一种无人天车运行过程中的防摇摆控制方法

1.本发明涉及无人天车吊运钢材的技术领域，尤其涉及针对无人行车运行过程防摇摆控制的技术领域。


背景技术：

2.随着物联网、人工智能等信息技术的发展，钢铁企业正在向以智能工厂为载体、以关键制造环节智能化为核心、以端到端数据流为基础、以网通互联为支撑的智能制造模式转型。其中，起重机与库区的无人化与智能化建设，成为智能工厂建设极具代表性的一项技术。
3.无人天车在变速运动中吊具速度变化滞后于大车和小车速度变化，不可避免的会发生吊具晃动的情况，这给天车的安全运行带来了风险，为了消除这种速度变化的不同步，让天车在最短的时间内平稳的到达目标位置，无人天车控制系统设计中需要开发自动防摇摆控制技术。
4.防摇摆控制系统由摆动角度检测仪、红外标记和防摇摆控制模型组成。摆动角度检测仪安装在天车上部，红外标记安装在吊具上部，两两配合使用，可以测得吊具的晃动角度。根据实测的天车晃动角度、天车实际位置、速度信息，实时计算天车加速度调整量，并将该加速度调整量传递到传动变频器，即可控制天车大、小车速度，实现防摇摆控制。
5.现阶段的防摇摆控制模型，在由检测角度转化为加速度调整时，未充分考虑吊具相对天车的钢丝绳长度影响，并且未充分考虑偏移程度、天车运行速度方向、偏移方向等因素对调节增益的影响，容易导致参数设置合理所引起的调节效率低或者过调节问题。


技术实现要素：

6.本发明是为了解决上述技术问题，提供一种模糊变增益防摇摆控制技术，充分考虑各种影响因素动态设置调节增益，充分保证了防摇摆控制的调节效率与控制稳定性。
7.本发明提供了一种无人天车运行过程中的防摇摆控制方法，根据无人天车运行过程的吊具摇摆偏移量进行速度与加速度的自动调整，包括以下步骤：
8.步骤1：定义无人天车运行方向坐标系，包括：
9.无人天车运行方向包括大车运动方向、小车运动方向、吊具运动方向以及吊具相对小车转动方向四个自由度，以无人天车home位为原点、大车前进方向为x轴正向、小车前进方向为y轴正向建立平行于水平面的天车运行坐标系；
10.步骤2：设置防摇摆控制周期为t，即按照t间隔周期实施控制，包括：
11.实时测量获取无人天车t
n-1
时刻的大车位置，小车位置，大车速度v
xtn-1
，小车速度v
ytn-1
，以及无人天车tn时刻的大车位置，小车位置，大车速度v
xtn
，小车速度v
ytn
；
12.步骤3：根据大车速度从v
xtn-1
到v
xtn
的变化，根据公式(1)计算大车加速度a
xtn
，包括：
13.a
xtn
＝(v
xtn-v
xtn-1
)/t
ꢀꢀꢀ
(1)
14.根据小车速度从v
ytn-1
到v
ytn
的变化，根据公式(2)计算小车加速度a
ytn
：
15.a
ytn
＝(v
ytn-v
ytn-1
)/t
ꢀꢀꢀ
(2)
16.加速度计算完成的同时，也得到了加速度的方向；
17.步骤4：通过摆角检测仪实测角度信息，计算吊具相对于天车空间位置的相对偏移量，包括吊具x轴偏移程度x
tn
和吊具y轴偏移程度y
tn
；
18.步骤5：基于模糊控制方法，根据吊具x轴偏离程度、大车加速度方向、吊具x轴偏离方向确定，建立模糊控制模型获得大车加速度调节增益系数p
xtn
；根据吊具y轴偏离程度、小车加速度方向、吊具y轴偏离方向确定，建立模糊控制模型获得小车加速度调节增益系数p
ytn
；
19.步骤6：将吊具x轴偏移程度x
tn
乘以大车加速度调节增益系数p
xtn
，根据公式(3)得到大车加速度调整量δa
xtn
：
20.δa
xtn
＝x
tn
*p
xtn
ꢀꢀꢀ
(3)
21.将吊具y轴偏移程度y
tn
乘以小车加速度调节增益系数p
ytn
，根据公式(4)得到小车加速度调整量δa
