本发明涉及一种运动控制方法，尤其是一种起重机大车和小车运动控制方法，具体地说是一种起重机周期防摇摆控制方法。
背景技术：
起重机的广泛应用于工厂生产和现代物流领域，自动化、智能化和高效化是现代起重机控制的重要发展方向。
传统的起重机在大小车运行过程中负载会不断地摇摆，严重影响了起重机货物吊运的安全性和工作效率；此时负载的摇摆控制完全依赖于操作工人的经验，影响因素众多，往往实际效果很差或效率很低。
随着现代物流的发展，起重机防摇摆控制的研究与技术正在得到越来越广泛的重视。目前市场上的起重机防摇摆技术主要包括机械式防摇和电子式防摇。机械式防摇基于传统起重机，通过加装机械装置抵消负载偏摆的能量或者增加绳索刚性抑制负载偏摆来实现负载的防摇摆，属于传统起重机的改进型。机械式防摇实现简单，可操作性强，但是需增加复杂的机械设备或者液压装置，增加了起重机整体重量。电子式防摇摆基于先进的控制算法，利用强大的运算处理器进行控制，通过信号采集设备采集绳长、负载偏摆角度等信息传给控制器做反馈修正。目前电子防摇多数是闭环控制，需要增加高精度的负载偏摆角度采集传感装置，成本较高，影响其推广应用。
同时，起重机防摇摆控制系统的相关研究大多仍停留在理论，且多集中于现代控制方法上，如模糊控制、鲁棒控制、自适应控制、神经网络控制等非线性控制方法，与实际应用结合较少，与工程实际应用有较大距离。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有的起重机电子或机械式防摇摆控制系统复杂，成本高的问题，发明一种通过速度规划实现防摇摆的控制方法，它具有控制简单易行，成本低的优点。
本发明的技术方案之一是：
一种起重机周期防摇摆控制方法，其特征在于，将起重机吊运过程分为恒加速过程、匀速过程、恒减速过程，在匀速过程和停止时负载摆角为零；
在恒加速过程，小车以加速度a作为输入，加速时长为一个或多个个周期nt，t为摆动周期，n为自然数，加速度a＝garctan(θmax/2)，满足最大允许摆角θmax的约束条件；在匀速过程，小车以v匀＝nat匀速吊运，时间t匀＝(x总-x加-x减)/v匀；恒减速过程是恒加速过程的逆过程，即小车以加速度-a作为输入，持续时长与加速度时长相同。
本发明的技术方案之二是：
一种起重机周期防摇摆控制方法，其特征在于，将起重机吊运过程分为加速过程、匀速过程、减速过程，在匀速过程和停止时负载摆角为零，并可根据限定最大允许摆角值、期望匀速速度值规划具体控制过程；
加速过程可分为t1、t2、t3三个阶段：其中t1阶段和t3阶段小车输入对称，加速度和持续时间相同，即a1＝a3，t1＝t3＝t/2，t2阶段加速度a2＝2a1/(1-a12/g2)，持续时长根据期望匀速速度v匀调整，具体为t2＝(v匀-a1t1-a3t3)/a2；
减速过程为加速过程的逆过程。
匀速过程持续时间根据行程调整，具体为t匀＝(x总-x加-x减)/v匀。
所述小车沿x方向水平移动，所述大车沿y方向水平移动，所述大车的加速度控制方法与小车相同；大小车同时运动时，以合成速度进行升降速控制。
本发明的涉及理论知识如下：
不失一般性，以二维起重机系统为例，对应的二维运动示意图如图1所示。在绳长固定、恒加速度输入条件下的负载摆动是一种等效的单摆运动。
以摆角θ作为广义自由度对系统进行拉格朗日动力学分析，可得出如下方程式：
cosθa+2l'θ'+lθ”+gsinθ＝0(1)
当绳长不变，进一步可简化：
对比单摆方程lθ”+gsinθ＝0可得出这种摆动是一种等效的单摆运动，其simulink仿真示意图如图2所示。其中l为绳长，a为小车加速度，θ摆角；β为等效单摆中心，有以下对应关系tanβ＝-a/g。以负载摆角为零且角速度也为零作为零初始条件，负载的摆动周期可精确求得：
为此，本发明针对现有防摇摆控制方法的不足，进一步分析起重机吊运过程的运动学特征，在此基础上提出开环的、基于摆动周期的起重机防摇摆控制方案以及具有实际应用价值的改进方案。两种方案理论上皆能保证系统在匀速吊运和停止时负载摆角为零，且方案二在给定限定最大摆角、期望匀速速度、总行程长度等条件时易于规划出满足所有期望条件的具体加减速过程，并得到仿真验证，如图5所示。
本发明的有益效果：
本发明从运动学控制入手，能从理论上做到负载在匀速行驶和停止时摆角为零，无须摆角传感器，易于工程实现、成本低。并且当给出摆角、期望匀速速度、行程等限定条件时，易于规划出满足所有期望条件的具体加减速过程。配以简单的计算机速度控制即可实现防摇摆控制。
