CN111348550B - 无人行车防摇摆控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及行车控制技术领域，公开一种无人行车防摇摆控制方法，行车PLC内置防摇摆控制程序模块，吊重自由单摆周期为T，行车在时间[0，T]启动加速至速度达V过程中分第一加速阶段和第二加速阶段，第一加速阶段行车在时间[0，T/2]从速度0加速到V/2，第二加速阶段行车在时间[T/2，T]从速度V/2加速到V；行车在时间[0，T]减速停车过程中分第一减速阶段和第二减速阶段，第一减速阶段行车在时间[0，T]从速度V减速到V/2，第二减速阶段行车在时间[T/2，T]内从速度V/2减速到0；防摇摆控制程序模块实时计算行车控制速度并由变频器反馈给驱动电机，驱动电机按照控制速度即时控制行车行走。无需专门设置防摇摆系统即可实现行车在目标位置控制吊重摇摆角度≤±0.6度。

Description

无人行车防摇摆控制方法
技术领域
本发明涉及行车控制技术领域，具体地，涉及一种无人行车防摇摆控制方法。
背景技术
目前在人工操作行车用吊具比如抓斗吊或者电磁吊搬运物料过程中，吊重会出现摇摆的现象。所以在行车作业的时候，行车司机靠操作经验来减少摆幅。但是即使行车司机经过培训和不断练习掌握了技能，在现场操作行车时，司机仍会因精神紧张而导致吊重摇摆明显，工作效率降低，并存在一定的安全隐患。
无人驾驶的行车通过PLC控制车体运行和完成搬运作业，虽然节省了人工，但是如果没有设置专门的、针对电机与传动系特性的防摇摆系统，无人行车的吊重到达目标位置时或者在搬运过程中，依然会发生大幅度摇摆，吊具对物料的抓取和卸载作业无法安全、有效地进行；如果PLC采用缓慢的调速的方法，理论上可以减小摆幅，但是摇摆抑制效果不理想，工作效率低。
发明内容
本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种利用行车自身PLC采用无级调速的方法实现行车平稳可靠运行的无人行车防摇摆控制方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种无人行车防摇摆控制方法，行车PLC内置防摇摆控制程序模块，行车吊重自由单摆周期为T，行车在时间[0，T]内启动加速至速度达到V的过程中分为第一加速阶段和第二加速阶段，第一加速阶段行车在时间[0，T/2]内从速度0加速到V/2，第二加速阶段行车在时间[T/2，T]内从速度V/2加速到V；行车在时间[0，T]内减速停车过程中分为第一减速阶段和第二减速阶段，第一减速阶段行车在时间[0，T]内从速度V减速到V/2，第二减速阶段行车在时间[T/2，T]内从速度V/2减速到0；防摇摆控制程序模块实时计算行车的控制速度并将其输送给变频器来控制驱动电机，驱动电机按照计算出的控制速度实时驱动行车行走。
进一步地，第一加速阶段的加速度a1(t)满足
Figure BDA0002390285830000011
第二加速阶段的加速度a2(t)满足
Figure BDA0002390285830000012
在时间[0，T/2]内，当行车速度达到V/2时，保持速度为V/2，直到时间到达T/2；在时间[T/2，T]内，当行车速度达到V时，结束加速过程，保持速度为V，进行匀速行驶。
第一减速阶段的加速度a3(t)满足
Figure BDA0002390285830000021
第二减速阶段的加速度a4(t)满足
Figure BDA0002390285830000022
在时间[0，T/2]内，当行车速度减速到V/2时，保持速度为V/2，直到时间到达T/2；
更进一步地，
Figure BDA0002390285830000023
再进一步地，a1(t)＝-a3(t)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)无需设置专门的防摇摆系统，利用无人行车自身的PLC，由防摇摆控制程序模块进行即时运算，在行车启动、加速、减速和停止等过程中采用无级调速的方法，克服无人行车到达目标位置或者走行过程中存在的吊重大幅度摇摆的问题，实现无人行车在目标位置控制吊重摇摆角度≤±0.6度。