ytn
：
22.δa
ytn
＝y
tn
*p
ytn
ꢀꢀꢀ
(4)
23.步骤7：通过大车、小车加速度调整量δa
xtn
与δa
ytn
修正t
n+1
时刻的加速度，根据公式(5)以及公式(6)得到：
24.a
xtn+1
＝a
xtn
+δa
xtn
ꢀꢀꢀ
(5)
25.a
ytn+1
＝a
ytn
+δa
ytn
ꢀꢀꢀ
(6)
26.至此，完成了根据摇摆偏移量的天车加速度调整控制。
27.优选地，步骤4中，通过摆角检测仪实测角度信息，计算吊具x轴偏移程度x
tn
和吊具y轴偏移程度y
tn
，包括：
28.将小车水平面按xy轴分为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ四个象限，主钩钢丝绳长度为l，l在xz平面投影为l
xz
，l
xz
在xz平面与z轴的夹角为α1，l在yz平面上投影为l
yz
，l
yz
在yz平面与z轴的夹角为α2，夹角α1与α2即为摆角检测仪实测角度；
29.根据公式(7)以及公式(8)，计算tn时刻吊具x轴偏移程度x
tn
和吊具y轴偏移程度y
tn
：
30.x
tn
＝l
xz
·
sinα1ꢀꢀꢀ
(7)
31.y
tn
＝l
yz
·
sinα2ꢀꢀꢀ
(8)
32.根据公式(9)以及公式(10)，由空间中存在的几何关系得到：
[0033][0034][0035]
联立所述公式(9)以及公式(10)解得吊具x轴偏移程度x
tn
和吊具y轴偏移程度y
tn
分别与夹角α1、α2之间的关系式：
[0036]
[0037][0038]
由此，根据摆角检测仪实测角度α1、α2计算出吊具x轴偏移程度x
tn
、吊具y轴偏移程度y
tn
。
[0039]
优选地，步骤5中，基于模糊控制方法，获得大车加速度调节增益系数p
xtn
，包括：
[0040]
步骤5.1：确定输入、输出变量的模糊子集，包括：
[0041]
包括吊具x轴偏离程度、大车加速度方向、吊具x轴偏离方向和大车加速度调节增益系数，模糊子集取值设定如下：
[0042]
吊具x轴偏离程度x
tn
在模糊运算中记为s，设定其模糊子集ms为：{大，中，小}；
[0043]
大车加速度方向在模糊运算中记为d，设定其模糊子集md为：{正，负}；
[0044]
吊具x轴偏离方向在模糊运算中记为w，设定其模糊子集mw为：{正，负}；
[0045]
大车加速度调节增益系数p
xtn
在模糊运算中记为q，设定其模糊子集mq为：{大大，中大，小大，大小，中小，小小}；
[0046]
步骤5.2：变量模糊化，包括：
[0047]
吊具x轴偏离程度s的基本物理论域为设定的最小值到最大值取值区间[sv
min
，sv
max
]，大车加速度方向d的基本物理论域为{-1，1}，吊具x轴偏离方向w的基本物理论域为{-1，1}，大车加速度调节增益系数q的基本物理论域为[qv
min
，qv
max
]；
[0048]
将基本物理论域转化为以离散自然数方式描述的模糊值域，实现变量模糊化；吊具x轴偏离程度s的模糊值域为{1,
…
,es}，吊具x轴偏离程度s的模糊值es的转化公式如下：
[0049][0050]
吊具x轴偏离程度s即为步骤4计算出的吊具x轴偏移程度x
tn
，模糊集最大值es取为3，即吊具偏离程度s的模糊值es∈{1,2,3}；
[0051]
大车加速度方向d的模糊值域为{-1,1}，大车加速度方向d的模糊值ed等于大车加速度方向取值：
[0052]
ed＝d
ꢀꢀꢀ
(14)
[0053]
即大车加速度方向d的模糊值ed∈{-1,1}；
[0054]
吊具x轴偏离方向w的模糊值域为{-1,1}，吊具x轴偏离方向w的模糊值ew等于吊具x轴偏离方向取值：
[0055]ew
