[发明专利]一种海上起重机时间最优轨迹控制方法及系统

说明书

本公开公开的一种海上起重机时间最优轨迹控制方法及系统，解决海上起重机系统自动控制问题，具有良好的负载定位与负载摆动消除性能，首先对系统运动学模型进行变换，以便接下来的分析，之后通过分析运动学模型发现系统符合微分平坦特性，负载在大地坐标系下的坐标即为平坦输出，处理了状态变量之间复杂的耦合关系，随后，将海上起重机系统轨迹规划问题转化为平坦输出规划问题，然后，考虑了包括桅杆运动速度和加速度约束、吊绳运动的速度和加速度约束以及负载摆角和角速度约束在内的一系列物理约束，进一步构建了时间最优问题，接着利用基于二分法的方法，获得最优运输时间以及相应的最优参考轨迹。仿真结果表明，能够取得良好的控制效果。

技术领域

本发明涉及技术领域，尤其涉及一种海上起重机时间最优轨迹控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

海运作为一种非常重要的运输方式，海上起重机的应用越来越广泛。海上起重机广泛应用于港口，在港口装卸中起着至关重要的作用。与最广泛使用的桥式起重机不同，海上起重机具有与陆地固定式桅杆起重机相似的结构，其利用桅杆运动和吊绳升降运动来完成运输负载的目的，且海上起重机比桥式起重机具有更好的灵活性和广泛性，能够保证在有限的占地面积下拥有足够的工作空间，大大地提高了海上起重机的工作效率，然而，海上起重机系统状态变量之间的强耦合大大增加了海上起重机的控制难度。除此之外，海上起重机安装在船舶上，容易受到船舶运动的影响，且海上起重机系统的控制输入比待控自由度少，是一个欠驱动系统。一般来说，欠驱动系统的灵活性优于全驱动系统，其控制难度也高于全驱动系统。基于此，海上起重机通常采用人工操作，这就意味着海上起重机系统存在定位精度差、工作效率低、事故发生率高等缺点。为了避免这些问题，为海上起重机系统设计合适的控制方法非常重要。

目前，海上起重机的研究相对于陆地起重机的研究而言，还处于初级阶段。起重机系统的控制方式与机电系统的控制方式类似，以研究最广泛的桥式起重机系统为例，世界各地的学者已经提出了许多控制方法，包括比例-积分-微分(proportional integralderivative,PID)控制、同步控制、振动控制、鲁棒控制、基于能量的控制、智能控制、最优控制、轨迹规划和输入整形等。与陆地起重机不同，海上起重机是安装在船上的，其工作场景是一个典型的非惯性系统，会受到船舶运动引起的扰动的影响。因此，陆地起重机的控制方法不能简单地直接用于控制海上起重机系统。

但发明人发现，现有的针对海上起重机的有效控制策略只有很少的一部分，且现有方法并未考虑海上起重机的时间最优运输问题。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种海上起重机时间最优轨迹控制方法及系统，获取了最优运输时间时的最优时间参考轨迹，并根据最优时间参考轨迹对海上起重机进行控制，实现了对负载的快速准确运输，提高了海上运输的效率。

为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

第一方面，提出了一种海上起重机时间最优轨迹控制方法，包括：

采集系统状态变量；

将采集的系统状态变量输入平坦输出表示的变换后系统状态变量方程中，获取变换后系统状态变量；

将采集的系统状态变量输入时间最优问题模型中，获取最优运输时间，其中，时间最优问题模型以运输时间最短为目标，以系统状态变量小于等于允许值为约束；

根据最优运输时间和系统状态变量确定最优时间参考轨迹；

根据变换后系统状态变量和最优时间参考轨迹，获取桅杆俯仰驱动力矩和负载升降驱动力；

通过桅杆俯仰驱动力矩和负载升降驱动力对起重机进行控制。

第二方面，提出了一种海上起重机时间最优轨迹控制系统，包括：