专利名称：一种时间最优的抓斗运行方法
技术领域：
本发明涉及起重机控制技术领域，尤其涉及一种卸船机起升和小车复合运动的方法，有效地控制抓斗摆动，并使抓斗运行的时间最优。
背景技术：
抓斗式卸船机常见于散货码头，利用抓斗将煤炭、矿石、粮食等散货从船舱中搬运到地面的料斗中。抓斗通过钢丝绳与起升机构和小车机构相连，由垂直方向的起升运动和水平方向的小车运动带动运行。卸船作业是抓斗在船舱和料斗之间作周期性往复运动的过程。抓斗的一次往复运动称为一个作业循环，如图I所示，一个典型的作业循环包括以下步骤(I)抓斗在船舱中闭合，将货物抓取到抓斗中；(2)起升机构向上运行带动抓斗上升，小车后行带动抓斗向料斗方向运动；(3)当抓斗达到料斗上方时，抓斗打开，将货物卸到料斗中；(4)小车前行，起升下降，带动抓斗返回到船舱；(5)抓斗向下进入货物中，返回第一步。考核卸船机效率的重要指标是作业循环的时间，循环时间越短，作业效率越高。卸船机在执行抓取一卸料一返回的作业循环时，抓斗在起升运动和小车运动构成的平面内运行。当小车从静止或匀速运动状态开始加速或减速时，抓斗将产生往复摆动。通常情况下，抓斗的摆动可以近似为如图2所示的单摆模型。在小摆角的假设前提下，摆角Θ满足如下方程 & + 2 H + f — a = O(I)式中，I为摆长，a为小车的加速度，二者均是时间的函数，g为重力加速度。当绳长不变时，以下方程是一个常系数二阶线性微分方程。当小车加速度a恒定时，其解析解为
I = t-mmt - 4 sitter -』(1 - cmm)
_] |把-議-(2)其中Qtl为初始摆角，4为初始摆动速度，《 为摆动频率，A = a/g为摆角幅值。当小车从抓斗无摆动状态开始加、减速时，A = Gjtl = G,抓斗摆动的角度和速度为
\θ{ ) = ^4(1-cos )= -ωΑ ηω ( 3 )抓斗产生周期T = 2 π /ω的周期性摆动，摆动的幅值与加速度成正比。卸船机作业时小车通常以给定的加速度a开始加速/减速到给定速度V运行。熟练的司机会采用一种跟车的方式来完成小车的加减速，这种跟车是通过分段加减速实现的。根据式(3)可以推出一种分段加速/减速的方法。在初始时刻小车以加速度a加速/ 减速到v/2，然后匀速运行，半个周期后再加速/减速到目标速度V。由(3)式可以得知，当加速/减速完成后，摆动角度和摆动速度均为零。当摆长不变时，上述方法可以有效地消除抓斗的摆动，但在一个作业循环中摆长是连续变化的。此时，方程(I)无法得到解析解，很难获得加速度分段的准确切换时间。为了绕开绳长变化的影响，最直接的方法是把小车和起升运动分离开。当抓斗向料斗运动时， 起升先上升到运行高度Ie后，再控制小车按照分段加/减速的方法向料斗运动。当抓斗返回船舱时，小车先按分段加/减速的方法运动到船舱上方，然后起升再下降使抓斗进入舱内。这样摆动控制虽然简化了，但是抓斗的路径为直角折线，不是最优的路径，循环时间不是最短的，效率受到影响。专利号200320116282的实用新型提出了一种卸船机智能控制电子防摇设备，通过模糊控制的方法改变小车变频器参数的设置，使之达到防摇要求的值。该设备包含一个摆角传感器用于采集抓斗的摆角大小和摆动频率，在实际应用中安装、调试以及后续的维护工作比较复杂。此外通过修改小车变频器的参数实现防摇，不能充分利用小车的最大能力，不能保证循环的时间是最短的。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本发明实施例提出了一种时间最优的卸船机抓斗运行方法，使得抓斗路径是起升运动和小车运动的复合，并且循环时间是最短的。为了实现上述发明目的，本发明实施例提出了一种时间最优的抓斗运行方法，所述方法包括所述抓斗的运行路径是起升运动和小车运动复合而成的抛物线，其中，所述起升运动按照梯形速度曲线运行，上升和下降运动均以最大的加速度加速到全速运行，接近目标位置时以最大的加速度减速停止，从而使抓斗在最早的时间到达高位运行，在最晚的时间离开高位下降；所述小车运动在加速阶段采用两步加速法，在减速阶段采用两步减速法，在接近料斗阶段采用两步减速法或甩斗减速法，在离开料斗阶段采用两步加速法或甩斗加速法；所述起升运动和小车运动按照以下的时序配合起升运动加速到全速，小车从B 点开始运动，抓斗开始沿抛物线路径运动，并当返回船舱时，抓斗沿抛物线路径运动到H 点，小车运动停止，起升从H点开始减速到I点停止。