[发明专利]一种网格精细化的岸边集装箱起重机最优控制系统

说明书

本发明公开了一种网格精细化的岸边集装箱起重机最优控制系统，由执行电机、位置传感器、现场总线网络、DCS、控制室显示、电机控制器构成。控制室工程师指定集装箱的起止位置，DCS通过网格精细化方法得出使装卸过程性能指标最优的速度控制策略，并转换为电机的控制指令，通过现场总线网络发送给电机控制器，使执行电机执行相应动作，位置传感器实时采集集装箱的位置信息并回送给DCS，使控制室工程师随时掌握装卸过程。本发明能够最优化装卸过程性能指标，提高集装箱的装卸效率。

技术领域

本发明涉及起重机控制领域，主要是一种网格精细化的岸边集装箱起重机最优控制系统。能够对集装箱的移动速度进行自动控制，以最优化装卸过程的性能指标，从而提高港口的吞吐能力。

背景技术

岸边集装箱起重机(简称岸桥)是集装箱船与码头前沿之间装卸集装箱的主要设备。岸桥的装卸能力和速度直接决定码头作业生产率。随着集装箱运输船舶大型化、特别是超巴拿马船型的发展，对岸桥生产率的要求也越来越高。

对于技术参数确定的岸桥，影响其生产率的关键因素是集装箱装卸速度的控制策略。由于不同港口不同岸桥的技术参数及操作要求不同，所以按具体参数和操作要求对岸边集装箱起重机进行自动的速度控制具有重要意义。

当前，国内岸桥的控制方法中很少采用最优控制理论及对应方法，控制器中的参数往往凭已有经验设定，生产率和安全性有待进一步提高。采用最优控制方法后的岸桥的安全性可以得到保障，生产率可以进一步提高。

发明内容

为了提高岸桥的生产率，本发明提供了一种网格精细化的岸边集装箱起重机最优控制系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种网格精细化的岸边集装箱起重机最优控制系统，能够对集装箱的移动速度进行自动控制，以最优化装卸过程的性能指标。由执行电机、位置传感器、现场总线网络、DCS、控制室显示、电机控制器构成。所述系统的运行过程包括：

步骤A1：控制室工程师指定集装箱的起止位置、装卸过程的性能指标及速度控制约束；

步骤A2：DCS执行内部的网格精细化方法，获得使装卸过程性能指标最优的速度控制策略；

步骤A3：DCS将计算获得的速度控制策略转换为电机的控制指令，通过现场总线网络发送给电机控制器，使执行电机根据收到的控制指令执行相应动作；

步骤A4：位置传感器实时采集集装箱的位置信息，经过现场总线网络回送给DCS，并在主控室内显示，使控制室工程师随时掌握装卸过程。

所述的DCS，包括信息采集模块、初始化模块、网格精细化模块、ODE求解模块、梯度计算模块、非线性规划(Non-linear Programming，简称NLP)问题求解模块、精细化收敛性判断模块、控制指令输出模块。其中信息采集模块包括集装箱起止位置采集、性能指标采集、速度控制约束采集三个子模块，NLP问题求解模块包括寻优方向计算、寻优步长计算、NLP收敛性判断三个子模块。

岸桥的作业过程可以描述为：

其中，t表示时间，u(t)表示由各方向速度分量组成的速度向量；x(t)表示装卸过程的状态信息；F(·)是根据起重机的物理学原理建立的微分方程组。从该描述可以看出，集装箱的装卸过程可以用数学上的一组微分方程组来表示。

要使集装箱装卸过程的性能指标最优，则该问题的最终表达式为：

其中，t₀表示装卸过程的起始时间，t_f表示装卸过程的终止时间，J表示需要最小化的目标函数。该问题本质上是最优控制问题。但是，传统方法对于这类问题的求解，具有效率低、精度差的缺陷，难以满足实际操作时高效率的要求。