调整台车运行速度,从而减小吊重的摆动角度。本方法能有效的改善散货码头门机吊重摇摆问题,提高门机作业效率,降低危险系数。
[0043]
结合附图阅读本发明的具体实施方式后,其特点和优势将得到进一步的明确。
附图说明:
[0044]
图1为散货码头门机运动二维模型简化示意图;
[0045]
图2为本发明提出的一种散货码头门机无模型自适应防摇控制方法实施例的流程图;
[0046]
图3为本发明提出的散货码头门机防摇无模型自适应控制方法的结构框图;
[0047]
图4为相同条件下使用mfac与pid控制下吊重摇摆角-时间曲线对比图;
具体实施方式
[0048]
以下将结合附图,对本发明进行进一步的详细描述。
[0049]
本发明针对散货码头门机在作业过程中因为负载不确定性造成的吊重摇摆,导致门机作业效率低,存在安全隐患等问题,提出了一种散货码头门机防摇无模型自适应控制方法。在作业过程中,以台车作为推进装置,对一种散货码头门机防摇无模型自适应控制方法进行详细说明。
[0050]
参见图1所示,在建立散货码头门机简易运动二维模型时,由于作业过程中包含的变量较多,同时不排除外界风力或者摩擦的干扰,因此系统较为复杂,为了方便研究就简化了模型,但是在建模的同时需要建立一些合理的假设:
[0051]
(1)在建立台车模型时忽略整个门架造成的运行干扰因素;
[0052]
(2)因为吊重质量远远大于吊绳质量,所以建模时吊绳质量可忽略;
[0053]
(3)设置摩擦系数μ,将台车运行过程中与其他机构间产生的阻力等效为线性阻尼;
[0054]
(4)门架和台车的驱动力f均为可控;
[0055]
参见图2所示,本发明例的散货码头门机防摇无模型自适应控制方式,具体有以下流程:
[0056]
步骤s1:吊重摆动角度的采集:在固定绳长下,台车在驱动电机作用下正常作业,由角度传感器得到吊重摆角的角度θ;
[0057]
步骤s2:建立散货码头门机简易二维模型,在台车运行过程中,包含的变量较多,同时存在一些风力或者摩擦等外界干扰,而拉格朗日方程中不含有约束反力,只需要对主动力分析即可建立散货码头门机系统非线性动力学方程,其一般表达式为:
[0058][0059]
其中:l=t-v,l为拉格朗日算子;t为系统动能;v为系统势能;qi为质量系的广义坐标;i为质量系的自由度数;fi为除了系统自身重力外第i个广义坐标上的广义外力;根据模型位置关系可以得到方程:
[0060][0061]
吊重沿x和y轴方向的速度分量分别为;
[0062]
[0063]
门机系统的动能为t:
[0064][0065]
选取o为零势能点,势能v:
[0066]
v=-mglcosθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0067]
其中:m为台车质量;m为吊重质量;xm为台车水平位移;xm为吊重水平位移;θ为吊重摆角;g为重力加速度;摩擦系数为μ;
[0068]
吊重系统的拉格朗日算子为l:
[0069][0070]
建立关于台车驱动力f
x
的拉格朗日方程:
[0071][0072][0073]
整理得到台车驱动力f
x
的拉格朗日方程:
[0074][0075]
建立关于吊重摆角θ的拉格朗日方程:
[0076][0077][0078]
整理得到关于吊重摆角θ的拉格朗日方程:
[0079][0080]
整理得到关于散货码头门机系统的非线性动力学方程:
[0081][0082]
将非线性动力学方程转化为状态空间方程:
[0083]
令v=f
x
,y=[x
m θ]
[0084]
[0085][0086]
其中:m为台车质量;m为吊重质量;xm为台车水平位移;θ为吊重摆角;g为重力加速度;摩擦系数为μ;为台车水平加速度;l为吊绳长度;
[0087]
步骤s3:对门机系统状态空间方程进行紧格式动态线性化处理,获得数据模型:
[0088]
建立离散时间非线性系统:
[0089]
δθ(k 1)=f(θ(k),

,θ(k-m
θ
),v(k),

,v(k-mv))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0090]
其中,v(k)∈r,θ(k)∈r分别为k时刻系统的输入与输出;m
θ
,mv为两个未知的正整数;f(