＝w
ꢀꢀꢀ
(15)
[0056]
即吊具x轴偏离程度w的模糊值ew∈{-1,1}；
[0057]
大车加速度调节增益系数q的模糊值域为{0,1,
…
,eq}，大车加速度调节增益系数q的模糊值eq的转化公式如下：
[0058][0059]
模糊集最大值eq取为6，即大车加速度调节增益系数q的模糊值eq∈{0,1,2,3,4,5,6}；
[0060]
步骤5.3：设定模糊值域对模糊子集的隶属度，包括：
[0061]
针对各变量设定模糊值域对模糊子集的隶属度，吊具x轴偏离程度、大车加速度方
向、吊具x轴偏离方向、大车加速度调节增益系数的隶属度分别定义为μs、μd、μw、μq；分别确定吊具x轴偏离程度、大车加速度方向、吊具x轴偏离方向、大车加速度调节增益系数的隶属度；
[0062]
步骤5.4：建立大车加速度调节增益系数的模糊控制规则表；
[0063]
步骤5.5：建立模糊关系矩阵，包括：
[0064]
所述模糊控制规则表包括12条规则，形成模糊关系矩阵r，其为每一条规则对应子矩阵ri的合成；子矩阵ri为对应子规则i中吊具x轴偏离程度的隶属度矩阵μ
si
、大车加速度方向的隶属度矩阵μ
di
、吊具x轴偏离方向的隶属度矩阵μ
wi
、大车加速度调节增益系数的隶属度矩阵μ
qi
四者之间的直积运算：
[0065]ri
＝μ
si
×
μ
di
×
μ
wi
×
μ
qi
，i＝1,2,
…
,12
ꢀꢀꢀ
(17)
[0066]
对子矩阵ri进行合并运算，得到模糊关系矩阵r，
[0067][0068]
即模糊关系矩阵r中任意位置元素，为所有12个子矩阵ri中相同位置元素的最大值；
[0069]
基于所述吊具x轴偏离程度、大车加速度方向、吊具x轴偏离方向、大车加速度调节增益系数的隶属度值，计算得到模糊关系矩阵r
[0070]
步骤5.6：通过模糊关系矩阵r求解大车加速度调节增益系数q，包括：
[0071]
通过吊具x轴偏离程度，大车加速度方向，吊具x轴偏离方向，参照式(13)～式(16)，分别转化模糊值es、ed、ew，并分别按照所述吊具x轴偏离程度、大车加速度方向、吊具x轴偏离方向的隶属度值，转化为隶属度矩阵μ
s*
、μ
d*
、μ
w*
；
[0072]
在此基础上，计算出大车加速度调节增益系数的隶属度矩阵μq，如公式(20)所示：
[0073][0074]
μq为一个1*7的行向量，在该行向量中的7个元素中比较获取到数值最大的元素所在列数lq，利用以下列数lq与模糊值eq的对应关系，求解eq；
[0075]eq
＝l
q-1
ꢀꢀꢀ
(21)
[0076]
最后，将模糊值eq通过公式(16)计算得到大车加速度调节增益系数q，即大车加速度调节增益系数p
xtn
；
[0077]
通过公式(22)利用模糊值eq计算得到大车加速度调节增益q，即p
xtn
：
[0078][0079]
优选地，步骤5中，采用与大车加速度调节增益系数p
xtn
相同的方式获得小车加速度调节增益系数p
ytn
。
附图说明
[0080]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0081]
图1为本发明实施例的一种无人天车运行过程中的防摇摆控制方法的方法流程图；
[0082]
图2为本发明实施例的一种无人天车运行过程中的防摇摆控制方法的无人天车运动过程坐标系示意图。
[0083]
图3为本发明实施例的一种无人天车运行过程中的防摇摆控制方法的摆动角度图形解析。
[0084]
图4为本发明实施例的一种无人天车运行过程中的防摇摆控制方法的天车防摇摆加速度模糊控制器。
具体实施方式
[0085]
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0086]