进一步优选地，所述起升运动按照梯形速度曲线运行，上升和下降运动均以最大的加速度加速到全速运行，接近目标位置时以最大的加速度减速停止，具体包括设起升运动速度曲线分为0 th3为上升段,th3 th4为高位运行段,th4 th7为下降段，并设起升上升阶段最大速度为vu，加速度为ahl，减速加速度为Bh2，下降阶段最大速度为vd，加速度为ah3，减速加速度为ah4 ；上升段加速度切换的时间为
权利要求
1.一种时间最优的抓斗运行方法，其特征在于，所述方法包括所述抓斗的运行路径是起升运动和小车运动复合而成的抛物线，其中，所述起升运动按照梯形速度曲线运行，上升和下降运动均以最大的加速度加速到全速运行，接近目标位置时以最大的加速度减速停止，从而使抓斗在最早的时间到达高位运行，在最晚的时间离开高位下降；所述小车运动在加速阶段采用两步加速法，在减速阶段采用两步减速法，在接近料斗阶段采用两步减速法或甩斗减速法，在离开料斗阶段采用两步加速法或甩斗加速法；所述起升运动和小车运动按照以下的时序配合起升运动加速到全速，小车从B点开始运动，抓斗开始沿抛物线路径运动，并当返回船舱时，抓斗沿抛物线路径运动到H点，小车运动停止，起升从H点开始减速到I点停止。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述起升运动按照梯形速度曲线运行，上升和下降运动均以最大的加速度加速到全速运行，接近目标位置时以最大的加速度减速停止具体包括设起升运动速度曲线分为0 th3为上升段，th3 th4为高位运行段，th4 th7为下降段，并设起升上升阶段最大速度为vu，加速度为ahl，减速加速度为Bh2，下降阶段最大速度为 vd,加速度为ah3，减速加速度为ah4 ；上升段加速度切换的时间为
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述小车运动在加速阶段采用两步加速法， 具体包括设小车从船舱到料斗的总行程为Stl，从料斗返回到船舱的总行程为Sy小车最大速度为Vm，在船舱上方加速的加速度为B1，减速的加速度为a2，在料斗上方加减速的加速度为a3， 并设运动曲线包括以下三部分^ t4时刻从船舱到料斗的运动、t4 t5时刻在料斗上方的停留以及t5 t8时刻从料斗返回船舱的运动；小车以加速度S1加速运行到t21时刻，然后停止加速匀速运行，在t22时刻继续以加速度％加速到t2停止；所述的加速度切换时间t21、t22和12采用约束优化方法求解，所采用的性能指标基于最短运行时间和最小抓斗摆动。所得到的t21、t22和t2的最优解使得小车达到目标速度V1, 并且抓斗与小车没有相对摆动；所规划的目标速度V1是使得小车经过匀速运动和减速运动后，能够准确到达料斗上方目标位置，并且满足小车速度的限值。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述小车运动在减速阶段采用两步减速法， 具体包括设小车从船舱到料斗的总行程为Stl，从料斗返回到船舱的总行程为Sy小车最大速度为vm，在船舱上方加速的加速度为B1，减速的加速度为a2，在料斗上方加减速的加速度为a3， 并设运动曲线包括以下三部分^ t4时刻从船舱到料斗的运动、t4 t5时刻在料斗上方的停留以及t5 t8时刻从料斗返回船舱的运动；小车以加速度a2从t7时刻开始减速运行，到t71时刻停止减速匀速运行，在t72时刻继续以加速度a2减速到t8停止；所述的加速度切换时间t71、t72和t8采用约束优化方法求解，所采用的性能指标基于最短运行时间和最小抓斗摆动。所得到的t71、t72和t8的最优解使得小车从速度V2经过减速-匀速-减速后准确地停止在船舱上方的目标位置H，并且抓斗与小车没有相对摆动。