(2)本发明在同等摆动角度情况下控制行车及吊重的摆动时间为1个吊重的单摆周期，而现有技术普遍大于2个吊重单摆周期。
附图说明
图1为采用实施例1所述无人行车防摇摆控制方法进行物料搬运的工程实践效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
提供一种无人行车防摇摆控制方法，行车PLC内置防摇摆控制程序模块，行车吊重自由单摆周期为T，当无人行车执行搬运任务时，在启动加速过程中，防摇摆控制程序模块根据加速时间、初始速度和预到达速度，将行车加速过程分为两个阶段，并实时计算行车的速度数值；当无人行车移动接近目标位置时，在减速停车过程中，防摇摆控制程序模块根据减速时间、行车实时速度和预到达速度，将行车减速分为两个阶段，实时计算行车的速度数值。在每个阶段，防摇摆控制程序模块将运算后具体的速度数值发送给变频器，变频器根据输入的数据控制电机运转速度，最终由实时变换的加速和减速来控制和抑制摇摆，使吊重到达目标位置的摇摆角度接近为零。
结合防摇摆理论分析，对本发明做进一步说明，绳索式行车的吊重在行车加速或减速时，即在加速度变化的过程中产生摇摆，在吊重发生摆动过程中，将行车的运动速度进行相应的改变，控制和抑制吊重的摆动时间和幅度，使得行车到达预设速度时或者到达目标位置时，吊重处于小车卷筒正下方、吊具绳索处于竖直位置、并且吊重相对于小车的水平相对速度接近为零或等于零，此时的吊重摆动最小。
已知吊重自由单摆周期为T，T由PLC根据吊具长度进行计算，
Figure BDA0002390285830000031
其中L为等效的摆线长度，g为重力加速度。将行车从初始静止状态提速到预设速度V的过程分为两个加速阶段，每个阶段时长为半个单摆周期，即T/2，具体过程如下所示：
1)第一加速阶段[0，T/2]：加速度为a1(t)，行车从初始速度0提速达到预设速度V的1/2，即V/2，控制参数为
Figure BDA0002390285830000032
其中加速度a1(t)应满足
Figure BDA0002390285830000033
大于号表示当行车速度达到V/2，保持V/2不变，直到时间达到T。
由于吊具和小车是柔性绳索连接，吊重的水平速度小于行车移动速度，吊重的水平位移也小于行车位移，吊重相对于行车发生向后的摆动，向后摆角增大。因为绳索斜向拉力对吊重产生向前的加速度，吊重持续加速向前移动。
2)在时间[0，T/2]内行车速度达到V/2，同时吊重的水平速度也达到V/2。此时吊重相对于行车的相对水平速度为零，向后摆角达到最大。
具体地，在时间[0，T/2]过程中，吊重相对行车做向后摆的单摆运行，吊重的水平加速度为a0(t)＝gtanθ，θ为吊具与垂直方向的夹角。当吊重摆动到最高点时，吊重水平速度与行车水平速度相等。
3)第二加速阶段[T/2，T]：加速度为n2(t)，行车从速度V/2提速达到预设速度V，控制参数为
Figure BDA0002390285830000034
由于绳索持续对吊重加速，吊重水平速度大于行车移动速度，吊重相对于行车从最大摆角处发生向前摆动，向后摆角减小。
4)在时间[T/2～T]内行车速度达到预设速度V，同时吊重的水平速度也达到预设速度V，此时吊重相对于行车的相对水平速度接近为零或等于零，吊重到达小车卷筒正下方，绳索到达竖直位置，摆角达到最小，即接近零或等于零。
在时间[T/2，T]过程中，吊重从最高点向低点回落，其水平加速度仍为a0(t)，从最高点回至垂直位置的时间仍为T/2，在水平位置的水平加速度为0，两个过程中的加速度变化关于T/2对称，因此吊重的水平速度增量相等，均为V/2。若行车在吊重回至垂直位置时的速度为V，则可使吊重与行车在该位置处于相对静止，不会产生摆动，即吊重停止在行车的正下方。
考虑到便于控制参数的计算简便性，本实施例中加速度函数为一次函数
Figure BDA0002390285830000041
行车速度在
Figure BDA0002390285830000042
时刻达到V/2。行车在
Figure BDA0002390285830000043
Figure BDA0002390285830000044