如图1所示，本发明实施例提供一种无人天车运行过程中的防摇摆控制方法，即根据无人天车运行过程的吊具摇摆偏移量进行速度与加速度的自动调整，包括以下步骤：
[0087]
步骤1：定义无人天车运行方向坐标系；
[0088]
无人天车运行方向包括大车运动方向、小车运动方向、吊具运动方向以及吊具相对小车转动方向四个自由度，以无人天车home位为原点、大车前进方向为x轴正向、小车前进方向为y轴正向建立平行于水平面的天车运行坐标系；如图2所示，为本发明实施例的无人天车运动过程坐标系示意图。
[0089]
步骤2：设置防摇摆控制周期为t，即按照t间隔周期实施控制；
[0090]
实时测量获取无人天车t
n-1
时刻的大车位置，小车位置，大车速度v
xtn-1
，小车速度v
ytn-1
，以及无人天车tn时刻的大车位置，小车位置，大车速度v
xtn
，小车速度v
ytn
；
[0091]
步骤3：根据大车速度从v
xtn-1
到v
xtn
的变化，计算大车加速度a
xtn
：
[0092]axtn
＝(v
xtn-v
xtn-1
)/t
ꢀꢀꢀ
(1)
[0093]
根据小车速度从v
ytn-1
到v
ytn
的变化，计算小车加速度a
ytn
：
[0094]aytn
＝(v
ytn-v
ytn-1
)/t
ꢀꢀꢀ
(2)
[0095]
加速度计算完成的同时，也得到了加速度的方向；
[0096]
步骤4：通过摆角检测仪实测角度信息，计算吊具相对于天车空间位置的相对偏移量，包括吊具x轴偏移程度x
tn
和吊具y轴偏移程度y
tn
；
[0097]
步骤5：基于模糊控制方法，根据吊具x轴偏离程度、大车加速度方向、吊具x轴偏离方向确定，建立模糊控制模型获得大车加速度调节增益系数p
xtn
；根据吊具y轴偏离程度、小车加速度方向、吊具y轴偏离方向确定，建立模糊控制模型获得小车加速度调节增益系数p
ytn
；
[0098]
步骤6：将吊具x轴偏移程度x
tn
乘以大车加速度调节增益系数p
xtn
，得到大车加速度调整量δa
xtn
：
[0099]
δa
xtn
＝x
tn
*p
xtn
ꢀꢀꢀ
(3)
[0100]
将吊具y轴偏移程度y
tn
乘以小车加速度调节增益系数p
ytn
，得到小车加速度调整量δa
ytn
：
[0101]
δa
ytn
＝y
tn
*p
ytn
ꢀꢀꢀ
(4)
[0102]
步骤7：通过大车、小车加速度调整量δa
xtn
与δa
ytn
修正t
n+1
时刻的加速度：
[0103]axtn+1
＝a
xtn
+δa
xtn
ꢀꢀꢀ
(5)
[0104]aytn+1
＝a
ytn
+δa
ytn
ꢀꢀꢀ
(6)
[0105]
至此，完成了根据摇摆偏移量的天车加速度调整控制。
[0106]
优选地，如图3所示，为本发明实施例的摆动角度图形解析。步骤4中，通过摆角检测仪实测角度信息，计算吊具x轴偏移程度x
tn
和吊具y轴偏移程度y
tn
，包括：
[0107]
将小车水平面按xy轴分为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ四个象限，主钩钢丝绳长度为l，l在xz平面投影为l
xz
，l
xz
在xz平面与z轴的夹角为α1，l在yz平面上投影为l
yz
，l
yz
在yz平面与z轴的夹角为α2，夹角α1与α2即为摆角检测仪实测角度；
[0108]
首先计算tn时刻吊具x轴偏移程度x
tn
和吊具y轴偏移程度y
tn
：
[0109]
x
tn
＝l
xz
·
sinα1ꢀꢀꢀ
(7)
[0110]ytn
＝l
yz
·
sinα2ꢀꢀꢀ
(8)
[0111]
由空间中存在的几何关系：
[0112][0113][0114]