附图说明
图1是二维起重机运动示意图。
图2是在零初始条件下，当绳长固定、加速度输入恒定时，负载摆角仿真示意图。
图3是经一个周期加减速后系统输入和摆角示意图。
图4是经两个周期加减速后系统输入和摆角示意图。
图5是技术方案2的系统输入和摆角示意图。
图2-图5中，横坐标为时间，单位为秒；纵坐标上，摆角单位取度，加速度单位取m/s2,速度单位取m/s。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1、3、4所示。
一种起重机周期防摇摆控制方法，其关键是将起重机吊运过程分为恒加速过程、匀速过程、恒减速过程，在匀速过程和停止时负载摆角为零；在恒加速过程，小车以加速度a作为输入，加速时长为一个或整数个周期nt，t为摆动周期，n为自然数，加速度a＝garctan(θmax/2)，满足最大允许摆角θmax的约束条件；在匀速过程，小车以v匀＝nat匀速吊运；恒减速过程是恒加速过程的逆过程，即小车以加速度-a作为输入，持续时长与加速度时长相同，如图1所示。
以小车运动为例。参照图3、图4，在零初始条件时给小车一个恒定加速度a输入,此过程作为起重机恒加速过程，其中加速度a＝garctan(θmax/2)满足最大允许摆角θmax的约束条件；然后在一个周期或多个周期结束时撤去加速度，使小车作匀速无摆动运动；最后的恒减速过程为恒加速过程的逆过程：即减速时施加一个反向等值的加速度，在一个周期或多个周期结束时撤去加速度输入，使负载到达终点无摆动。
事实上，在加速整数个周期结束撤去加速度的时刻，负载摆角和角速度皆为零，摆角和摆角速度不会突变，由此保证了在匀速阶段负载摆角始终保持为零。减速过程为加速过程的逆过程，在减速整数个周期后撤去加速度输入，由于在加减速过程小车速度变化存在对称性，所以在到达终点即小车速度变为零时负载无角度摆动。因此，上述运动学控制策略，从理论上可以保证小车在匀速运动以及停止时负载无摆角。
实施例二。
如图1、5所示。
一种起重机周期防摇摆控制方法，其关键是将起重机吊运过程分为加速过程、匀速过程、减速过程，在匀速过程和停止时负载摆角为零，并可根据限定最大允许摆角值、期望匀速速度值规划具体控制过程；加速过程可分为t1、t2、t3三个阶段：其中t1阶段和t3阶段小车输入对称，加速度和持续时间相同，即a1＝a3，t1＝t3＝t/2，t为摆动周期；加速度a1＝garctan(θmax/2)，满足最大允许摆角θmax的约束条件；t2阶段加速度a2＝garctanθmax，此时有a2＝2a1/(1-a12/g2)，持续时长根据期望匀速速度调整；减速过程为加速过程的逆过程，如图1所示。
参照图5，全吊运过程仍然包含加速、匀速、减速三个过程。但将加速过程分为三个阶段：第一阶段在零初始条件下，根据最大允许摆角θmax给出系统的加速度a1＝garctan(θmax/2)，加速半个周期后，在摆角处于最大值时将加速度改为a2，保持时间由期望的中间匀速阶段速度决定；然后将加速度变回a1，持续半个周期后结束加速过程，此为加速过程第三个阶段。此后进入无摆角的匀速运动过程，最后的减速过程是加速过程的逆过程。
事实上，在加速过程的第一阶段结束时，摆角达到最大值，摆角速度为零。摆角和摆角速度不会发生突变，但等效单摆中心可随着加速度的突变而突变。若在此瞬间找到一个具体的加速度a2，使得等效单摆中心恰好变为最大摆角所处位置，就能保证在加速度a2下负载不发生来回摆动，以此作为加速过程的第二阶段。设转换点摆角为θ，即为第二阶段的等效单摆中心，故
设加速过程三个阶段的时长分别为t1、t2、t3，对应的加速度分别为a1、a2、a3，第三阶段t3＝t1，a3＝a1，行驶距离为x加；中间匀速过程速度为v匀，持续时间为t匀，行驶距离为x匀；减速过程为加速过程的逆过程，所以x减＝x加。当给定总的行驶距离x总，限定最大摆角θ以及期望的匀速过程速度时，可以对整个运动过程给出运动规划，具体步骤如表1所示。
表1
减速过程为加速过程的逆过程，即加速度大小和和各阶段持续时间与加速过程相同，方向相反。
实施例一、二中假定具体限定条件为v匀＝1.2m/s、摆角最大值θ＝4度、行程x＝4m时，规划的全过程参数如表2所示。
表2
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。