时刻达到速度V。此后一直保持速度为V的匀速运动，在吊重到达最低点时速度为V，此后吊重与行车保持相同的速度V向前行驶，吊重正好位于行车的最下方，使吊重无摆动幅度。上述a1(t)公式中数值1.1为考虑了行车在两个加速阶段为先加速后匀速工况时的加速度系数，若不考虑匀速过程，则该加速度系数取值为1。
在行车行驶到接近目标位置前，将行车从速度为V的状态减速到速度为0的停车过程分为两个减速阶段，每个阶段时长为半个单摆周期，即T/2。
5)先经过第一减速阶段[0，T/2]：加速度为a3(t)，行车从初始速度V减速到预设速度V的1/2，即为V/2，控制参数为
Figure BDA0002390285830000045
其中加速度a3(t)应满足
Figure BDA0002390285830000046
小于号表示当行车速度达到V/2，保持V/2不变，直到时间达到T/2。
吊重从卷筒正下方、与行车的相对水平速度为零开始向前摆动，吊重的水平速度大于行车移动速度，吊重的水平位移也大于行车位移，吊重相对于行车向前的摆角增大。
6)在时间[0～T/2]内行车速度达到V/2，同时吊重的水平速度也达到V/2。此时吊重相对于行车的相对水平速度为零，向前摆角达到最大。
7)第二减速阶段[T/2～T]：减速度为a4(t)，行车从速度V/2减速到0直至停车，控制参数为
Figure BDA0002390285830000051
由于绳索持续对吊重减速，吊重水平速度小于行车移动速度，吊重相对于行车从最大摆角处发生向后摆动，向前摆角减小。
8)在时间等于T时刻，行车速度减到0停车，同时吊重的水平速度也减为0。此时吊重相对于行车的相对水平速度为零，吊重到达小车卷筒正下方，绳索到达竖直位置，摆角达到最小，即接近零或等于零。
考虑到便于控制参数的计算简便性及加速切换匀速状态的平稳性，本实施例中减速阶段的加速度函数为一次函数，取
Figure BDA0002390285830000052
Figure BDA0002390285830000053
行车速度在
Figure BDA0002390285830000054
时刻减速到V/2。行车在
Figure BDA0002390285830000055
时刻减速至0，吊重回至垂直值时速度正好为0。上述a3(t)，a4(t)公式中数值1.1为考虑了行车在第一减速阶段为先减速后匀速工况时的加速度系数，若不考虑匀速过程，则该加速度系数取值为1。
本控制方法针对无人行车绳索式吊具的搬运作业，无需设置专门的防摇摆系统，利用无人行车自身的PLC作如上改变，即可轻松实现无人行车在目标位置，如图1所示，采用本控制方法进行废钢搬运实践，可控制吊重摇摆角度≤±0.6度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种无人行车防摇摆控制方法，其特征在于，行车PLC内置防摇摆控制程序模块，行车吊重自由单摆周期为T，行车在时间[0，T]内启动加速至速度达到V的过程中分为第一加速阶段和第二加速阶段，第一加速阶段行车在时间[0，T/2]内从速度0加速到V/2，第二加速阶段行车在时间[T/2，T]内从速度V/2加速到V；行车在时间[0，T]内减速停车过程中分为第一减速阶段和第二减速阶段，第一减速阶段行车在时间[0，T/2]内从速度V减速到V/2，第二减速阶段行车在时间[T/2，T]内从速度V/2减速到0；防摇摆控制程序模块实时计算行车的控制速度并将其输送给变频器来控制驱动电机，驱动电机按照计算出的控制速度实时驱动行车行走；
第一加速阶段的加速度a1(t)满足
Figure FDA0003230120160000011
第二加速阶段的加速度a2(t)满足
Figure FDA0003230120160000012
a1和a2均为变加速度；
第一减速阶段的加速度a3(t)满足
Figure FDA0003230120160000013
第二减速阶段的加速度a4(t)满足
Figure FDA0003230120160000014
a3和a4均为变加速度；
其中，
Figure FDA0003230120160000015
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