联立解得吊具x轴偏移程度x
tn
和吊具y轴偏移程度y
tn
分别与夹角α1、α2之间的关系式：
[0115][0116][0117]
由此，根据摆角检测仪实测角度α1、α2计算出吊具x轴偏移程度x
tn
、吊具y轴偏移程度y
tn
。
[0118]
优选地，如图4所示，为本发明实施例的天车防摇摆加速度模糊控制器。步骤5中，基于模糊控制方法，获得大车加速度调节增益系数p
xtn
，包括：
[0119]
步骤5.1：确定输入、输出变量的模糊子集
[0120]
包括吊具x轴偏离程度、大车加速度方向、吊具x轴偏离方向和大车加速度调节增益系数，模糊子集取值设定如下：
[0121]
吊具x轴偏离程度x
tn
在模糊运算中记为s，设定其模糊子集ms为：{大，中，小}；
[0122]
大车加速度方向在模糊运算中记为d，设定其模糊子集md为：{正，负}；
[0123]
吊具x轴偏离方向在模糊运算中记为w，设定其模糊子集mw为：{正，负}；
[0124]
大车加速度调节增益系数p
xtn
在模糊运算中记为q，设定其模糊子集mq为：{大大，中大，小大，大小，中小，小小}；
[0125]
步骤5.2：变量模糊化
[0126]
吊具x轴偏离程度s的基本物理论域为设定的最小值到最大值取值区间[sv
min
，sv
max
]，大车加速度方向d的基本物理论域为{-1，1}，吊具x轴偏离方向w的基本物理论域为{-1，1}，大车加速度调节增益系数q的基本物理论域为[qv
min
，qv
max
]；
[0127]
将基本物理论域转化为以离散自然数方式描述的模糊值域，实现变量模糊化；吊具x轴偏离程度s的模糊值域为{1,
…
,es}，吊具x轴偏离程度s的模糊值es的转化公式如下：
[0128][0129]
吊具x轴偏离程度s即为步骤4计算出的吊具x轴偏移程度x
tn
，模糊集最大值es取为3，即吊具偏离程度s的模糊值es∈{1,2,3}；
[0130]
大车加速度方向d的模糊值域为{-1,1}，大车加速度方向d的模糊值ed等于大车加速度方向取值：
[0131]
ed＝d
ꢀꢀꢀ
(14)
[0132]
即大车加速度方向d的模糊值ed∈{-1,1}；
[0133]
吊具x轴偏离方向w的模糊值域为{-1,1}，吊具x轴偏离方向w的模糊值ew等于吊具x轴偏离方向取值：
[0134]ew
＝w
ꢀꢀꢀ
(15)
[0135]
即吊具x轴偏离程度w的模糊值ew∈{-1,1}；
[0136]
大车加速度调节增益系数q的模糊值域为{0,1,
…
,eq}，大车加速度调节增益系数q的模糊值eq的转化公式如下：
[0137][0138]
模糊集最大值eq取为6，即大车加速度调节增益系数q的模糊值eq∈{0,1,2,3,4,5,6}；
[0139]
步骤5.3：设定模糊值域对模糊子集的隶属度
[0140]
针对各变量设定模糊值域对模糊子集的隶属度，吊具x轴偏离程度、大车加速度方向、吊具x轴偏离方向、大车加速度调节增益系数的隶属度分别定义为μs、μd、μw、μq，如表1～表4所示，表1～表4中的行表头分别代表吊具x轴偏离程度、大车加速度方向、吊具x轴偏离方向、大车加速度调节增益系数的模糊值，表1～表4中的列表头分别代表吊具x轴偏离程度、大车加速度方向、吊具x轴偏离方向、大车加速度调节增益系数的模糊子集取值，表1～表4中的元素分别为吊具x轴偏离程度、大车加速度方向、吊具x轴偏离方向、大车加速度调节增益系数的隶属度；
[0141]
表1 吊具x轴偏离程度模糊隶属度μs表
[0142][0143]
表2 大车加速度方向模糊隶属度μd表
[0144][0145]
表3 吊具x轴偏离方向模糊隶属度μw表
[0146][0147][0148]
表4 大车加速度调节增益系数模糊隶属度μq表
