[发明专利]一种桥式集装箱起重机摆动最优控制系统

说明书

本发明公开了一种桥式集装箱起重机摆动最优控制系统，由牵引电机、集装箱位置传感器、模数转换器、数模转换器、现场总线网络、分散控制系统(DCS)、控制室显示、牵引电机控制器构成。控制室工程师指定集装箱需要到达的位置和装卸时间，DCS通过执行内部最优控制算法，输出使本次集装箱装卸摆动能量最小的控制策略，并转换为牵引电机的控制指令，通过现场总线网络发送给牵引电机控制器，电机控制器通过模数转换器输出控制量使牵引电机执行相应动作，同时，位置传感器实时采集集装箱的位置信息并回送给控制室，使工程师随时掌握装卸过程。本发明能够在集装箱装卸过程中使其摆动最小，进而提高港口集装箱装卸的安全性和效率。

技术领域

本发明涉及桥式起重机控制领域，主要是一种桥式集装箱起重机摆动最优控制系统。能自动控制桥式集装箱起重机的装卸，使集装箱在移动过程中摆动能量最小，以提高港口集装箱装卸的安全性和效率。

背景技术

集装箱的装卸对于港口运行至关重要。然而，随着装卸的高速化，集装箱到达指定位置时由于起重机的加减速和负载的提升动作以及风、摩擦引起的扰动等所产生的荷载残留摆动也随之增大，不仅降低了搬运精度、减缓了搬运的速度，也增加了事故发生的可能性。桥式边集装箱起重机作为港口集装箱船装卸的主要设备，其控制策略对于集装箱的安全高效装卸具有重要影响，所以根据具体参数和操作要求对桥式集装箱起重机进行自动最优摆动控制具有重要意义。

当前，国内桥式起重机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，装卸效率和安全性有待进一步提高。采用最优控制方法后的桥式起重机的控制品质和安全性可以得到保障，装卸效率可以进一步提高。

发明内容

为了提高港口集装箱装卸的效率，本发明提供了一种桥式集装箱起重机摆动最优控制系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种桥式集装箱起重机摆动最优控制系统，能自动控制桥式集装箱起重机的装卸，使集装箱在移动过程中摆动能量最小，以提港口高集装箱装卸的安全性和效率。由牵引电机、集装箱位置传感器、模数转换器、数模转换器、现场总线网络、分散控制系统(DCS)、控制室显示、牵引电机控制器构成。所述控制系统的运行过程包括：

步骤1)：控制室工程师指定集装箱需要到达的位置坐标、装卸过程时间限制以及牵引电机的性能参数约束；

步骤2)：DCS执行内部最优控制算法，获得使集装箱装卸过程摆动角最小的牵引电机速度控制策略；

步骤3)：DCS将得到的电机速度控制策略转换为牵引电机的控制指令，通过现场总线网络发送给牵引电机控制器前段的数模转换器，使牵引电机控制器根据收到的控制指令控制牵引电机执行相应动作；

步骤4)：集装箱位置传感器实时采集集装箱的位置信息，经过经过模数转换后用现场总线网络回送给DCS，并在主控室内显示，使工程师随时监控装卸过程。

所述的DCS，包括信息采集模块、初始化模块、微分代数方程组(Ordinarydifferential equations，简称ODE)快速求解模块、梯度求解模块、非线性规划问题求解模块、控制指令输出模块。其中信息采集模块包括集装箱位置采集、牵引电机性能约束采集、装卸时间设置采集三个子模块，非线性规划(Non-linear Programming，简称NLP)问题求解模块包括寻优方向求解、寻优步长求解、寻优校正、NLP收敛性判断四个子模块。

港口集装箱集起重机的装卸过程的模型可以描述为：

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(x(t),u(t),t)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。