):是系统未知的非线性函数;
[0091]
上述系统满足以下条件:
[0092]
该系统关于v(k)的偏导数存在且连续;
[0093]
该系统满足广义lipschitz条件,对任意k,当|δv(k)|≠0时,有|δθ(k 1)|≤q|δv(k)|其中,θ
*
(k 1)为系统有界的期望输出信号,v
*
(k)为系统有界的输入信号;δθ(k 1)为相邻两个时刻的输出变化,δv(k)为相邻两个时刻的输入变化;故δθ(k 1)=θ(k 1)-θ(k),δv(k)=v(k)-v(k-1);q为一个正常数;
[0094]
由动力学方程可得下述两式:
[0095][0096]
ξ(k)=f(θ(k),θ(k-1),θ(k-2),v(k-1))-f(θ(k-1),θ(k-2),θ(k-3),v(k-1))
ꢀꢀ
(17)
[0097]
由于|δv(k)|≠0,故方程ξ(k)=η(k)v(k)有解η(k);令可以得到:
[0098][0099]
b为f(

)的偏导数,
[0100]
步骤s4:计算吊重摆角的伪偏导估计律:
[0101][0102]
对该准则函数关于求极值,可得伪偏导数估计律:
[0103][0104]
其中,η∈(0,1]为步长因子,μ>0为权重因子,为的伪偏导数估计值,为的伪偏导数估计值;
[0105]
步骤s5:设计吊重摆角的无模型自适应控制器:
[0106]
考虑如下控制准则函数:
[0107]
j[v(k)]=|θ
*
(k 1)-θ(k 1)|2 λ|v(k)-v(k-1)|2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0108]
记λ为权重因子,θ
*
(k 1)为期望吊重摆动角度;将步骤(3)中动态线性化的数据模型代入输入准则函数,对v(k)求导,并令其求导结果等于零,可得控制算法:
[0109][0110]
其中,ρ∈(0,1]是步长因子,λ>0为权重因子,用来控制输入量变化;θ
*
(k 1)为期望吊重摆动角度。
[0111]
步骤s6:根据散货码头门机作业特点,在固定吊绳长下,台车在驱动电机作用下正常作业,角度传感器将采集到的吊重摆动角度在k-1时刻以θ(k-1)输出为反馈角度信号,与期望角度形成的误差变量δθ(k-1)经无模型自适应控制器计算输出相应的控制信号,控制台车驱动电机,调整台车运行速度,从而可以减小吊重摆动角度。
[0112]
本实施例所用的控制方法是一种基于无模型自适应算法的散货码头门机防摇控制方法,为散货码头门机工作状态下由于负载不确定性导致吊重摆动所造成作业效率低,存在安全隐患问题提供有效的解决方案;因为系统动态模型建立较为复杂,以及存在其他不确定干扰因素,所以提供一种无模型自适应控制策略,其不依赖准确模型,只需要系统提供一些输入输出数据,通过算法计算输出控制就可以满足吊重防摇需求。
[0113]
下面对传统pid控制下与实施本发明控制后散货码头门机吊重摆动特性进行仿真比较分析:
[0114]
在matlab/simulink仿真环境下建立散货码头门机作业控制系统,设置摩擦参数μ=0.2,重力加速度g=9.8m/s2等,仿真时间是0-30s。设置驱动力f=1200n,台车机构总质量为m=300kg,吊重质量m=80kg,吊绳长度l=4m。对模型进行仿真后得到摆角-时间曲线,对于图4仿真分析可以看出,pid控制下,吊重摆角在10s左右达到稳定,而在mfac控制下,吊重摆角在8s左右达到稳定,并且在摆角稳定前的摆动幅度略小于pid控制下的幅度。结果表明mfac控制下具有比pid控制更好的防摇效果。
[0115]
综上述分析,本实施例提出了一种散货码头门机防摇无模型自适应控制方法,可以通过在线调整关于吊重摆角的伪偏导数,保证了散货码头门机作业系统的角度跟踪误差的有界性。通过仿真实验结果证明,与传统pid控制吊重摆动特性对比,在使用无模型自适应控制器后能更加有效减少吊重摇摆角度,提高了作业效率,降低了危险系数。
[0116]
以上所述的具体描述,对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明,所应理解的是,实施例仅用于解释本发明,并不用于限定本发明的保护范围。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
再多了解一些

本文用于企业家、创业者技术爱好者查询,结果仅供参考。

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