[0149][0150]
步骤5.4：建立大车加速度调节增益系数的模糊控制规则表，如表5所示；
[0151]
表5 大车加速度调节增益系数的模糊控制规则表
[0152][0153]
步骤5.5：建立模糊关系矩阵
[0154]
上述模糊控制规则表共12条规则，形成模糊关系矩阵r，其为每一条规则对应子矩阵ri的合成；子矩阵ri为对应子规则i中吊具x轴偏离程度的隶属度矩阵μ
si
、大车加速度方向的隶属度矩阵μ
di
、吊具x轴偏离方向的隶属度矩阵μ
wi
、大车加速度调节增益系数的隶属度矩阵μ
qi
四者之间的直积运算：
[0155]ri
＝μ
si
×
μ
di
×
μ
wi
×
μ
qi
，i＝1,2,
…
,12
ꢀꢀꢀ
(17)
[0156]
对子矩阵ri进行合并运算，得到模糊关系矩阵r，
[0157][0158]
即模糊关系矩阵r中任意位置元素，为所有12个子矩阵ri中相同位置元素的最大值；
[0159]
基于表1～表4设定的隶属度值，计算得到12
×
7维的模糊关系矩阵r如下：
[0160][0161]
步骤5.6：通过模糊关系矩阵r求解大车加速度调节增益系数q
[0162]
通过吊具x轴偏离程度，大车加速度方向，吊具x轴偏离方向，参照式(13)～式(16)，分别转化模糊值es、ed、ew，并分别按照表1～表3，转化为隶属度矩阵μ
s*
、μ
d*
、μ
w*
；
[0163]
在此基础上，计算出大车加速度调节增益系数的隶属度矩阵μq，如下式所示：
[0164][0165]
μq为一个1*7的行向量，在该行向量中的7个元素中比较获取到数值最大的元素所在列数lq，利用以下列数lq与模糊值eq的对应关系，求解eq；
[0166]eq
＝l
q-1
ꢀꢀꢀ
(21)
[0167]
最后，将模糊值eq通过式(16)计算得到大车加速度调节增益系数q，即大车加速度调节增益系数p
xtn
。
[0168]
最后通过式(22)利用模糊值eq计算得到大车加速度调节增益q，即p
xtn
：
[0169][0170]
优选地，步骤5中，采用与大车加速度调节增益系数p
xtn
相同的方式获得小车加速度调节增益系数p
ytn
。
[0171]
对大车加速度调节增益系数p
xtn
计算示例如下，不妨取s取值范围为[0，100]，单位为cm，实际检测偏离程度s＝50cm；天车加速度方向为负，记为d＝-1；吊具偏离方向为正，记为w＝1；加速度增益q取值范围为[0,10]，单位m/s2。
[0172]
根据式(13)，实际检测偏离程度s模糊化后得取值为：
[0173][0174]
据表1，当es＝2时，其最大隶属度对应模糊子集为“中”，其隶属度矩阵为：
[0175]
μ
s*
＝[0.2 1 0.3]
[0176]
同理，若d＝-1，w＝1，根据式(14)～式(15)，可得其模糊化后取值分别为：
[0177]
ed＝-1，ew＝1
[0178]
其隶属度矩阵分别为：
[0179]
μ
d*
＝[1 0]
[0180]
μ
w*
＝[0 1]
[0181]
据式(20)计算得到μq：
[0182][0183]
在该计算结果中选择最大隶属度所在列，当隶属度为0.6时，其所在列为5，即：
[0184]
lq＝5
[0185]
故：eq＝l
q-1＝4
[0186]
最后通过式(22)利用模糊值eq计算得到加速度调节增益q：
[0187][0188]
即大车加速度调节增益系数p
xtn
＝8.3。
[0189]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0190]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。