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述小车运动在接近料斗阶段采用两步减速法，具体包括设小车从船舱到料斗的总行程为Stl，从料斗返回到船舱的总行程为Sy小车最大速度为vm，在船舱上方加速的加速度为B1，减速的加速度为a2，在料斗上方加减速的加速度为a3， 并设运动曲线包括以下三部分^ t4时刻从船舱到料斗的运动、t4 t5时刻在料斗上方的停留以及t5 t8时刻从料斗返回船舱的运动；小车以加速度a3从t3时刻开始减速运行，到t41时刻停止减速匀速运行，在t42时刻继续以加速度a3减速到t4停止；t41、t42和t4的选择使得抓斗和小车停止在目标位置E，并且抓斗与小车没有相对摆动。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述小车运动在接近料斗阶段采用甩斗减速法，具体包括设小车从船舱到料斗的总行程为Stl，从料斗返回到船舱的总行程为Sy小车最大速度为vm，在船舱上方加速的加速度为B1，减速的加速度为a2，在料斗上方加减速的加速度为a3， 并设运动曲线包括以下三部分^ t4时刻从船舱到料斗的运动、t4 t5时刻在料斗上方的停留以及t5 t8时刻从料斗返回船舱的运动；从t3开始以加速度a3/2减速到t41时刻，接着以a3的加速度快速减速到t4停止；当小车以加速度a3/2减速时，抓斗相对小车向前摆动，t41的选择使得抓斗的摆角在t41 时刻达到最大，此时以a3的加速度减速，抓斗保持摆角不变。
7.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述小车运动在离开料斗阶段采用两步加速法，具体包括设小车从船舱到料斗的总行程为Stl，从料斗返回到船舱的总行程为Sy小车最大速度为vm，在船舱上方加速的加速度为B1，减速的加速度为a2，在料斗上方加减速的加速度为a3， 并设运动曲线包括以下三部分^ t4时刻从船舱到料斗的运动、t4 t5时刻在料斗上方的停留以及t5 t8时刻从料斗返回船舱的运动；小车以加速度a3从t5时刻开始加速运行，到t51时刻停止加速匀速运行，在t52时刻继续以加速度a3加速运行到t6，t51、t52和t6的选择使得小车达到目标速度v2，并且抓斗与小车没有相对摆动；目标速度V2的选择使得小车经过匀速运动和减速运动后，能准确地到达船舱上方的目标位置。
8.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述小车运动在离开料斗阶段采用甩斗加速法，具体包括设小车从船舱到料斗的总行程为Stl，从料斗返回到船舱的总行程为Sy小车最大速度为Vm，在船舱上方加速的加速度为B1，减速的加速度为a2，在料斗上方加减速的加速度为a3， 并设运动曲线包括以下三部分^ t4时刻从船舱到料斗的运动、t4 t5时刻在料斗上方的停留以及t5 t8时刻从料斗返回船舱的运动；小车按所述的甩斗加速方法加速时，以加速度a3从t5时刻开始加速运行，到t51时刻接着以a3/2的加速度加速运行，到t6时刻停止加速；当小车以加速度a3加速时，抓斗保持摆角跟随小车离开料斗，当小车以a3/2的加速度加速时，抓斗从落后小车的位置向前摆动，到t6时刻抓斗中心与小车中心在同一铅垂线上， 抓斗相对小车没有摆动；t51和t6的选择使得抓斗从甩斗状态恢复到没有摆动的状态并且与小车同步达到目标速度V2;目标速度V2的选择使得小车经过匀速运动和减速运动后，能准确地到达船舱上方的目标位置。
全文摘要
本发明实施例公开了一种时间最优的抓斗运行方法，包括抓斗的运行路径是起升运动和小车运动复合而成的抛物线，起升运动按照梯形速度曲线运行，上升和下降运动均以最大的加速度加速到全速运行，接近目标位置时以最大的加速度减速停止，使抓斗在最早的时间到达高位运行，在最晚的时间离开高位下降；小车运动在加速阶段采用两步加速法，在减速阶段采用两步减速法，在接近料斗阶段采用两步减速法或甩斗减速法，在离开料斗阶段采用两步加速法或甩斗加速法；其中，起升运动加速到全速，小车从B点开始运动，抓斗开始沿抛物线路径运动，并当返回船舱时，抓斗沿抛物线路径运动到H点，小车运动停止，起升从H点开始减速到I点停止。
文档编号B66C13/04GK102583155SQ20121006269
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者孙斌, 顾晓 申请人:上海港吉电气有限公司